Thí nghiệm sức bền vật liệu

ĐH KIẾN TRÚC TPHCM 10 ĐIỂM CHO SỰ HOÀN HỎA CỦA BÀO BÁO CÁO. ĐÚNG BẢN CHẤT VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG. BÁO CÁO GIÚP TA HIỀU SAU VỀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG , COT THÉP, GỖ, GẠCH...

PHẦN I: THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU THỰC HÀNH THÍ NGHIỆP KÉO - NÉN CÁC MẪU VẬT LIỆU

− Ngành đào tạo: Kỹ sư xây dựng

− Số tiết thí nghiệm: 5 tiết

− Ngày thí nghiệm:

− Ngày viết báo cáo:

A MỤC ĐÍCH YÊU CẦU:

Sau bài học thí nghiệm các sinh viên đạt được các yêu cầu sau:

− Nâng cao sự hiểu biết về quá trình chịu lực của vật liệu từ khi bắt đầu gia tải đếnkhi vật liệu bị phá hoại

− Vẽ được biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu khi chịu lực

− Xác định được các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu

− Số lượng thí nghiệm: 6 thí nghiệm

• 1 thí nghiệm kéo mẫu vật liệu dẻo

• 1 thí nghiệm kéo mẫu vật liệu dòn

• 1 thí nghiệm nén mẫu vật liệu dòn

• 1 thí nghiệm kéo mẫu vật liệu gỗ

• 1 thí nghiệm nén mẫu vật liệu gỗ

• 1 thí nghiệm uốn mẫu vật liệu gỗ

− Giáo viên hướng dẫn cho từng nhóm sinh viên các nội dung chính:

• Cách sử dụng và đọc các loại đồng hồ trong thí nghiệm

• Các bước thí nghiệm với từng mẫu vật liệu

• Cách ghi chép và xử lý số liệu thí nghiệm

• Lập báo cáo kết quả thí nghiệm

C TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:

− Thiết bị gây tải: máy kéo nén vạn năng 5T

− Đồng hồ đo chuyển vị khuếch đại cao tầng

− Thước kẹp khuếch đại 10 lần

Máy nén kéo vạn năng

Đồng hồ đo chuyển vị và thước kẹp

D KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

Được trình bày theo nội dung của từng bài thí nghiệm

− Đường kính d0 = 12.3mm (không gân), 13.7mm (có gân)

b Sau khi thí nghiệm:

− Chiều dài:

− Đường kính thường: 9.7mm

− Đường kính nơi thắt:7.7mm

2 Các số liệu thí nghiệm:

Cấp tải trọng

(kG)

Chỉ số đồng

hồ đo biếndạng dài

l

∆(mm)

3 Vẽ đồ thị quan hệ ứng suất σz và biến dạng dài tương đối εz

4 Xác định các chỉ tiêu cơ lý vật liệu:

P

KG cm F

P

KG cm F

P

KG cm F

− Mô đun đàn hồi:

25261

0.1443

dh z

εεµ

5 Nhận xét quá trình thí nghiệm kéo mẫu thép:

− Sau khi kẹp mẫu thép vào máy kéo nén vạn năng và bắt đầu tăng tải đến khi mẫuthép bị đứt (có tiếng nổ lớn), ta thấy khi tăng lực kéo thì biến dạng dài tương ứng P -

l

∆

cũng tăng theo, tương ứng với đó ta nhận được đồ thị quan hệ giữa ứng suất σz và

biến dạng dài tương đối εz

− Đoạn từ O đến A, tương ứng với ứng suất từ 0 đến khoảng 4808KG/cm2 , đồ thì làmột đường hơi cong và gần như là đường thẳng Trong giai đoạn này , ứng suất và

biến dạng tỉ lệ thuận với nhau, vật liệu tuân theo đinh luật hook σ =E.ε

, trong đómoodun đàn hồi E là hệ số góc của đường thẳng OA: Đối với mẫu thép thí nghiệm có

E = 36458(kG/cm2).Bên trên điểm A một chút cho tới điểm A’ có σz = 5261KG/cm2,

đường thẳng hơi cong đi một chút, ứng suất và biến dạng không còn giai đoạn tỷ lệnữa nhưng thép vẫn làm việc đàn hồi, nghĩa là nếu giảm tải thì biểu đồ sẽ quay trở lạiđiểm A Ứng suất tương ứng với điểm A’ gọi là giới hạn đàn hồi σđh là giới hạn củavùng làm việc đàn hồi của thép Thực tế, σđh khác rất ít với σtl nên nhiều khi người tađồng nhất hai giai đoạn làm việc này.

− Đoạn từ A’- B, là một đường cong rõ rệt Thép không còn làm việc đàn hồi nữa,

mô đun đàn hồi E giảm dần đến điểm B, ứng với ứng suất chừng σz= 5682kG/cm2.Giai đoạn này gọi là giai đoạn đàn hồi - dẻo

− Đoạn từ B-C gọi là giai đoạn chảy dẻo Biến dạng vẫn tăng trong khi ứng suất hầunhư không đổi Đoạn nằm ngang ứng với biến dạng từ ε = 14,43% đến ε =17,61% được gọi là thềm chảy Ứng suất tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi làgiới hạn chảy σch

− Đoạn C-D quá giai đoạn chảy thép không chảy nữa và có thể chịu được lực Quan

hệ ứng suất – biến dạng là một đường cong thoải, biến dạng tăng nhanh theo kiểubiến dạng dẻo Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện bị thu nhỏ và bị kéo đứt ứng với ứngsuất tại điểm D, lúc này P khoảng 8000 kG và σ = 6734 kG/cm2 Ứng suất này gọi

là giới hạn bền Biến dạng kéo đứt rất lớn Δl = 34,7 mm, εo = 39,43% Trong thínghiệm trên ta khó nhận thấy được giai đoạn này do thanh thép hình thành eo thắt

Kết luận: Qua thí nghiệm này cho kết quả giới hạn đàn hồi, chảy và bền của mẫu

thép để khi tính toán, thiết kế kết cấu cho thép chịu lực ở giới hạn nào cho an toàn

và mang tính kinh tế Tuy nhiên ở giai đoạn đàn hồi đàn hồi dẻo và giai đoạn giớihạn dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng còn nhiều sai số chưa giống như lýthuyết đã học.

Với thép cacbon thông thường E = 2100000(kG/cm2), Ethí nghiệm = 36458(kG/cm2), nhỏhơn gần rất nhiều

Một số nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch trên là:

- Trong quá trình thí nghiệm: đọc các số liệu chưa chính xác có sự sai xót, cóthể máy thí nghiệm không đạt chuẩn

- Điều kiện thí nghiệm: Tốc độ gia tải khi thí nghiệm, hình dáng kích thướcmẫu, tính chất mặt tiếp xúc giữa mẫu và máy kéo chưa tuần thủ chặt chẽtheo tiêu chuẩn

∆(mm)

)0

00.201.652.503.003.403.904.304.855.205.706.306.45

00.181.462.212.653.013.453.814.294.605.045.585.71

200210.0420.5630.8841.01051.31261.61471.81682.11892.32102.62312.92354.9

3 Vẽ đồ thị quan hệ ứng suất và biến dạng dài tương đối εz

0

l

l z

4 Xác định các chỉ tiêu cơ lý vật liệu:

b b

P

KG cm F

− Hệ số nở hông:

0, 25

y x

εεµ

5 Nhận xét quá trình thí nghiệm kéo mẫu gang:

− Khi tiến hành thí nghiệm kéo gang, khi tải trọng tăng thì đồng hồ biến dạng cũngtăng nhưng rất chậm , tiếp tục tăng tải trọng đến mức 5600kG thì thanh bị đứt độtngột ( có tiếng nổ) do là vật liệu dòn nên thí nghiệm diễn ra nhanh hơn thí nghiệmkéo thép, không trải qua những giai đoạn chảy như thép mà chỉ có giới hạn bền

Biểu đồ kéo gang σ z - ε z xem như một đường cong liên tục và kết thúc tại lúc mẫu bịđứt, không như chia ra các giai đoạn như kéo thép

− Khi tăng tải trọng đến mức tải Pb = 6000 (KG) với biến dạng dài 6,45 (mm) ứng với

εz = 5,71% thì thanh gang bị đứt đột ngột Ngay tại vị trí đứt gãy ấy hầu như khôngtạo ra eo thắt và đường kính không thay đổi, không có nút thắt như thí nghiệm kéothép

− Các đặc trưng cơ học cua gang: Gang là vật liệu giòn, biến dạng của gang tăng ít khi

P tăng Quá trình phá huỷ của gang trải qua 2 giai đoạn, So với thép thì biến dạngcủa gang ít hơn khi tăng tải P Gang chỉ tồn tại giới hạn bền khi kéo

− Do vậy có thể kết luận: gang là vật liệu dòn chịu kéo kém và bị phá hủy đột ngộttrong khi khả năng biến dạng nhỏ Vậy kết quả thí nghiệm phù hợp với lý thuyết

l

∆

l z

Vẽ đồ thị quan hệ ứng suất σz và biến dạng dài tương đối εz

3 Xác định các chỉ tiêu cơ lý vật liệu:

b b

P F

− Hệ số nở hông:

0.25

y x

εεµ

4 Nhận xét quá trình thí nghiệm nén mẫu gang:

− Khi tiến hành thí nghiệm nén gang, khi tải trọng tăng thì đồng hồ biến dạng cũngtăng Dưới tác dụng của tải trọng mẫu gang bị biến dạng, quan hệ giữa biến dạng

và ứng suất là đồ thị trên Đồ thị là đường cong tăng dần theo ứng suất (giống thínghiệm kéo gang) do là vật liệu dòn nên thí nghiệm diễn ra nhanh tương tự thínghiệm kéo gang.

− Tương tự như kéo gang vật liệu không có giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy mà chỉ

có giới hạn bền

29745,784(kG/ cm )

b

σ =

− Khi nén, ta đặt mẫu vào đúng tâm bàn nén sau đó bắt đầu gia tải tăng dần và khitải trọng đạt mức P = 6200 (KG) thì mẫu bị phá hoại Mẫu gang biến dạng rất ít,mẫu bị gãy xiên theo một góc gần 45 độ so với phương tác dụng của tải do tác

dụng của ứng suất tiếp lớn nhất τ m ax

và đường kính mẫu sau khi nén tăng vàchiều cao mẫu giảm

− Kết quả chứng minh được thực tiển và lý thuyết hoàn toàn phù hợp

− Tuy nhiên trong đồ thị có vài vị trí sai khác không đáng kể do nhiều nguyên nhân :+ Trong quá trình thí nghiệm: đọc các số liệu chưa chính xác có sự sai xót, có thểmáy thí nghiệm không đạt chuẩn

+ Điều kiện thí nghiệm: Tốc độ gia tải khi thí nghiệm, hình dáng kích thước mẫu,tính chất mặt tiếp xúc giữa mẫu và máy kéo chưa tuần thủ chặt chẽ theo tiêuchuẩn

Kết luận: vậy gang là vật liệu chịu nén tốt.

Thông qua 2 thí nghiệm kéo và nén gang ta nhận thấy đối với vật liệu giòn giớihạn bền khi kéo bé hơn nhiều so với giới hạn bền khi nén

Vì vậy ta rút ra kết luận: vật liệu dòn chịu nén tốt hơn rất nhiều so với chịu kéo

− Gỗ có tiết diện 20 x 20, dài 350mm, b=20mm,h=4mm, L0=90mm

− Được gia công đưa về mẫu chịu kéo theo TCVN 364 – 70

− Độ ẩm mẫu gỗ: trong điều kiện tự nhiên

F (cm2)

Lực kéogiới hạn

Ngh (kG)

Cường độchịu kéogiới hạn

3.23.24.2

0.81920.78081.0542

90011001350

1098.631408.811280.591262.6

100 100

=

tb k

R

- Các kết quả thí nghiệm sai lệch nhau chứng tỏ gỗ là vật liệu không đẳng hướng vàkhông đồng nhất, tính chịu lực không giống nhau thoe các phương và theo vị trí.

− Gỗ dầu có tiết diện 20 x 20, dài 30

− Được gia công đưa về mẫu chịu kéo theo TCVN 363 – 70

− Độ ẩm mẫu gỗ: trong điều kiện tự nhiên

3 Sơ đồ thí nghiệm:

− Sơ đồ đặt tải kéo mẫu:

− Tốc độ gia tải: 2KG/s

4 Số liệu và kết quả thí nghiệm:

Số TT Kích thước mẫu (mm) Diện tích Lực nén Cường độ

N

h

mẫu chịu nénF (cm2) Ngiới hạngh (kG)

chịu néngiới hạn

Rn(kG/cm2)

28.227.527.4

44.944.045.0

7.9527.6457.919

390031503250

490.44412.03410.41

R

6 Nhận xét và kết luận:

- Trong thí nghiệm nén gỗ, ta tiến hành gia tải cho mẫu gỗ đến khi mẫu bị phá hoạivới lực nén trung bình khoảng P =5150(kG) Gỗ bị phá hoại chủ yếu do uốn dọccục bộ, cũng do cấu tạo là các thớ gỗ nên việc thí nghiệm kiểm tra đúng khả năngchịu nén của gỗ tương đối khó

- Thí nghiệm trên cho thấy mẫu gỗ lực nén tới hạn khá lớn chứng tỏ gỗ là vật liệuchịu nén tốt ,cường độ chịu nén dọc thớ là chỉ tiêu ổn định nhất của gỗ, được dùng

để đánh giá và phân loại gỗ và gỡ chịu nén là hình thức chịu lực thích hợp nhất đốivới gỗ nên gỗ được dùng rộng rãi trong xây dựng làm cột khung

- Khả năng chịu nén của gỗ phụ thuộc vào các thớ gỗ và cách sắp xếp của chúng,mỗi loại gỗ sẽ có cường độ chịu nén khác nhau vì vậy cần phải tiến hành thử nhiềumẫu rồi lấy kết quả trung bình

- Kết luận: gỗ là vật liệu không đồng nhất và chịu nén tốt

− Gỗ dầu có tiết diện 30 x 30, dài 300mm, L0=240mm

− Được gia công đưa về mẫu chịu kéo theo TCVN 365 – 70

− Độ ẩm mẫu gỗ: trong điều kiện tự nhiên

− Gối tựa truyền tải: 2 con lăn kim loại hình trụ D = 20, L = 30mm

4 Số liệu và kết quả thí nghiệm:

Wx(cm3)

Chỉ

số lựckế

Nn(kG)

Lực uốngiới hạn

Nu=Nn(kG)

Momentuốn giớihạn

Mgh(kGcm)

Cường độ chịuuốn giới hạn

Ru (kG/cm2)Dài Rộng Cao

1

2

240240

28.429.5

28.728.3

3.8993.938

11001200

11001200

66007200

1692.741828.34

b

3 240 28.3 28.5 3.831 1050

Rutb = 1721.85

5 Hinh ảnh thí nghiệm

- Thí nghiệm trên thực hiện với 3 mẫu cho kết quả cường độ chịu uốn khá chênhlệch, chứng tỏ chất lượng mẫu đem thí nghiệm chưa đồng nhất.

- Khả năng chịu uốn của gỗ phụ thuộc vào các thớ gỗ và cách sắp xếp củachúng, mỗi loại gỗ sẽ có cường độ chịu uốn khác nhau vì vậy cần phải tiếnhành thử nhiều mẫu rồi lấy kết quả trung bình

- Trong thí nghiệm này còn tồn tại hạn chế là máy nén chưa kiểm soát được tốc

độ gia tải, ta không biết được tốc độ gia tải có tuân theo tiêu chuẩn quy địnhhay không Mẫu gỗ còn khuyết tật, chưa đồng nhất

PHẦN II: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ

CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

A GIỚI THIỆU CHUNG

• Ngành đào tạo: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

• Số tiết thí nghiệm: 15 tiết

• Thời điểm thí nghiệm: Các bài thí nghiệm được thực hiện sau khi sinh viên đã đượchọc các phần lý thuyết tương ứng

• Các loại vật liệu xây dựng dùng thí nghiệm: gạch ống, gạch thẻ, xi măng, bêtông, cốtliệu

B MỤC ĐÍCH YÊU CẦU

Sau khi thực hành thí nghiệm, sinh viên cần đạt được các yêu cầu sau:

• Hiểu biết cơ bản về công tác thí nghiệm (khâu chuẩn bị mẫu, khâu chuẩn bị trang thiết

bị, khâu thí nghiệm, khâu xử lý số liệu và đánh giá kết quả)

• Nâng cao sự hiểu biết về quá trình chịu lực từ khi bắt đầu gia tải đến khi vật liệu bịphá hoại

• Xác định được một số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng như: giới hạn cường độchịu nén, chịu uốn, độ sụt và mác vật liệu

• Hiểu được tính năng sử dụng và biết vận hành các trang thiết bị, máy móc thí nghiệm

C TỔ CHỨC THÍ NGHIỆM

• Một nhóm thí nghiệm gồm có 15-20 sinh viên sinh viên được hướng dẫn trực tiếpthực hành thí nghiệm với từng bài thí nghiệm cụ thể

• Các bài thí nghiệm gồm có:

Bài 1: Thiết kế cấp phối – chế tạo mẫu bê tông – vữa xi măng.

Bài 2: Thí nghiệm xác định độ sụt của hỗn hợp bêtông.

Bài 3: Thí nghiệm xác định giới hạn cường độ chịu nén của bêtông.

Bài 4: thí nghiệm xác định giới hạn bền uốn của xi măng.

Bài 5: Thí nghiệm xác định giới hạn bền nén của xi măng.

Bài 6: Thí nghiệm xác định giới hạn cường độ chịu nén của gạch ống 4 lỗ.

Bài 7: Thí nghiệm xác định độ bền uốn của gạch thẻ.

Bài 8: Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của xi măng, cát , đá dăm, gạch, vữa xi măng, bê tông.

- nước : dùng nước máy trong phòng thí nghiệm.

1 thiết kế cấp phối bê tông mác ; sn = cm

2 thí nghiệm xác định độ sụt sn của hỗn hợp bê tông (bài 2)

3 chế tạo 3 mẫu bê tông kích thước 15x15x15cm để xác định mác bê tông theocường độ chịu nén

4 chế tạo 3 mẫu vữa xi măng kích thước 4x4x16cm, tỉ lệ xi măng : cát = 1 :3;nước : xi măng = 0.4 ÷0.5 sao cho đạt độ dẻo tiêu chuẩn, để xác định mác xi măng theocường độ chịu nén

III TRÌNH TỰ THIẾT KẾ VÀ CẤP PHỐI BÊ TÔNG

Yêu cầu thiết kế bê-tông M300, độ sụt : SN=16 (cm)

Nguyên vật liệu như sau:

- Nguyên vật liệu chất lượng tốt

- Nước dùng trộn bê-tông đảm bảo quy phạm

AR 0.6 300

b k

R X

´

• Hệ số tăng lượng vữa: ta cộng thêm 0.1 với cát có

và độ sụt của bê-tông yêu cầu là

- Tỷ lệ theo khối lượng:

2) Tính liều lượng nguyên vật liệu khi tính tới độ ẩm tự nhiên trong 1m3 tông:

bê-3) Tính nguyên vật liệu cho 3 mẫu 15x15x15cm

- Thể tích bê-tông của 3 mẫu:

- Lượng nguyên vật liệu cần thiết:

4) Kiểm tra vật liệu bằng thực nghiệm:

Lấy liều lượng nguyên vật liệu để đúc 3 mẫu bê tông (11 lít) kíchthước15x15x15cm, đem nhào trộn để kiểm tra sn, dưỡng hộ sau 28 ngày trongđiều kiện chuẩn, xác định Rn lấy kết quả trung bình mác bê tông

IV KẾT QUẢ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG

Bê tông mác M300 , SN= 16 cm:

α =

a = 0.6x/n =

Nguyên vật liệu 1m3 bê tông …… lít bê tông Đơn Vị

V TRÌNH TỰ CHẾ TẠO 3 MẪU VỮA XIMĂNG

- Mỗi mẻ cho 3 mẫu thử sẽ gồm :

• 450g ± 2g ximăng

• 1350g ± 5g cát

• 225g ± 1g nước

- Dùng cân kỹ thuật để cân khối lượng ximăng và cát

- Dùng ống đong lấy 225ml nước

- Cho ximang va cat vao mang trộn, trộn kho hỗn hợp ximang – cat bằngphương phap trộn tay

- Cho nước vào hỗn hợp ximăng – cát và tiếp tục trộn đều

- Khuôn đúc 3 mẫu 15x15x15cm vữa đã chuẩn bị quét nhẹ 1 lớp nhớt mỏng lênthành khuôn

- Kẹp chặt khuôn đúc vào bàn dằn

- Cho hỗn hợp vữa ximăng vào khuôn làm 3 lớp, mỗi lớp có chiều cao khoảng1/3 chiều cao khuôn

- Dằn mỗi lớp 25 cái bằng bàn dằn bàn dằn được nâng lên cao 15mm và rơi tự

do, mỗi chu kì nâng lên và rơi xuống của bàn dằn là 1 giây

- Nhẹ nhàng nhấc khuôn khỏi bàn dằn và xoa phẳng mặt khuôn

- Hoàn tất quá trình đúc mẫu, ghi nhãn để nhận biết mẫu, dọn dẹp vệ sinh.

- Mẫu sau khi đúc xong phải được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (24 giờtrong khuôn trong không khí ẩm và 27 ngày ± 8 giờ ngâm trong nước ở nhiệt

độ 27 ± 20c), sau đó được vớt ra để thử độ bền uốn và độ bền nén => mácximăng

VI NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

− Việc tính cấp phối giúp ta thiết kế bê tông theo yêu cầu và dự toán đươc số lượngvật liệu cần dùng :

+ Cát cùng với ximăng, nước tạo ra vữa ximăng để lắp đầy lỗ trống giữa các cốt

đá dăm và bao bọc xung quanh các đá dăm để tạo ra khối bêtông đặc chắc Cátcùng với đá dăm tạo ra bộ khung chịu lực cho bêtông

+ Ximăng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo racường độ cho bêtông Chất lượng và hàm lượng ximăng là yếu tố quan trọngquyết định cường độ chịu lực của bêtông Việc lựa chọn mác ximăng là rấtquan trọng, vì phải đảm bảo vừa đạt mác bêtông thiết kế vừa đàm bảo yêu cầukinh tế Tránh dùng ximăng mác thấp để chế tạo bêtông mác cao và ngược lại

Ở đây chúng ta chế tạo bêtông mác 300 sử dụng PCB30 có mác 300 là hợp lý.+ Nước tạo ra độ lưu động cần thiết để quá trình thi công được dễ dàng, giúp choximăng phản ứng tạo ra các sản phầm thủy hóa làm cường độ của bêtông tănglên Ở đây, chúng ta dùng nước máy trong phòng thí nghiệm là đảm bảo

- Cát và đá dăm chiếm phần lớn khối lượng mẻ trộn

- Đá dăm phải sạch không lẫn tạp chất bẩn như gỗ mụi, rác

- Chất lượng và hàm lượng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cường độ chịulực của bê tông