一種混凝土熱膨脹係數的測量方法

2023-04-28 01:36:16

專利名稱：一種混凝土熱膨脹係數的測量方法
技術領域：
本發明屬於混凝土性能分析技術領域，涉及一種混凝土熱膨脹係數的測量方法。
背景技術：
混凝土熱膨脹係數是指在不受外界幹擾，只受自身屬性影響時，單位長度或體積 的混凝土在單位溫度變化下長度或體積的變化量，它是材料的主要物理特性參數之一，一 般用平均線性熱膨脹係數來表徵。由於水泥水化熱的存在和日光輻射及其它環境熱源的影 響，在混凝土結構中特別是在大體積和超長混凝土結構中產生較大的溫度梯度，使結構產 生較大的不均勻溫度變形，進而產生較大的溫度應力，當溫度應力大於混凝土抗拉強度時， 引起開裂等缺陷，影響結構性能。對混凝土結構進行溫度變形計算的重要參數是熱膨脹系 數。所以精確測量不同組成、不同強度、不同齡期的混凝土的熱膨脹係數，對於充分掌握混 凝土的溫度變形特性、準確計算混凝土的溫度變形的大小、指導結構設計、提高混凝土結構 的耐久性等具有十分重要的意義。 由於混凝土試件比較大，測量混凝土熱膨脹係數的方法大多是用內置傳感器或表 面粘貼應變傳感器的方法。目前測量混凝土熱膨脹係數的方法主要有
1)內置傳感器測量方法 內置傳感器法是在混凝土試件澆築成型時，在試件內部預埋傳感器。混凝土試件 硬化成型後，當溫度發生變化時，試件會發生溫度變形，埋在混凝土試件中的傳感器會一同 發生變形。通過特定的測試儀器，可以測出傳感器的變形量，從而得知混凝土試件的變形 量。混凝土試件在溫度變化過程中，會對內置的電子傳感器造成很大的測量誤差；同時，由 於混凝土試件中一定量的水分，也會對傳感器造成較大的測量誤差；如果對傳感器進行防 水處理，則會導致傳感器不能直接反應試件的變形，會增加測量結果的不確定性。
2)應變片傳感器測量方法 用粘合劑在混凝土試件表面粘貼應變片傳感器，當試件溫度發生變化時，用靜態
電阻應變計可以測量出應變片的應變量，從而獲得混凝土試件自身的溫度變形量。應變片
傳感器測量方法避免了傳感器預埋到混凝土試件內部，從而避免了內部水分的影響。但由
於應變片多為電阻式傳感器，應變片本身的電阻溫度係數及熱膨脹係數會影響測試結果的
確定性；應變片的變形量只能反應混凝土試件表面的溫度變形，對於結構整體溫度變形的
測量具有一定的局限性。 3)千分表式膨脹儀測量方法 千分表式膨脹儀測量方法的原理是將待測混凝土試件的溫度變形傳遞到千分表 上，由此讀出不同溫度下的溫度變形量，進而計算出混凝土的熱膨脹係數。這種測量方法簡 單方便，但其精確度受千分表的最小刻度(O.OOlmm)的限制，且不能進行膨脹量的放大和 紀錄，難以準確反應出體積效應較小試件的溫度變形量，測量精度受到很大限制。

發明內容
本發明針對上述測量方法中存在的精確度低、不確定性大等問題，提供了一種混
凝土熱膨脹係數的測量方法，測量過程操作簡單，測量精確度高。
本發明的技術方案為一種混凝土熱膨脹係數的測量方法，步驟如下
第一步，每種混凝土配合比成型3個試件，試件的形狀大小相同，每個試件在成型 時在試件表面平行預埋4個銅頭作為測量長度的端點，混凝土試件成型1天後拆模，放入標 準養護室中進行養護，至預定養護齡期測量熱膨脹係數； 第二步，達到預定養護齡期時，先將混凝土試件放入溫度為T。的水中浸泡，在進行 測量前半小時將手持式應變儀放入標準養護室內，混凝土試件在水中浸泡^ 1.5h後測量 試件表面上相應兩銅頭之間的長度1(T。)並記錄； 第三步，然後，將混凝土試件移入溫度為T的恆溫水箱中浸泡^ 1. 5h後測量試件 表面上兩相應銅頭間的長度1 (T)並記錄； 第四步，針對同一試件表面的同一對銅頭之間的距離每個溫度下測量若干次後， 剔除不正常數據後取平均值作為有效數據，根據不同溫度下混凝土試件表面兩銅頭之間的
測量長度，按照下式計算出混凝土的平均線性熱膨脹係數a = ;、=廠^ 其
'、WM 一%7 化" ，
中T。和T為混凝土的初始溫度和最終溫度(°C ) ;1 (T)和1 (T。)分別為混凝土溫度為T和
T。時試件長度(mm) ; A 1和A T分別混凝土長度變化和溫度變化。 浸泡試件時，在試件的底部平行放置兩根可以自由滾動的鋼筋，可以減少混凝土 試件在溫度升高時的約束阻力。 在測量長度時，採用泡沫保溫板覆蓋在試件表面，減少水箱蓋打開和關閉時水與 周圍環境的熱交換，保持水箱內的水溫的恆定，同時為了有效降低測量過程中手持式應變 儀自身的溫度變化。
有益效果 (1)本測量方法操作過程簡單，測量結果重複性好。
(2)本測量方法的誤差低於3. 2%，可以滿足研究的精度要求。


圖l混凝土試件尺寸及預埋銅頭位置的示意圖。其中，1、2、3、4為銅頭。 圖2試件中心位置的溫度隨時間的變化 圖3不同漿體體積率條件下的混凝土熱膨脹係數 圖4不同粉煤灰摻量條件下的混凝土熱膨脹係數
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做出具體說明。
實施例1 (1)成型100mmX 100mmX 400mm稜柱體混凝土試件，每種混凝土配合比成型3個試 件，每個試件上在成型時在試件表面平行預埋4個銅頭作為測量長度的端點如圖1所示，沿 試件長度方向上的兩銅頭之間的距離約為250mm。混凝土試件成型1天後拆模，放入標準養護室中進行養護，至預定齡期測量熱膨脹係數。 (2)達到設定養護齡期時，先將混凝土試件放入2(TC水中完全浸泡。在進行測量 前半小時將手持式應變儀放入標準養護室內，使試件和手持式應變儀具有相同的溫度。混 凝土試件在水中完全浸泡1. 5h後測量試件表面上相應兩銅頭之間的長度並記錄。
(3)之後將混凝土試件移入6(TC恆溫水箱中完全浸泡。為了減少混凝土試件在溫 度升高時的約束阻力，試件底部平行放置兩根可以自由滾動的鋼筋。為了減少水箱蓋打開 和關閉時水與周圍環境的熱交換，保持水箱內的水溫的恆定，同時為了有效降低測量過程 中手持式應變儀自身的溫度變化，在測量6(TC條件下的試件長度時，採用用泡沫保溫板覆 蓋在試件表面。混凝土試件在6(TC水中完全浸泡1. 5h後測量試件表面上兩相應銅頭間的 長度並記錄。 (4)同一試件表面的同一對銅頭之間的距離測量3次，剔除不正常數據後取平均 值作為有效數據。根據不同溫度下混凝土試件表面兩銅頭之間的測量長度，計算出混凝土 的熱膨脹係數。 在試件成型時可以在試件的中心預先放置一個熱電偶的測量端點，通過預埋在試 件中心位置的熱電偶可測量出溫度為2(TC的混凝土試件放入6(TC的水中後，中心位置的 溫度隨時間的變化。 本測量方法的誤差僅為3. 2%，可以滿足研究的精度要求。
誤差推算過程如下 混凝土平均線性熱膨脹係數a可以按照式1進行計算。
—i(r》-/(t:,) i △/ , Qf ='、』丄=--式(i) 其中T。和T為混凝土的初始溫度和最終溫度(°C ) ;1 (T)和1 (T。)分別為混凝土 溫度為T和T。時試件長度(mm) ; A 1和A T分別混凝土長度變化和溫度變化；
按照式1測量混凝土線性熱膨脹係數的相對誤差2為
°* — //°"/ 、2丄f ^7/ 、2丄f 、2 _p 。、 "-—ill^J卞、-^j 個、-^，工、、z. 其中o a 、 o p o T分別為熱膨脹係數、長度和溫度的標準差，
式2中各參數可以按照以下方式確定 1。為初始標距，取250mm ;混凝土的熱膨脹係數一般在10X 10—7。C左右；本文試驗 中溫度AT變化為40°C， A 1約為250mmX (40°C ) X (10X 10—6/°C )即10—'mm ;單次測量長 度標準差為手持應變儀的最小刻度的一半即0. 5X 10—2mm，由於每組取4個長度值，則相對
誤差為,x^5x") ^ =0.2河0—2腿;溫度變化的標準差為0. 5°C, 乂 4x3
則式3可以表示為
^gO,,,2 2 + ,， 2經2 = 式(3) a~ 250 10-1 40
從式4可以看出本測量方法的誤差為3. 2%，可以滿足研究的精度要求。 圖2是溫度為2(TC的混凝土試件放於6(TC水中後試件中心位置的溫度隨時間的變化。由圖2可知，混凝土試件放於60 °C水中55min後，試件中心位置的溫度已與水溫相 同，說明此時試件不同位置的溫度已達到平衡。所以混凝土試件在水中完全浸泡1. 5h後能 夠確保試件與水的溫度相同，測量的兩銅頭之間的長度是在設定水溫下的長度。
實施例2 在漿體水膠比為0. 42、粉煤灰取代量為25% wt、砂率為38% wt的實驗條件下，在 混凝土中漿體的體積分數V分別為20%、30%、40%的條件下分別各成型3個試件，成型後 按照實施例1的方法，在不同齡期測量混凝土的熱膨脹係數，測試結果如圖3所示。因為硬 化水泥漿體的熱膨脹係數高於骨料的熱膨脹係數，所以漿體體積分數增加，混凝土的熱膨 脹係數也隨之增加。這與圖3所示的檢測結果的趨勢一致。
實施例3 在膠凝材料總量為400kg/m3，水膠比為0. 42，砂率為38% wt的條件下進行實驗， 粉煤灰在漿體中的質量分數分別為0、0. 1、0. 2、0. 3、0. 4的條件下各成型3個試件，標準養 護28d後按照實施例1的方法測試不同摻量粉煤灰混凝土的熱膨脹係數，如圖4所示。在 膠凝材料用量相同的情況下，隨著粉煤灰摻量的增大，水泥石的孔隙率增大，導致混凝土的 熱膨脹係數降低。這與圖4所示的檢測結果的趨勢一致。 由實施例可以看出本測量方法既簡單，測量結果重複性好，而且誤差也小。
權利要求
一種混凝土熱膨脹係數的測量方法，其特徵在於，步驟如下第一步，每種混凝土配合比成型3個試件，試件的形狀大小相同，每個試件在成型時在試件表面平行預埋4個銅頭作為測量長度的端點，混凝土試件成型1天後拆模，放入標準養護室中進行養護，至預定養護齡期測量熱膨脹係數；第二步，達到預定養護齡期時，先將混凝土試件放入溫度為T0的水中浸泡，在進行測量前半小時將手持式應變儀放入標準養護室內，混凝土試件在水中浸泡≥1.5h後測量試件表面上相應兩銅頭之間的長度l(T0)並記錄；第三步，然後，將混凝土試件移入溫度為T的恆溫水箱中浸泡≥1.5h後測量試件表面上兩相應銅頭間的長度l(T)並記錄；第四步，針對同一試件表面的同一對銅頭之間的距離每個溫度下測量若干次後，剔除不正常數據後取平均值作為有效數據，根據不同溫度下混凝土試件表面兩銅頭之間的測量長度，按照下式計算出混凝土的平均線性熱膨脹係數α其中T0和T為混凝土的初始溫度和最終溫度；l(T)和l(T0)分別為混凝土溫度為T和T0時試件長度(mm)；Δl和ΔT分別混凝土長度變化和溫度變化。F2009102327040C0000011.tif
2. 如權利要求1所述的混凝土熱膨脹係數的測量方法，其特徵在於，浸泡試件時，在試 件的底部平行放置兩根可以自由滾動的鋼筋。
3. 如權利要求1所述的混凝土熱膨脹係數的測量方法，其特徵在於，在測量長度時，採 用泡沫保溫板覆蓋在試件表面。
4. 如權利要求3所述的混凝土熱膨脹係數的測量方法，其特徵在於，泡沫保溫板的尺 寸與試件表面形狀大小相同，在試件上表面預埋銅頭的位置留有兩條縫隙。
全文摘要
本發明公開了一種混凝土熱膨脹係數的測量方法，每種混凝土配合比成型3個試件，每個試件在成型時在試件表面平行預埋4個銅頭作為測量長度的端點，混凝土試件成型1天後拆模，放入標準養護室中進行養護；達到預定養護齡期時，先將混凝土試件放入溫度為T0的水中浸泡，混凝土試件在水中浸泡後測量試件表面上相應兩銅頭之間的長度l(T0)，將混凝土試件移入溫度為T的恆溫水箱中浸泡後測量試件表面上兩相應銅頭間的長度l(T)並記錄；針對同一試件表面的同一對銅頭之間的距離每個溫度下測量若干次後，取平均值作為有效數據，根據不同溫度下混凝土試件表面兩銅頭之間的測量長度，按照式(1)計算出混凝土熱膨脹係數。
文檔編號G01N25/16GK101701924SQ20091023270
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者巴明芳, 錢春香, 高桂波 申請人:東南大學