一种混凝土热膨胀系数的测量方法转让专利
申请号 : CN200910232704.0
文献号 : CN101701924A
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 钱春香 , 高桂波 , 巴明芳
申请人 : 东南大学
摘要 :
本发明公开了一种混凝土热膨胀系数的测量方法，每种混凝土配合比成型3个试件，每个试件在成型时在试件表面平行预埋4个铜头作为测量长度的端点，混凝土试件成型1天后拆模，放入标准养护室中进行养护；达到预定养护龄期时，先将混凝土试件放入温度为T0的水中浸泡，混凝土试件在水中浸泡后测量试件表面上相应两铜头之间的长度l(T0)，将混凝土试件移入温度为T的恒温水箱中浸泡后测量试件表面上两相应铜头间的长度l(T)并记录；针对同一试件表面的同一对铜头之间的距离每个温度下测量若干次后，取平均值作为有效数据，根据不同温度下混凝土试件表面两铜头之间的测量长度，按照式(1)计算出混凝土热膨胀系数。
权利要求 :
1.一种混凝土热膨胀系数的测量方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，每种混凝土配合比成型3个试件，试件的形状大小相同，每个试件在成型时在试件表面平行预埋4个铜头作为测量长度的端点，混凝土试件成型1天后拆模，放入标准养护室中进行养护，至预定养护龄期测量热膨胀系数；
第二步，达到预定养护龄期时，先将混凝土试件放入温度为T0的水中浸泡，在进行测量前半小时将手持式应变仪放入标准养护室内，混凝土试件在水中浸泡≥1.5h后测量试件表面上相应两铜头之间的长度l(T0)并记录；
第三步，然后，将混凝土试件移入温度为T的恒温水箱中浸泡≥1.5h后测量试件表面上两相应铜头间的长度l(T)并记录；
第四步，针对同一试件表面的同一对铜头之间的距离每个温度下测量若干次后，剔除不正常数据后取平均值作为有效数据，根据不同温度下混凝土试件表面两铜头之间的测量长度，按照下式计算出混凝土的平均线性热膨胀系数α其中T0和T为混凝土的初始温度和最终温度
；l(T)和l(T0)分别为混凝土温度为T和T0时试件长度(mm)；Δl和ΔT分别混凝土长度变化和温度变化。
2.如权利要求1所述的混凝土热膨胀系数的测量方法，其特征在于，浸泡试件时，在试件的底部平行放置两根可以自由滚动的钢筋。
3.如权利要求1所述的混凝土热膨胀系数的测量方法，其特征在于，在测量长度时，采用泡沫保温板覆盖在试件表面。
4.如权利要求3所述的混凝土热膨胀系数的测量方法，其特征在于，泡沫保温板的尺寸与试件表面形状大小相同，在试件上表面预埋铜头的位置留有两条缝隙。
说明书 :
技术领域
本发明属于混凝土性能分析技术领域，涉及一种混凝土热膨胀系数的测量方法。
背景技术
混凝土热膨胀系数是指在不受外界干扰，只受自身属性影响时，单位长度或体积的混凝土在单位温度变化下长度或体积的变化量，它是材料的主要物理特性参数之一，一般用平均线性热膨胀系数来表征。由于水泥水化热的存在和日光辐射及其它环境热源的影响，在混凝土结构中特别是在大体积和超长混凝土结构中产生较大的温度梯度，使结构产生较大的不均匀温度变形，进而产生较大的温度应力，当温度应力大于混凝土抗拉强度时，引起开裂等缺陷，影响结构性能。对混凝土结构进行温度变形计算的重要参数是热膨胀系数。所以精确测量不同组成、不同强度、不同龄期的混凝土的热膨胀系数，对于充分掌握混凝土的温度变形特性、准确计算混凝土的温度变形的大小、指导结构设计、提高混凝土结构的耐久性等具有十分重要的意义。
由于混凝土试件比较大，测量混凝土热膨胀系数的方法大多是用内置传感器或表面粘贴应变传感器的方法。目前测量混凝土热膨胀系数的方法主要有：
1)内置传感器测量方法
内置传感器法是在混凝土试件浇筑成型时，在试件内部预埋传感器。混凝土试件硬化成型后，当温度发生变化时，试件会发生温度变形，埋在混凝土试件中的传感器会一同发生变形。通过特定的测试仪器，可以测出传感器的变形量，从而得知混凝土试件的变形量。混凝土试件在温度变化过程中，会对内置的电子传感器造成很大的测量误差；同时，由于混凝土试件中一定量的水分，也会对传感器造成较大的测量误差；如果对传感器进行防水处理，则会导致传感器不能直接反应试件的变形，会增加测量结果的不确定性。
2)应变片传感器测量方法
用粘合剂在混凝土试件表面粘贴应变片传感器，当试件温度发生变化时，用静态电阻应变计可以测量出应变片的应变量，从而获得混凝土试件自身的温度变形量。应变片传感器测量方法避免了传感器预埋到混凝土试件内部，从而避免了内部水分的影响。但由于应变片多为电阻式传感器，应变片本身的电阻温度系数及热膨胀系数会影响测试结果的确定性；应变片的变形量只能反应混凝土试件表面的温度变形，对于结构整体温度变形的测量具有一定的局限性。
3)千分表式膨胀仪测量方法
千分表式膨胀仪测量方法的原理是将待测混凝土试件的温度变形传递到千分表上，由此读出不同温度下的温度变形量，进而计算出混凝土的热膨胀系数。这种测量方法简单方便，但其精确度受千分表的最小刻度(0.001mm)的限制，且不能进行膨胀量的放大和纪录，难以准确反应出体积效应较小试件的温度变形量，测量精度受到很大限制。
由于混凝土试件比较大，测量混凝土热膨胀系数的方法大多是用内置传感器或表面粘贴应变传感器的方法。目前测量混凝土热膨胀系数的方法主要有：
1)内置传感器测量方法
内置传感器法是在混凝土试件浇筑成型时，在试件内部预埋传感器。混凝土试件硬化成型后，当温度发生变化时，试件会发生温度变形，埋在混凝土试件中的传感器会一同发生变形。通过特定的测试仪器，可以测出传感器的变形量，从而得知混凝土试件的变形量。混凝土试件在温度变化过程中，会对内置的电子传感器造成很大的测量误差；同时，由于混凝土试件中一定量的水分，也会对传感器造成较大的测量误差；如果对传感器进行防水处理，则会导致传感器不能直接反应试件的变形，会增加测量结果的不确定性。
2)应变片传感器测量方法
用粘合剂在混凝土试件表面粘贴应变片传感器，当试件温度发生变化时，用静态电阻应变计可以测量出应变片的应变量，从而获得混凝土试件自身的温度变形量。应变片传感器测量方法避免了传感器预埋到混凝土试件内部，从而避免了内部水分的影响。但由于应变片多为电阻式传感器，应变片本身的电阻温度系数及热膨胀系数会影响测试结果的确定性；应变片的变形量只能反应混凝土试件表面的温度变形，对于结构整体温度变形的测量具有一定的局限性。
3)千分表式膨胀仪测量方法
千分表式膨胀仪测量方法的原理是将待测混凝土试件的温度变形传递到千分表上，由此读出不同温度下的温度变形量，进而计算出混凝土的热膨胀系数。这种测量方法简单方便，但其精确度受千分表的最小刻度(0.001mm)的限制，且不能进行膨胀量的放大和纪录，难以准确反应出体积效应较小试件的温度变形量，测量精度受到很大限制。
发明内容
本发明针对上述测量方法中存在的精确度低、不确定性大等问题，提供了一种混凝土热膨胀系数的测量方法，测量过程操作简单，测量精确度高。
本发明的技术方案为：一种混凝土热膨胀系数的测量方法，步骤如下：
第一步，每种混凝土配合比成型3个试件，试件的形状大小相同，每个试件在成型时在试件表面平行预埋4个铜头作为测量长度的端点，混凝土试件成型1天后拆模，放入标准养护室中进行养护，至预定养护龄期测量热膨胀系数；
第二步，达到预定养护龄期时，先将混凝土试件放入温度为T0的水中浸泡，在进行测量前半小时将手持式应变仪放入标准养护室内，混凝土试件在水中浸泡≥1.5h后测量试件表面上相应两铜头之间的长度l(T0)并记录；
第三步，然后，将混凝土试件移入温度为T的恒温水箱中浸泡≥1.5h后测量试件表面上两相应铜头间的长度l(T)并记录；
第四步，针对同一试件表面的同一对铜头之间的距离每个温度下测量若干次后，剔除不正常数据后取平均值作为有效数据，根据不同温度下混凝土试件表面两铜头之间的测量长度，按照下式计算出混凝土的平均线性热膨胀系数α其中T0和T为混凝土的初始温度和最终温度(℃)；l(T)和l(T0)分别为混凝土温度为T和T0时试件长度(mm)；Δl和ΔT分别混凝土长度变化和温度变化。
浸泡试件时，在试件的底部平行放置两根可以自由滚动的钢筋，可以减少混凝土试件在温度升高时的约束阻力。
在测量长度时，采用泡沫保温板覆盖在试件表面，减少水箱盖打开和关闭时水与周围环境的热交换，保持水箱内的水温的恒定，同时为了有效降低测量过程中手持式应变仪自身的温度变化。
有益效果：
(1)本测量方法操作过程简单，测量结果重复性好。
(2)本测量方法的误差低于3.2％，可以满足研究的精度要求。
本发明的技术方案为：一种混凝土热膨胀系数的测量方法，步骤如下：
第一步，每种混凝土配合比成型3个试件，试件的形状大小相同，每个试件在成型时在试件表面平行预埋4个铜头作为测量长度的端点，混凝土试件成型1天后拆模，放入标准养护室中进行养护，至预定养护龄期测量热膨胀系数；
第二步，达到预定养护龄期时，先将混凝土试件放入温度为T0的水中浸泡，在进行测量前半小时将手持式应变仪放入标准养护室内，混凝土试件在水中浸泡≥1.5h后测量试件表面上相应两铜头之间的长度l(T0)并记录；
第三步，然后，将混凝土试件移入温度为T的恒温水箱中浸泡≥1.5h后测量试件表面上两相应铜头间的长度l(T)并记录；
第四步，针对同一试件表面的同一对铜头之间的距离每个温度下测量若干次后，剔除不正常数据后取平均值作为有效数据，根据不同温度下混凝土试件表面两铜头之间的测量长度，按照下式计算出混凝土的平均线性热膨胀系数α其中T0和T为混凝土的初始温度和最终温度(℃)；l(T)和l(T0)分别为混凝土温度为T和T0时试件长度(mm)；Δl和ΔT分别混凝土长度变化和温度变化。
浸泡试件时，在试件的底部平行放置两根可以自由滚动的钢筋，可以减少混凝土试件在温度升高时的约束阻力。
在测量长度时，采用泡沫保温板覆盖在试件表面，减少水箱盖打开和关闭时水与周围环境的热交换，保持水箱内的水温的恒定，同时为了有效降低测量过程中手持式应变仪自身的温度变化。
有益效果：
(1)本测量方法操作过程简单，测量结果重复性好。
(2)本测量方法的误差低于3.2％，可以满足研究的精度要求。
附图说明
图1混凝土试件尺寸及预埋铜头位置的示意图。其中，1、2、3、4为铜头。
图2试件中心位置的温度随时间的变化
图3不同浆体体积率条件下的混凝土热膨胀系数
图4不同粉煤灰掺量条件下的混凝土热膨胀系数
图2试件中心位置的温度随时间的变化
图3不同浆体体积率条件下的混凝土热膨胀系数
图4不同粉煤灰掺量条件下的混凝土热膨胀系数
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出具体说明。
实施例1
(1)成型100mm×100mm×400mm棱柱体混凝土试件，每种混凝土配合比成型3个试件，每个试件上在成型时在试件表面平行预埋4个铜头作为测量长度的端点如图1所示，沿试件长度方向上的两铜头之间的距离约为250mm。混凝土试件成型1天后拆模，放入标准养 护室中进行养护，至预定龄期测量热膨胀系数。
(2)达到设定养护龄期时，先将混凝土试件放入20℃水中完全浸泡。在进行测量前半小时将手持式应变仪放入标准养护室内，使试件和手持式应变仪具有相同的温度。混凝土试件在水中完全浸泡1.5h后测量试件表面上相应两铜头之间的长度并记录。
(3)之后将混凝土试件移入60℃恒温水箱中完全浸泡。为了减少混凝土试件在温度升高时的约束阻力，试件底部平行放置两根可以自由滚动的钢筋。为了减少水箱盖打开和关闭时水与周围环境的热交换，保持水箱内的水温的恒定，同时为了有效降低测量过程中手持式应变仪自身的温度变化，在测量60℃条件下的试件长度时，采用用泡沫保温板覆盖在试件表面。混凝土试件在60℃水中完全浸泡1.5h后测量试件表面上两相应铜头间的长度并记录。
(4)同一试件表面的同一对铜头之间的距离测量3次，剔除不正常数据后取平均值作为有效数据。根据不同温度下混凝土试件表面两铜头之间的测量长度，计算出混凝土的热膨胀系数。
在试件成型时可以在试件的中心预先放置一个热电偶的测量端点，通过预埋在试件中心位置的热电偶可测量出温度为20℃的混凝土试件放入60℃的水中后，中心位置的温度随时间的变化。
本测量方法的误差仅为3.2％，可以满足研究的精度要求。
误差推算过程如下：
混凝土平均线性热膨胀系数α可以按照式1进行计算。
式(1)
其中：T0和T为混凝土的初始温度和最终温度(℃)；l(T)和l(T0)分别为混凝土温度为T和T0时试件长度(mm)；Δl和ΔT分别混凝土长度变化和温度变化；
按照式1测量混凝土线性热膨胀系数的相对误差为：
式(2)
其中σα、σl、σT分别为热膨胀系数、长度和温度的标准差，
式2中各参数可以按照以下方式确定：
l0为初始标距，取250mm；混凝土的热膨胀系数一般在10×10-6/℃左右；本文试验中温度ΔT变化为40℃，Δl约为250mm×(40℃)×(10×10-6/℃)即10-1mm；单次测量长度标准差为手持应变仪的最小刻度的一半即0.5×10-2mm，由于每组取4个长度值，则相对误差为温度变化的标准差为0.5℃。
则式3可以表示为：
式(3)
从式4可以看出本测量方法的误差为3.2％，可以满足研究的精度要求。
图2是温度为20℃的混凝土试件放于60℃水中后试件中心位置的温度随时间的变化。由图2可知，混凝土试件放于60℃水中55min后，试件中心位置的温度已与水温相同，说明此时试件不同位置的温度已达到平衡。所以混凝土试件在水中完全浸泡1.5h后能够确保试件与水的温度相同，测量的两铜头之间的长度是在设定水温下的长度。
实施例2
在浆体水胶比为0.42、粉煤灰取代量为25％wt、砂率为38％wt的实验条件下，在混凝土中浆体的体积分数V分别为20％、30％、40％的条件下分别各成型3个试件，成型后按照实施例1的方法，在不同龄期测量混凝土的热膨胀系数，测试结果如图3所示。因为硬化水泥浆体的热膨胀系数高于骨料的热膨胀系数，所以浆体体积分数增加，混凝土的热膨胀系数也随之增加。这与图3所示的检测结果的趋势一致。
实施例3
在胶凝材料总量为400kg/m3，水胶比为0.42，砂率为38％wt的条件下进行实验，粉煤灰在浆体中的质量分数分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4的条件下各成型3个试件，标准养护28d后按照实施例1的方法测试不同掺量粉煤灰混凝土的热膨胀系数，如图4所示。在胶凝材料用量相同的情况下，随着粉煤灰掺量的增大，水泥石的孔隙率增大，导致混凝土的热膨胀系数降低。这与图4所示的检测结果的趋势一致。
由实施例可以看出本测量方法既简单，测量结果重复性好，而且误差也小。
实施例1
(1)成型100mm×100mm×400mm棱柱体混凝土试件，每种混凝土配合比成型3个试件，每个试件上在成型时在试件表面平行预埋4个铜头作为测量长度的端点如图1所示，沿试件长度方向上的两铜头之间的距离约为250mm。混凝土试件成型1天后拆模，放入标准养 护室中进行养护，至预定龄期测量热膨胀系数。
(2)达到设定养护龄期时，先将混凝土试件放入20℃水中完全浸泡。在进行测量前半小时将手持式应变仪放入标准养护室内，使试件和手持式应变仪具有相同的温度。混凝土试件在水中完全浸泡1.5h后测量试件表面上相应两铜头之间的长度并记录。
(3)之后将混凝土试件移入60℃恒温水箱中完全浸泡。为了减少混凝土试件在温度升高时的约束阻力，试件底部平行放置两根可以自由滚动的钢筋。为了减少水箱盖打开和关闭时水与周围环境的热交换，保持水箱内的水温的恒定，同时为了有效降低测量过程中手持式应变仪自身的温度变化，在测量60℃条件下的试件长度时，采用用泡沫保温板覆盖在试件表面。混凝土试件在60℃水中完全浸泡1.5h后测量试件表面上两相应铜头间的长度并记录。
(4)同一试件表面的同一对铜头之间的距离测量3次，剔除不正常数据后取平均值作为有效数据。根据不同温度下混凝土试件表面两铜头之间的测量长度，计算出混凝土的热膨胀系数。
在试件成型时可以在试件的中心预先放置一个热电偶的测量端点，通过预埋在试件中心位置的热电偶可测量出温度为20℃的混凝土试件放入60℃的水中后，中心位置的温度随时间的变化。
本测量方法的误差仅为3.2％，可以满足研究的精度要求。
误差推算过程如下：
混凝土平均线性热膨胀系数α可以按照式1进行计算。
式(1)
其中：T0和T为混凝土的初始温度和最终温度(℃)；l(T)和l(T0)分别为混凝土温度为T和T0时试件长度(mm)；Δl和ΔT分别混凝土长度变化和温度变化；
按照式1测量混凝土线性热膨胀系数的相对误差为：
式(2)
其中σα、σl、σT分别为热膨胀系数、长度和温度的标准差，
式2中各参数可以按照以下方式确定：
l0为初始标距，取250mm；混凝土的热膨胀系数一般在10×10-6/℃左右；本文试验中温度ΔT变化为40℃，Δl约为250mm×(40℃)×(10×10-6/℃)即10-1mm；单次测量长度标准差为手持应变仪的最小刻度的一半即0.5×10-2mm，由于每组取4个长度值，则相对误差为温度变化的标准差为0.5℃。
则式3可以表示为：
式(3)
从式4可以看出本测量方法的误差为3.2％，可以满足研究的精度要求。
图2是温度为20℃的混凝土试件放于60℃水中后试件中心位置的温度随时间的变化。由图2可知，混凝土试件放于60℃水中55min后，试件中心位置的温度已与水温相同，说明此时试件不同位置的温度已达到平衡。所以混凝土试件在水中完全浸泡1.5h后能够确保试件与水的温度相同，测量的两铜头之间的长度是在设定水温下的长度。
实施例2
在浆体水胶比为0.42、粉煤灰取代量为25％wt、砂率为38％wt的实验条件下，在混凝土中浆体的体积分数V分别为20％、30％、40％的条件下分别各成型3个试件，成型后按照实施例1的方法，在不同龄期测量混凝土的热膨胀系数，测试结果如图3所示。因为硬化水泥浆体的热膨胀系数高于骨料的热膨胀系数，所以浆体体积分数增加，混凝土的热膨胀系数也随之增加。这与图3所示的检测结果的趋势一致。
实施例3
在胶凝材料总量为400kg/m3，水胶比为0.42，砂率为38％wt的条件下进行实验，粉煤灰在浆体中的质量分数分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4的条件下各成型3个试件，标准养护28d后按照实施例1的方法测试不同掺量粉煤灰混凝土的热膨胀系数，如图4所示。在胶凝材料用量相同的情况下，随着粉煤灰掺量的增大，水泥石的孔隙率增大，导致混凝土的热膨胀系数降低。这与图4所示的检测结果的趋势一致。
由实施例可以看出本测量方法既简单，测量结果重复性好，而且误差也小。