丑应变片测量水泥混凝土热膨胀系数的试验方法.pdf

112
科技研究
城市道桥与防洪
2012年2月第2期
用应变片测量水泥混凝土热膨胀系数的
试验方法
张国梁,李松
(天津市市政工程设计研究院,天津市300051)
摘要:热膨胀系数是评价水泥混凝士热学性能的一项基本参数,在大体积混凝士和超长结构混凝土温度应力讨算中起着至
关重要的作用。提出了一种用电阻应变片测量混凝土熱胀系数的方法并进行了试验研究。用线性回归的方法对试验数据进行
分析,得到了混凝士的热胀系数,同时,试验结果也表明,用电阻应变片能够实现对混凝士热膨胀系数的测量
关键词:热膨胀系数;电阻应变片;测量
中图分类号:414文獻様识码:A文章编号:1009-7716(2012)02-012-03
1概述
髙精度测量,但是膨胀仪通常要求试件尺寸不能
过大(一般不大于50mm),因此该方法在混凝土
水泥混凝土材料会随着环境温度的改变发热胀系数测量中应用较少
生体积上的膨胀或者收缩,特别像大型水坝、桥
(3)传感器法[1
梁以及长大隧道等这些大型的建筑物,由温度
传感器法是使用传感器与被测试件结合在
引起的变形更加明显。一且这些变形受到过大一起,当被测试件产生温度变形时传感器也一
的约束,混凝土结构就会发生开裂,严重影响结起发生变形,从而通过采集传感器的变形数据
构使用性能和使用寿命。热膨胀系数是评价混测量得到试件的变形。常见的传感器包括电阻
凝土温度变形性能的重要参数,其意义是指固应变片、光纤传感器以及线性差动式位移传感
体材料温度每变化1℃时,其单位长度的变化器(LVDT)。
量。国内外的专家学者对水泥混凝土热膨胀系
上述几种方法在混凝土热胀系数的试验研究
数进行了大量的试验研究,总结其试验方法,主中都有应用。而与其他测量方式相比,用电阻应变
要包括以下几类
片测量混凝土热胀系数不仅原理简单,而且应变
(1)直接测长法(?
片具有灵敏度高、精度高、测量范围大以及环境适
直接测长法测量线性热膨胀系数原理非常简应性好等特点,因此被广泛采用5?。本文对应变
单,郎直接用测量工具测出试件在不同温度下的片测量混凝土热胀系数的原理进行了悀释,同时
长度,然后将长度变化、温度变化以及试件原姈长对应变片测量混凝土热膨胀系数的方法进行了试
度代入线性热膨胀系数的计算公式中计算出结验研究。
果。具体的测试工具可以有很多,郊手持式应变
仪、千分表等。这种方法虽然原理简单、操作简便
2应変片测量热胀系数原理
但由于过程中容易受人为因素干扰,使得测试结
电阻应变片的测量原理非常简单:测量中将
果很难达到试验的精度要求。
应变片粘贴在被测试件上,在不考虑环境温度变
膨胀仪法
化的情况下,当被测试件受力发生拉伸或压缩变
膨胀仪法是一种广泛应用于材料学科的试验形时,缠绕在应变片内的电阻丝也会随之产生相
方法。试验时需将被测材料置于膨胀仪中,用仪器应的变形,这就会导致应变片的电阻发生变化,根
自带的加热系统实现对被测试样的温度控制,然据电阻的变化以及应变片的参数就可以反算得到
后通过一定的方式测量出试样的变形,再根据热被测试件的应变。
胀系数的定义公式推算出测量值。根据测量试样
事实上,在实际测量特别是室外测量中,往往
变形原理的不同,膨胀仪法可以具体分为机械式伴随着环境温度的变化。由于金属丝的导电系数
膨胀仪法、光学式膨胀仪法和电测试膨胀仪法等。受温度影响,同时金属丝与被测材料线膨胀系数
虽然用膨胀仪法测量热胀系数精度较高,能实现不同,在相同的温度变化条件下会产生不协调变
形引起应变片电阻发生变化。由于这部分应变是
收稿日期:2011-06-21
由温度引起的,因此被称为热输岀,应变片的热输
作者笛介;张国梁(1979一),男,内蒙古人,工程师,从事道路
设计工作
出可以推导得到。
2012年2月第2期
城市道桥与防洪
科技研究
在通常的应变测量中温度变化引起的热输出性好,几乎不随温度变化,因此在本试验中选择石
是测量中的干扰因素,需要通过一定的技术手段英玻璃作为参考材料。
消除温度影响(温度补偿),从而得到被测试件实3.2试验过程
际的应变输出。常见的温度补偿有应变片自补偿
试验中采用了3个尺寸为400mmx100mm
以及桥路补偿两种方式,。
100mm的棱柱形试件,按照《水泥混凝土路面
应变片自补偿是指对应变片电阻丝做一定的施工技术规范》进行水泥混凝土配合比设计,粗集
处理,使金属材料内部晶体结构重新组合,在使用料最大公称粒径为31.5mm。电阻应变片型号为
温度范围内,使应变片产生的附加应变为零或相BX120-50AA,敏感栅长度为50m,灵敏度系数
互抵消。
为2.08。试验前用502胶将应变片贴在混凝土试
桥路补偿是指在被测试件相同的材质的不受件对称的两个侧面(需事先将贴应变片的位置打
力的试件上粘贴一个补偿片,使之与工作片组成磨平整),静置1h后用AB胶涂抹在应变片表面
一个平衡电桥,将温度影响消除。如图1所示的以作防潮处理,并焊接连接导线。
1/4桥式电路,测量时将工作片R1粘贴在被测试
作为参照的石英玻璃片尺寸为100mmx50mm
件上,补偿片R2粘贴在与被测试件材质相同的×4mm,在其表面粘贴上与混凝土试件同规格的
不受外力的试件上。当环境温度变化时,由于应变应变片,同样做防潮处理并焊接导线。为保证测量
片参数相同、被测试件材质相同,因此工作片R1的准确性,所有应变片的连接导线采用了相同的
和补偿片R2的电阻发生的变化也相同,对桥路长度
输出的影响相互抵消,从而达到温度补偿的效
温度调节通过水浴控温箱实现,水浴控温范
围为10℃~50℃,按照10℃→20℃→30℃→40℃
50℃等差逐级升温方式,每一级温度到达后恒
R
温2h,以保证试件内部混凝土达到热平衡,待应
变读数平稳后记录应变值。
试验时需将三个试件连同石英玻璃片一起水
平放入水浴箱中。为了保证试件自由变形,事先准
R4
备了一块平整的木板,在木板上涂抹适量黄油并
均匀撒布钢珠,然后将试件放在木板上以模拟无
摩擦支撑。然后将木板连同试件一起套在密封隔
U:
图1补偿电路原理图
水的塑料袋内,以避免水浴箱中的水干扰应变片
的测量。
3应变片测量热胀系数的试验研究
试件放入水浴箱后将应变片和采集仪联
机,将工作片和补偿片分别接入固定的接线端
3.1参照试件材料的选择0,101
本试验中采用的应变采集仪能自动通过图1所
试件的温度应变计算结果不仅受应变采集系派的桥路,完成温度补偿,并与计算机连接输出
统的输出影响,而且受参照试件温度变形的影响,应变。采集系统启动后即可启动水浴箱开始试
因此参照试件的选择对试验非常重要。理论上来验。
说,在试验温度范围内热膨胀系数已知的任何材3.3试验结果
料都可以作为参照材料。但实际测量中往往选择
记录应变仪采集到的数据,取同一个试件上
热胀系数尽量小甚至接近于零的材料,这样在试两应变片读数的平均值作为采集结果。变温过
验中应变采集系统得到的应变更接近于被测材料程当中混凝土实际的应变应该为应变仪采集到
的实际应变,使得试验过程更加直观。参照材料的的桥路输出