CN103293179A - 基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置及测试方法，该装置包括：波纹管试模，用于浇筑待测定混凝土以形成混凝土波纹管试件；若干绳环，用于悬吊混凝土波纹管试件；装置基座，用于吊设绳环；温度测量装置，用于测量波纹管试模内混凝土温度变化，温度测量装置的第一热电偶线的测量端埋设于波纹管试模内；变形测量装置，用于测量混凝土波纹管试件的变形量；温度控制箱，用于调节测试环境温度，混凝土波纹管试件的悬吊位置位于温度控制箱内；该方法采用上述装置将混凝土波纹管试件悬吊起来测量其早期热膨胀系数。该测试装置及方法不仅有效减少了试件与测试装置之间的摩擦，提高了测试精度，而且操作简单，使用效果好。

Description

基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及混凝土热膨胀系数测量技术领域，特别是一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置及测试方法。

背景技术

混凝土结构时常发生早期开裂的现象，这会影响混凝土结构的安全及使用寿命。研究表明，早期混凝土热膨胀系数变化较大，忽略热膨胀系数的时间依赖性是不合理，如果无法对早期混凝土热膨胀系数进行精确测定，将无法弄清高性能混凝土的早期开裂机理。通过对早期混凝土热膨胀系数测定仪器和方法进行研发，对混凝土早龄期热膨胀系数进行研究，对预防混凝土早期开裂，延长混凝土结构使用寿命具有重要意义。

根据所测定目标的不同，测定混凝土早期热膨胀系数的试验系统可分为体膨胀系数试验系统（简称测体法）与线膨胀系数试验系统（简称测长法），本发明采用测长法。测量混凝土早期热膨胀系数并不简单，因为混凝土是一种多相、多孔、具有时效效应的材料。测定混凝土早期热膨胀系数的试验系统具有一定复杂性，而混凝土硬化期热膨胀系数的测量与早期热膨胀系数的测量最大的不同在于，早期热膨胀系数测量的浇筑模具十分重要，设计合理的浇筑模具不但能够提前测量热膨胀系数的时间，而且能够减小试验的误差。本发明重点考虑了浇筑模具对热膨胀系数测量的影响以及如何尽可能地减少试件与仪器间摩擦。

专利CN101482526B公开了一种早龄期混凝土热膨胀系数测定方法，它认为在-2～3℃的温度范围内，胶凝材料的水化反应得到了抑制，自收缩得以剔除，所以变形为单纯的温度变形。但实际上混凝土热膨胀发生时并不是在0℃左右，这与实际情况不吻合。专利CN101865865B公开了一种非接触式大坝混凝土早期热膨胀系数的方法及设备，设备是设为容纳被测试件的养护测试桶，桶外设有恒温水浴箱。然而养护测试桶无法与试件共同变形，对热传导也有一定的影响，这影响了测试精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置及测试方法，该测试装置及方法不仅有效减少了试件与测试装置之间的摩擦，提高了测试精度，而且操作简单，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，包括：

波纹管试模，用于浇筑待测定混凝土以形成混凝土波纹管试件；

若干绳环，用于悬吊所述混凝土波纹管试件；

装置基座，用于吊设所述绳环；

温度测量装置，用于测量所述波纹管试模内混凝土温度变化，所述温度测量装置的第一热电偶线的测量端埋设于所述波纹管试模内；

变形测量装置，用于测量所述混凝土波纹管试件的变形量；

温度控制箱，用于调节测试环境温度，所述混凝土波纹管试件的悬吊位置位于所述温度控制箱内。

进一步的，所述波纹管试模包括波纹管和分别盖设于波纹管两端的圆形铁片，所述波纹管内腔中部和两端均设置有所述第一热电偶线，所述圆形铁片圆心处设有伸入波纹管内腔的带螺纹铁棒，所述圆形铁片上开设有小孔，以使所述第一热电偶线从波纹管内腔穿出。

进一步的，所述温度测量装置包括第一热电偶线、第二热电偶线和温度采集箱，所述第一热电偶线的测量端在波纹管试模浇筑混凝土过程中埋入混凝土内，另一端与温度采集箱上的采集点相连，用于测量波纹管试模内混凝土温度，所述第二热电偶线的测量端埋入冰水混合物中，另一端与温度采集箱上的基准点相连，用于测定基准温度。

进一步的，所述第一热电偶线和第二热电偶线均为T型热电偶线。

进一步的，所述变形测量装置包括位移采集箱和分别设于所述混凝土波纹管试件两端的位移传感器，所述位移传感器固定于装置基座上且其测量针头顶住混凝土波纹管试件两端，所述位移传感器与位移采集箱相连，且位移采集箱与计算机相连，以读取试件变形前两个位移传感器记录下的位移值以及试件变形后两个位移传感器记录下的位移值，计算得到变形量。

进一步的，所述温度控制箱包括尺寸可调的箱体、加热功率可调的电加热器和促进箱体内空气流通的送风装置，所述箱体上侧盖板为可拆结构以使悬吊起来的混凝土波纹管试件落入箱体内，所述箱体左右两侧壁上开设有通孔以使位移传感器的测量针头可以穿过箱体顶住混凝土波纹管试件两端。

进一步的，所述装置基座包括设于温度控制箱左右两侧的支座和水平跨设于左右两支座顶部的横杆，所述绳环吊设于所述横杆上。

本发明还提供了一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试方法，该方法将混凝土波纹管试件悬吊起来测量其早期热膨胀系数，包括以下步骤：

（1）取长度适当的波纹管试模，往波纹管试模内浇筑混凝土；在浇筑过程中，将第一热电偶线的测量端埋设于波纹管试模内腔不同位置，并将第一热电偶线从波纹管试模两端引出与温度采集箱相连；浇筑完成后，将波纹管试模两端盖好并密封好，形成混凝土波纹管试件；

（2）采用长度适当的若干绳环将混凝土波纹管试件悬吊于装置基座顶部的横杆上，并使悬吊起来的混凝土波纹管试件刚好落入温度控制箱的箱体内且混凝土波纹管试件与开设于箱体左右两侧壁上的通孔同轴，所述各绳环长度相同且沿混凝土波纹管试件长度方向均匀布置，以使波纹管受力均匀；

（3）在混凝土波纹管试件两端的装置基座上设置两个位移传感器，并使位移传感器的测量针头穿过箱体侧壁上的通孔顶住混凝土波纹管试件两端，固定好位移传感器后将其与位移采集箱相连；

（4）通过温度控制箱改变箱体内测试环境温度，并通过温度采集箱和位移采集箱每隔一段时间记录一次第一热电偶线采集的温度值和位移传感器采集的位移值，然后按如下方法计算混凝土早期热膨胀系数：

假设t ₁时刻混凝土波纹管试件内温度为T ₁，混凝土波纹管试件两端位移为S ₁、S ₂；t ₂时刻混凝土波纹管试件内温度为T ₂，混凝土波纹管试件两端位移为S ₃、S ₄，则根据下式(1)计算混凝土波纹管试件各间隔时间内的热膨胀系数：

  (1)。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1、波纹管和内部混凝土为一变形整体，波纹管纵向刚度小，无须考虑波纹管试模对混凝土变形的影响。

2、波纹管厚度小，导热时间短，不会阻碍热量的传递。

3、波纹管密封性非常好，避免了混凝土与外界的湿度交换，排除了混凝土的干燥收缩。

4、采用“悬吊法”可很好固定波纹管试模，避免波纹管试模下垂和歪曲，且减少试件与仪器间摩擦，消除扰动对测试精度的影响。

5、位移传感器可上下左右灵活调整，以使位移传感器触头抵于测试端头的圆心，操作方便有效。

6、在混凝土龄期2h时，即可开始测试混凝土波纹管试件的变形，计算其早期热膨胀系数。

7、全程采用电脑读数，减少人力消耗及人工误差。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的测试装置的结构俯视图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是本发明实施例中试件温度位移随时间变化曲线图。

图5是本发明实施例中试件热膨胀系数随龄期发展曲线图。

图中，1-构成装置基座的木箱；2-铁块；3-箱体；4-横杆；5-波纹管；6-电炉；7-混凝土块；8-第一热电偶线；9-风扇；10-位移传感器；11-带螺纹铁杆；12-螺帽；13-绳环。

具体实施方式

本发明的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，如图1、2、3所示，包括波纹管试模、若干绳环13、装置基座、温度测量装置、变形测量装置和温度控制箱。波纹管试模用于浇筑待测定混凝土以形成混凝土波纹管试件；绳环13用于悬吊所述混凝土波纹管试件；装置基座用于吊设所述绳环；温度测量装置用于测量所述波纹管试模内混凝土温度变化，所述温度测量装置的第一热电偶线8的测量端埋设于所述波纹管试模内；变形测量装置用于测量所述混凝土波纹管试件，即浇注有混凝土的波纹管试模的变形量；温度控制箱用于调节测试环境温度，所述混凝土波纹管试件的悬吊位置位于所述温度控制箱内。

上述波纹管试模包括波纹管5和分别盖设于波纹管5两端的圆形铁片，所述波纹管内腔中部和两端均设置有所述第一热电偶线8，所述圆形铁片圆心处设有伸入波纹管内腔的带螺纹铁棒，所述圆形铁片上开设有小孔，以使所述第一热电偶线8从波纹管5内腔穿出。

上述装置基座包括设于温度控制箱左右两侧的支座和水平跨设于左右两支座顶部的横杆4，所述绳环13吊设于所述横杆4上。在本实施例中，支座由木箱1和设于木箱1上的混凝土块7构成，横杆4跨设于混凝土块7上。

上述温度测量装置包括第一热电偶线8、第二热电偶线和温度采集箱，所述第一热电偶线8的测量端在波纹管试模浇筑混凝土过程中埋入混凝土内，另一端与温度采集箱上的采集点相连，用于测量波纹管试模内混凝土温度，所述第二热电偶线的测量端埋入冰水混合物中（温度为0℃），另一端与温度采集箱上的基准点相连，用于测定基准温度。所述第一热电偶线和第二热电偶线均为T型热电偶线。

上述变形测量装置包括位移采集箱和分别设于所述混凝土波纹管试件两端的位移传感器10，所述位移传感器10固定于装置基座的木箱1上且其测量针头顶住混凝土波纹管试件两端，所述位移传感器10与位移采集箱相连，且位移采集箱与计算机相连，以当混凝土波纹管试件发生变形时，读取试件变形前两个位移传感器记录下的位移值以及试件变形后两个位移传感器记录下的位移值，计算得到变形量。

上述温度控制箱包括尺寸可调的箱体3、加热功率可调的电加热器和促进箱体内空气流通的送风装置，所述箱体3上侧盖板为可拆结构以使悬吊起来的混凝土波纹管试件落入箱体3内，所述箱体3左右两侧壁上开设有通孔以使位移传感器10的测量针头可以穿过箱体3顶住混凝土波纹管试件两端。在本实施例中，所述电加热器为可调节功率的电炉6，所述送风装置为摆头风扇9，所述箱体3由四块铁板、带螺纹铁杆11和螺帽12组装而成。安装时，把电炉6放置于由四块铁板、带螺纹铁杆和螺帽组装而成的箱体3内，通过调节螺帽12，可以调节铁板位置，从而改变箱体长宽，进而可以测量不同尺寸物体的变形。调节电炉6至合适功率保证试件能在较短时间内迅速升温。使用空调保证室内温度恒定为20℃，待升温完成后，拔掉电炉插头，使试件降温至室温。为保证升降温均匀，在箱体底部放置两台摆头风扇9，保证箱体3内空气流通，从而达到均匀升温均匀降温的目的。

本发明的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试方法，将混凝土波纹管试件悬吊起来测量其早期热膨胀系数，具体包括以下步骤：

（1）取长度适当的波纹管试模，往波纹管试模内浇筑混凝土；在浇筑过程中，将第一热电偶线的测量端埋设于波纹管试模内腔不同位置，并将第一热电偶线从波纹管试模两端引出与温度采集箱相连；浇筑完成后，将波纹管试模两端盖好并密封好，形成混凝土波纹管试件；

（2）采用长度适当的若干绳环将混凝土波纹管试件悬吊于装置基座顶部的横杆上，并使悬吊起来的混凝土波纹管试件刚好落入温度控制箱的箱体内且混凝土波纹管试件与开设于箱体左右两侧壁上的通孔同轴，所述各绳环长度相同且沿混凝土波纹管试件长度方向均匀布置，以使波纹管受力均匀；

（3）在混凝土波纹管试件两端的装置基座上设置两个位移传感器，并使位移传感器的测量针头穿过箱体侧壁上的通孔顶住混凝土波纹管试件两端，固定好位移传感器后将其与位移采集箱相连；

（4）通过温度控制箱改变箱体内测试环境温度，并通过温度采集箱和位移采集箱每隔一段时间记录一次第一热电偶线采集的温度值和位移传感器采集的位移值，然后按如下方法计算混凝土早期热膨胀系数：

假设t ₁时刻混凝土波纹管试件内温度为T ₁，混凝土波纹管试件两端位移为S ₁、S ₂；t ₂时刻混凝土波纹管试件内温度为T ₂，混凝土波纹管试件两端位移为S ₃、S ₄，则根据下式(1)计算混凝土波纹管试件各间隔时间内的热膨胀系数：

  (1)。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此。

1．试验原材料

水泥采用福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用宁德Ⅱ级粉煤灰，表观密度

为2120kg/m³。粗骨料采用福州闽侯苏洋采石场所产碎石，紧密堆积密度

为1540kg/m³，表观密度

为2670kg/m³，级配见表1。细骨料采用来源于福建省福州市建迪搅拌站的机制砂，级配见表2。水采用福州地区的自来水。减水剂为福建省建筑科学研究院生产的TW-4缓凝高效减水剂，减水率为15～20%。混凝土B1的配合比见表3。

2．试验步骤

1）采用适当长度、适当直径的波纹管。

2）加工对应直径的圆形铁片，在铁片的一面圆心处焊一根带螺纹铁棒，在铁片上钻一个小孔，便于热电偶线的穿入。把热电偶线焊锡块那端缠在铁棒上，装入波纹管底部。

3）由于波纹管较软，在混凝土浇筑过程中，会发生侧向弯曲，为防止这一情况发生，加工制作了对应直径及对应长度的不锈钢圆管。将波纹管和铁片装入不锈钢圆管内，放置于振动台上，然后把拌好的混凝土分批次装入波纹管内，具体操作方法为：波纹管内混凝土每升高5cm，插入捣棒，沿螺旋方向从外向中心均匀插捣25次以保证混凝土密实；当拌好的混凝土装至波纹管中部时，另取一条热电偶线，将热电偶线焊锡块那端插入波纹管圆心附近，埋好，再接着装填混凝土；最后当拌好的混凝土快装满至波纹管顶部时，再取一根热电偶线，把热电偶线焊锡块那端埋入波纹管圆心附近，继续装填混凝土至填满波纹管，将中部和端部埋入的热电偶线，都穿过圆形铁片的小孔，然后将铁片带螺纹铁钉那面，插入混凝土内，盖住波纹管。用手扶住不锈钢圆管并使混凝土波纹管试件保持不动，开启振动台振动，进一步让试件密实。把试件两端用保鲜膜包住，用橡皮筋箍住保鲜膜达到密封波纹管试件的效果。

4）把装有试件的不锈钢圆筒平放，抬入试验室内，把试件从圆筒内推出，在开始试验前测量试件长度L。采用“悬吊法”将混凝土波纹管试件吊起放入箱体内。

5）用位移传感器顶住混凝土波纹管试件两端，固定住位移传感器，每2分钟记录一次位移传感器数值。把热电偶线接入温度采集箱，每2分钟记录一次温度值。

6）在箱体上方盖上铁板，插上电炉和摆头风扇插头，进行升温，拔掉电炉插头，即进行降温。

7）由电脑自动采集记录试件温度及位移数据，假设t ₁时刻试件温度为T ₁，试件两端位移传感器记录的位移为S ₁、S ₂；t ₂时刻试件温度为T ₂，试件两端位移传感器记录的位移为S ₃、S ₄，则根据下式(1)即可测得试件各时段的热膨胀系数：

  (1)

3．试验结果

每隔2分钟记录一次位移和温度数据，绘制的位移温度随时间变化曲线见图4。横坐标为时间。

混凝土试件热膨胀系数（CTE）按式(1)计算，得到的混凝土早期内各时间段的热膨胀系数如图5所示。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，包括：

波纹管试模，用于浇筑待测定混凝土以形成混凝土波纹管试件；

若干绳环，用于悬吊所述混凝土波纹管试件；

装置基座，用于吊设所述绳环；

温度测量装置，用于测量所述波纹管试模内混凝土温度变化，所述温度测量装置的第一热电偶线的测量端埋设于所述波纹管试模内；

变形测量装置，用于测量所述混凝土波纹管试件的变形量；

温度控制箱，用于调节测试环境温度，所述混凝土波纹管试件的悬吊位置位于所述温度控制箱内。

2.根据权利要求1所述的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述波纹管试模包括波纹管和分别盖设于波纹管两端的圆形铁片，所述波纹管内腔中部和两端均设置有所述第一热电偶线，所述圆形铁片圆心处设有伸入波纹管内腔的带螺纹铁棒，所述圆形铁片上开设有小孔，以使所述第一热电偶线从波纹管内腔穿出。

3.根据权利要求1所述的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述温度测量装置包括第一热电偶线、第二热电偶线和温度采集箱，所述第一热电偶线的测量端在波纹管试模浇筑混凝土过程中埋入混凝土内，另一端与温度采集箱上的采集点相连，用于测量波纹管试模内混凝土温度，所述第二热电偶线的测量端埋入冰水混合物中，另一端与温度采集箱上的基准点相连，用于测定基准温度。

4.根据权利要求3所述的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述第一热电偶线和第二热电偶线均为T型热电偶线。

5.根据权利要求1所述的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述变形测量装置包括位移采集箱和分别设于所述混凝土波纹管试件两端的位移传感器，所述位移传感器固定于装置基座上且其测量针头顶住混凝土波纹管试件两端，所述位移传感器与位移采集箱相连，且位移采集箱与计算机相连，以读取试件变形前两个位移传感器记录下的位移值以及试件变形后两个位移传感器记录下的位移值，计算得到变形量。

6.根据权利要求1所述的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述温度控制箱包括尺寸可调的箱体、加热功率可调的电加热器和促进箱体内空气流通的送风装置，所述箱体上侧盖板为可拆结构以使悬吊起来的混凝土波纹管试件落入箱体内，所述箱体左右两侧壁上开设有通孔以使位移传感器的测量针头可以穿过箱体顶住混凝土波纹管试件两端。

7.根据权利要求1所述的基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述装置基座包括设于温度控制箱左右两侧的支座和水平跨设于左右两支座顶部的横杆，所述绳环吊设于所述横杆上。

8.一种基于悬吊法的混凝土早期热膨胀系数测试方法，其特征在于，该方法将混凝土波纹管试件悬吊起来测量其早期热膨胀系数，包括以下步骤：

（1）取长度适当的波纹管试模，往波纹管试模内浇筑混凝土；在浇筑过程中，将第一热电偶线的测量端埋设于波纹管试模内腔不同位置，并将第一热电偶线从波纹管试模两端引出与温度采集箱相连；浇筑完成后，将波纹管试模两端盖好并密封好，形成混凝土波纹管试件；

（2）采用长度适当的若干绳环将混凝土波纹管试件悬吊于装置基座顶部的横杆上，并使悬吊起来的混凝土波纹管试件刚好落入温度控制箱的箱体内且混凝土波纹管试件与开设于箱体左右两侧壁上的通孔同轴，所述各绳环长度相同且沿混凝土波纹管试件长度方向均匀布置，以使波纹管受力均匀；

（3）在混凝土波纹管试件两端的装置基座上设置两个位移传感器，并使位移传感器的测量针头穿过箱体侧壁上的通孔顶住混凝土波纹管试件两端，固定好位移传感器后将其与位移采集箱相连；

（4）通过温度控制箱改变箱体内测试环境温度，并通过温度采集箱和位移采集箱每隔一段时间记录一次第一热电偶线采集的温度值和位移传感器采集的位移值，然后按如下方法计算混凝土早期热膨胀系数：

假设t ₁时刻混凝土波纹管试件内温度为T ₁，混凝土波纹管试件两端位移为S ₁、S ₂；t ₂时刻混凝土波纹管试件内温度为T ₂，混凝土波纹管试件两端位移为S ₃、S ₄，则根据下式(1)计算混凝土波纹管试件各间隔时间内的热膨胀系数：

  (1)。

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