CN103868947A - 0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法和测量装置，通过设置恒温水浴循环控制装置、阶梯级变温水浴循环控制装置、粘贴有导线温度自补偿电阻应变片的铝合金样品、温度传感器、精密数据记录仪和计算机等装置，可精确测量岩石样品及应变片组成的整体随温度变化引起的热应变，并通过已知线性热膨胀系数的铝合金样品对应变片的热膨胀系数及测量方法的可靠性进行了校验，本发明岩石线性热膨胀系数的测量精度可达1×10-6/℃的量级，且具有组接方便，操作简单，稳定性高，可多通道、长周期、多方位实时测量岩石的热膨胀系数的优点。
Description
技术领域
本发明涉及土木类工程技术领域中岩石热膨胀系数的研究，尤其涉及一种用于测定0~60℃温度条件下岩石线性热膨胀系数的测量方法及测量装置。
背景技术
岩石的热膨胀系数作为岩石热物理学领域的重要指标之一，对于解决和发展岩土工程学、材料学、土壤学、地热学、采矿学、油气田开发和地热能开发等工程技术领域的理论和实际问题都具有极其重要的作用。而目前多数岩石热膨胀系数的研究采用非接触式或间接的测量手段，测量中间环节多，导致岩石线性热膨胀系数的测量精度低于1×10-5/℃，无法满足0~60℃温度条件下岩石热膨胀系数（1×10-6/℃）的测试要求。特别是涉及岩石的弹性或非弹性变形（应变）的工程测量领域，只有准确测定岩石的线性热膨胀系数，才能合理估计由于温度变化所带来的测量误差。
公开号为CN103235002A的发明专利公开了一种岩石热膨胀系数测试装置，该装置由底座、输油通道、炉壁、顶盖、电热棒和应变杆组成，炉壁呈中空状，底座上设置有载物台，底座与炉壁下端面通过紧固螺钉固定连接，炉壁的上端设置有顶盖，顶盖上设置有电热棒，其下端置于炉腔之中。该发明的测试装置采用组接结构和内置式油加热方式，内置式油加热方式可对所测试的岩样进行均匀加热，应变杆配以高精度应变片，能较为敏感的测量岩样受热后轴向膨胀应变。该发明的测试装置结构合理，操作简单，能够用于测量岩石的热膨胀系数，但是测量结果不够精确，仍然存在较大的误差。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
a、准备四个相同的电阻应变片，分别为电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ；
b、准备两个相同的铝合金样品，分别为铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ，并对其进行表面剖光，用丙酮进行表面清洗；
铝合金具有重量轻、延展性好、易加工和耐腐蚀等优点，但机械强度低，而一些铝合金虽然机械强度高，但耐蚀性和耐磨性低，因此必须对其表面进行处理，改善其表面状态。可选用机械剖光、化学剖光和电化学剖光的方式；
铝合金剖光后，表面会附着铝屑、灰尘和油污等脏物，需要对其表面进行清洁，丙酮的清洁力强、效果好，又不与铝合金发生反应；
c、在铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ上分别粘贴电阻应变片Ⅰ和电阻应变片Ⅱ；
d、将铝合金样品Ⅰ与电阻应变片Ⅰ的组合体装入锡箔袋Ⅰ中，袋口用硅橡胶密封；将铝合金样品Ⅱ与电阻应变片Ⅱ的组合体装入锡箔袋Ⅱ中，袋口用硅橡胶密封；
将锡箔袋的袋口密封，保证测量期间样品与外界无气体交换。硅橡胶具有良好的耐热性、耐寒性，使用的温度范围宽；
e、将同一待测岩石制成两个相同的岩石样品，分别为岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ，并对其进行表面剖光，用丙酮进行表面清洗；
岩石样品在制备过程中，会造成外形不规则、表面粗糙等缺陷，因此需要通过剖光的方式进行表面处理。岩石剖光后，表面会附着碎屑、灰尘和油污等脏物，需要对其表面进行清洁，丙酮的清洁力强、效果好；
f、在岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ上分别粘贴电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ；
g、将岩石样品Ⅰ与电阻应变片Ⅲ的组合体装入锡箔袋Ⅲ中，袋口用硅橡胶密封；将岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体装入锡箔袋Ⅳ中，袋口用硅橡胶密封；
将锡箔袋的袋口密封，保证测量期间样品与外界无气体交换。硅橡胶具有良好的耐热性、耐寒性，使用的温度范围宽；
h、将铝合金样品Ⅰ与电阻应变片Ⅰ的组合体、岩石样品Ⅰ与电阻应变片Ⅲ的组合体放入恒温水浴槽中；
i、将铝合金样品Ⅱ与电阻应变片Ⅱ的组合体、岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体放入阶梯级变温水浴槽中；
j、在恒温水浴槽和阶梯级变温水浴槽中分别放置温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ；
k、用数据记录仪实时采集电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ、电阻应变片Ⅳ、温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ的电阻变化，并将其转化为应变和温度数据，存储到计算机中；
l、校验恒温水浴槽中铝合金样品Ⅰ和岩石样品Ⅰ在恒温条件下的变形，并用温度传感器Ⅰ记录恒温水浴槽的温度；
恒温水浴槽中的铝合金样品Ⅰ和岩石样品Ⅰ在恒温条件下既有自身的变形，又有其他因素引起的变形，该步骤主要校验在恒温水浴槽中的铝合金样品Ⅰ和岩石样品Ⅰ在恒温条件下是否存在其他因素引起的变形；
m、在阶梯级变温水浴槽温度变化时，用温度传感器Ⅱ记录阶梯级变温水浴槽的实时温度；
n、利用线性热膨胀系数已知的铝合金样品Ⅱ，校验电阻应变片Ⅱ的线性热膨胀系数 ，通过测量阶梯级变温水浴槽中岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体随温度变化引起的应变量，进而通过公式
计算出岩石样品Ⅱ的线性热膨胀系数
。公式中Δe表示应变，为无量纲的量，多数用10-6表示；
为所述电阻应变片Ⅱ的线性热膨胀系数，单位为10-6/℃，
为所述岩石样品Ⅱ的线性热膨胀系数，单位为10-6/℃，ΔT表示温度变化量，单位为℃。
本发明的测量方法操作简单，利用三线制高精度电阻应变片能够实现接触式测量并消除了导线对测试结果的影响，采用循环水浴控制器能够精确控制恒温和阶梯级变温水浴环境温度，通过已知热膨胀系数的铝合金样品标定了电阻应变片本身的温度系数，大大提高了测试结果的可靠性和精度，进而实现0~60℃温度范围内岩石的线性热膨胀系数的测量精度达到1×10-6/℃的量级。
优选的是，所述电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ的电阻均为119.5±0.5Ω，热膨胀系数均为11×10-6/℃。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ的成分均为Al、Mg和Si，其质量百分含量分别为60%、35%和5%。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ的线性热膨胀系数均为22.4×10-6/℃左右，以22.4×10-6/℃为最佳。
在上述任一方案中优选的是，所述电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ、电阻应变片Ⅳ、温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ分别与所述数据记录仪连接。温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ均为电阻式温度传感器，其测量精度可达到±0.1℃。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金样品Ⅰ、铝合金样品Ⅱ、岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ分别通过三线制电阻应变片导线与所述数据记录仪连接。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴槽设有循环水入口和循环水出口，循环水从所述恒温水浴槽的循环水入口进入，从所述恒温水浴槽的循环水出口排出。加热/制冷装置Ⅰ对循环水加热或制冷，保持恒温水浴槽内的温度恒定在25℃。
在上述任一方案中优选的是，所述阶梯级变温水浴槽设有循环水入口和循环水出口，循环水从所述阶梯级变温水浴槽的循环水入口进入，从所述阶梯级变温水浴槽的循环水出口排出。加热/制冷装置Ⅱ对循环水加热或制冷，保持阶梯级变温水浴槽的温度为0～60℃。
上述任一方案中优选的是，所述阶梯级变温水浴槽的温度变化以5℃为一个阶梯级，每个阶梯级均保温4h，升温速率和降温速率均为1℃/min。
阶梯级变温水浴槽以5℃为一个阶梯级进行温度变化，温度由5℃开始升温，升温5℃后，保持该温度4小时，再升高5℃，保持该温度4小时，以此类推，直到温度达到60℃，其中升温过程中升温速率为1℃/min；阶梯级变温水浴槽温度达到60℃后，保持60℃、4小时后开始降温，降低5℃后，保持该温度4小时，再降低5℃，保持该温度4小时，以此类推，直到温度达到5℃，阶梯级变温水浴槽温度达到5℃后，保持5℃、4小时，其中降温过程中降温速率为1℃/min；在阶梯级变温水浴槽温度变化时，用温度传感器Ⅱ记录阶梯级变温水浴槽的温度实时变化情况。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴槽和阶梯级变温水浴槽中循环水的流量均为7L/min。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴槽和阶梯级变温水浴槽的外表面均包有保温材料。
本发明还提供一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量装置，包括数据记录仪和计算机，还包括恒温水浴槽、恒温水浴循环控制装置、阶梯级变温水浴槽、阶梯级变温水浴循环控制装置、电阻应变片、铝合金样品、岩石样品、锡箔袋、加热/制冷装置、温度传感器和不间断电源变压器。
本发明的测量装置结构简单、设备组接方便、操作简单，能够方便、准确地测量岩石土木工程涉及的温度范围在0～60℃内岩石线性热膨胀系数。
优选的是，所述电阻应变片的数量为四个，分别为电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金样品的数量为两个，分别为铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ。
在上述任一方案中优选的是，所述岩石样品的数量为两个，分别为岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ。
在上述任一方案中优选的是，所述锡箔袋的数量为四个，分别为锡箔袋Ⅰ、锡箔袋Ⅱ、锡箔袋Ⅲ和锡箔袋Ⅳ。
在上述任一方案中优选的是，所述温度传感器的数量为两个，分别为温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ。
在上述任一方案中优选的是，所述加热/制冷装置的数量为两个，分别为加热/制冷装置Ⅰ和加热/制冷装置Ⅱ。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金样品Ⅰ与电阻应变片Ⅰ连接，并置于密封的锡箔袋Ⅰ中；所述铝合金样品Ⅱ与电阻应变片Ⅱ连接，并置于密封的锡箔袋Ⅱ中。
在上述任一方案中优选的是，所述岩石样品Ⅰ与电阻应变片Ⅲ连接，并置于密封的锡箔袋Ⅲ中；所述岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ连接，并置于密封的锡箔袋Ⅳ中。
上述锡箔袋Ⅰ、锡箔袋Ⅱ、锡箔袋Ⅲ和锡箔袋Ⅳ的袋口均用硅橡胶密封，保证测量期间样品与外界无气体交换。
在上述任一方案中优选的是，所述装有铝合金样品Ⅰ与电阻应变片Ⅰ的组合体的锡箔袋Ⅰ置于所述恒温水浴槽内；所述装有铝合金样品Ⅱ与电阻应变片Ⅱ的组合体的锡箔袋Ⅱ置于所述阶梯级变温水浴槽内。
在上述任一方案中优选的是，所述装有岩石样品Ⅰ与电阻应变片Ⅲ的组合体的锡箔袋Ⅲ置于所述恒温水浴槽内；所述装有岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体的锡箔袋Ⅳ置于所述阶梯级变温水浴槽内。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴槽内设有温度传感器Ⅰ；所述阶梯级变温水浴槽内设有温度传感器Ⅱ。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴循环控制装置内设有加热/制冷装置Ⅰ；所述阶梯级变温水浴循环控制装置内设有加热/制冷装置Ⅱ。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴槽的一侧设有循环水入口和循环水出口；所述恒温水浴循环控制装置与恒温水浴槽相对的一侧设有循环水出水口和循环水回水口；所述恒温水浴槽的循环水入口与所述恒温水浴循环控制装置的循环水出水口连接；所述恒温水浴槽的循环水出口与所述恒温水浴循环控制装置的循环水回水口连接。
在上述任一方案中优选的是，所述阶梯级变温水浴槽的一侧设有循环水入口和循环水出口；所述阶梯级变温水浴循环控制装置与阶梯级变温水浴槽相对的一侧设有循环水出水口和循环水回水口；所述阶梯级变温水浴槽的循环水入口与所述阶梯级变温水浴循环控制装置的循环水出水口连接；所述阶梯级变温水浴槽的循环水出口与所述阶梯级变温水浴循环控制装置的循环水回水口连接。
恒温水浴槽的温度由循环水控制，温度传感器Ⅰ用于测量恒温水浴槽内的温度。阶梯级变温水浴槽的温度由循环水控制，温度传感器Ⅱ用于测量阶梯级变温水浴槽内的温度。
在上述任一方案中优选的是，所述电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ、电阻应变片Ⅳ、温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ分别与所述数据记录仪连接。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金样品Ⅰ、铝合金样品Ⅱ、岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ分别通过三线制电阻应变片导线与所述数据记录仪连接，以消除温度变化所引起导线电阻变化对测量结果的影响。
在上述任一方案中优选的是，所述恒温水浴循环控制装置和阶梯级变温水浴循环控制装置分别设有不间断电源变压器。
在上述任一方案中优选的是，所述加热/制冷装置Ⅰ和加热/制冷装置Ⅱ均为加热/冷却泵。
附图说明
图1为本发明0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量装置的结构的一优选实施例示意图；
图2为本发明0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量装置的恒温水浴循环控制结构的一优选实施例示意图；
图3为本发明0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量装置的阶梯级变温水浴循环控制结构的一优选实施例示意图；
图中标注说明：恒温水浴循环控制装置1，阶梯级变温水浴循环控制装置2，恒温水浴槽3，阶梯级变温水浴槽4，电阻应变片Ⅰ5-1，电阻应变片Ⅱ5-2，电阻应变片Ⅲ5-3，电阻应变片Ⅳ5-4，铝合金样品Ⅰ6-1，铝合金样品Ⅱ6-2，岩石样品Ⅰ7-1，岩石样品Ⅱ7-2，锡箔袋Ⅰ8-1，锡箔袋Ⅱ8-2，锡箔袋Ⅲ8-3，锡箔袋Ⅳ8-4，温度传感器Ⅰ9-1，温度传感器Ⅱ9-2，数据记录仪10，计算机11，循环水入口12-1，循环水出口12-2，循环水入口13-1，循环水出口13-2，加热/制冷装置Ⅰ14，加热/制冷装置Ⅱ15，不间断电源变压器16，循环水出水口17-1，循环水回水口17-2，循环水出水口18-1，循环水回水口18-2。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例做详细的描述：
一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
a、准备四个相同的电阻应变片，分别为电阻应变片Ⅰ5-1、电阻应变片Ⅱ5-2、电阻应变片Ⅲ5-3和电阻应变片Ⅳ5-4；
b、准备两个相同且已知线性热膨胀系数的铝合金样品，分别为铝合金样品Ⅰ6-1和铝合金样品Ⅱ6-2，并对其进行表面剖光，用丙酮进行表面清洗；选用机械剖光的方式；
c、在铝合金样品Ⅰ6-1和铝合金样品Ⅱ6-2上分别粘贴电阻应变片Ⅰ5-1和电阻应变片Ⅱ5-2；
d、将铝合金样品Ⅰ6-1与电阻应变片Ⅰ5-1的组合体装入锡箔袋Ⅰ8-1中，袋口用硅橡胶密封；将铝合金样品Ⅱ6-2与电阻应变片Ⅱ5-2的组合体装入锡箔袋Ⅱ8-2中，袋口用硅橡胶密封；
e、将同一待测岩石制成两个相同的岩石样品，分别为岩石样品Ⅰ7-1和岩石样品Ⅱ7-2，并对其进行表面剖光，用丙酮进行表面清洗；选用机械剖光的方式；
f、在岩石样品Ⅰ7-1和岩石样品Ⅱ7-2上分别粘贴电阻应变片Ⅲ5-3和电阻应变片Ⅳ5-4；
g、将岩石样品Ⅰ7-1与电阻应变片Ⅲ5-3的组合体装入锡箔袋Ⅲ8-3中，袋口用硅橡胶密封；将岩石样品Ⅱ7-2与电阻应变片Ⅳ5-3的组合体装入锡箔袋Ⅳ8-4中，袋口用硅橡胶密封；
h、将铝合金样品Ⅰ6-1与电阻应变片Ⅰ5-1的组合体、岩石样品Ⅰ7-1与电阻应变片Ⅲ5-3的组合体放入恒温水浴槽3中；
i、将铝合金样品Ⅱ6-2与电阻应变片Ⅱ5-2的组合体、岩石样品Ⅱ7-2与电阻应变片Ⅳ5-4的组合体放入阶梯级变温水浴槽4中；
j、在恒温水浴槽3和阶梯级变温水浴槽4中分别放置温度传感器Ⅰ9-1和温度传感器Ⅱ9-2；
k、将电阻应变片Ⅰ5-1、电阻应变片Ⅱ5-2、电阻应变片Ⅲ5-3、电阻应变片Ⅳ5-4、温度传感器Ⅰ9-1和温度传感器Ⅱ9-2分别与数据记录仪10连接，用数据记录仪10实时采集电阻应变片Ⅰ5-1、电阻应变片Ⅱ5-2、电阻应变片Ⅲ5-3、电阻应变片Ⅳ5-4、温度传感器Ⅰ9-1和温度传感器Ⅱ9-2的电阻变化，并将其转化为应变和温度数据，存储到计算机11中；
l、校验恒温水浴槽3中铝合金样品Ⅰ6-1和岩石样品Ⅰ7-1在恒温条件下是否存在其他因素引起的变形，并用温度传感器Ⅰ9-1记录恒温水浴槽3的温度；实验结果表明，其他因素如残余变形、环境变化等对恒温水浴槽3中的铝合金样品Ⅰ6-1和岩石样品Ⅰ7-1引起的变形可忽略不计，因此，阶梯级变温水浴槽4中的铝合金样品Ⅱ6-2和岩石样品Ⅱ7-2的变形为温度变化的结果，可直接用于计算岩石的线性热膨胀系数。
m、在阶梯级变温水浴槽4温度变化时，用温度传感器Ⅱ9-2记录阶梯级变温水浴槽4的实时温度；
n、利用线性热膨胀系数已知的铝合金样品Ⅱ6-2，校验电阻应变片Ⅱ5-2的线性热膨胀系数
，通过测量阶梯级变温水浴槽4中岩石样品Ⅱ7-2与电阻应变片Ⅳ5-4的组合体随温度变化引起的应变量，进而通过公式
计算出岩石样品Ⅱ7-2的线性热膨胀系数
。公式中Δe表示应变，为无量纲的量，多数用10-6表示；
为所述电阻应变片Ⅱ5-2的线性热膨胀系数，单位为10-6/℃，
为所述岩石样品Ⅱ7-2的线性热膨胀系数，单位为10-6/℃，ΔT表示温度变化量，单位为℃。
电阻应变片Ⅰ5-1、电阻应变片Ⅱ5-2、电阻应变片Ⅲ5-3和电阻应变片Ⅳ5-4为东京测器研究所生产，型号为FCA-10-11-2LT，电阻均为119.5±0.5Ω，热膨胀系数均为11×10-6/℃。
铝合金样品Ⅰ6-1和铝合金样品Ⅱ6-2的成分均为Al、Mg和Si，其质量百分含量分别为60%、35%和5%，线性热膨胀系数均为22.4×10-6/℃。
温度传感器Ⅰ9-1和温度传感器Ⅱ9-2均为欧美佳公司生产的PT100电阻式温度传感器，其测量精度可达到±0.1℃。
铝合金样品Ⅰ6-1、铝合金样品Ⅱ6-2、岩石样品Ⅰ7-1和岩石样品Ⅱ7-2分别通过三线制电阻应变片导线与所述数据记录仪10连接。
恒温水浴槽3设有循环水入口12-1和循环水出口12-2，循环水从循环水入口12-1进入，从循环水出口12-2排出。加热/制冷装置Ⅰ14对循环水加热或制冷，保持恒温水浴槽3内的温度恒定在25℃。
阶梯级变温水浴槽4设有循环水入口13-1和循环水出口13-2，循环水从循环水入口13-1进入，从循环水出口13-2排出。加热/制冷装置Ⅱ15对循环水加热或制冷，保持阶梯级变温水浴槽4的温度为0～60℃。
阶梯级变温水浴槽4以5℃为一个阶梯级进行温度变化，温度由5℃开始升温，升温5℃后，保持该温度4小时，再升高5℃，保持该温度4小时，以此类推，直到温度达到60℃，其中升温过程中升温速率为1℃/min；阶梯级变温水浴槽4温度达到60℃后，保持60℃、4小时后开始降温，降低5℃后，保持该温度4小时，再降低5℃，保持该温度4小时，以此类推，直到温度达到5℃，阶梯级变温水浴槽4温度达到5℃后，保持5℃、4小时，其中降温过程中降温速率为1℃/min；在阶梯级变温水浴槽4温度变化时，用温度传感器Ⅱ9-2记录阶梯级变温水浴槽4的温度实时变化情况。
恒温水浴槽3和阶梯级变温水浴槽4中循环水的流量均为7L/min。
恒温水浴槽3和阶梯级变温水浴槽4的外表面均包有保温材料。
上述测量方法操作简单，利用三线制高精度电阻应变片能够实现接触式测量并消除了导线对测试结果的影响，采用循环水浴控制器能够精确控制恒温和阶梯级变温水浴环境温度，通过已知热膨胀系数的铝合金样品标定了电阻应变片本身的温度系数，大大提高了测试结果的可靠性和精度，进而实现0~60℃温度范围内岩石的线性热膨胀系数的测量精度达到1×10-6/℃的量级。
如图1、图2和图3所示，上述测量方法采用下述0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量装置，其包括恒温水浴槽3、恒温水浴循环控制装置1、阶梯级变温水浴槽4、阶梯级变温水浴循环控制装置2、电阻应变片、铝合金样品、岩石样品、锡箔袋、温度传感器、数据记录仪10、加热/制冷装置、不间断电源变压器16和计算机11。
电阻应变片的数量为四个，分别为电阻应变片Ⅰ5-1、电阻应变片Ⅱ5-2、电阻应变片Ⅲ5-3和电阻应变片Ⅳ5-4。铝合金样品的数量为两个，分别为铝合金样品Ⅰ6-1和铝合金样品Ⅱ6-2。岩石样品的数量为两个，分别为岩石样品Ⅰ7-1和岩石样品Ⅱ7-2。锡箔袋的数量为四个，分别为锡箔袋Ⅰ8-1、锡箔袋Ⅱ8-2、锡箔袋Ⅲ8-3和锡箔袋Ⅳ8-4。温度传感器的数量为两个，分别为温度传感器Ⅰ9-1和温度传感器Ⅱ9-2。加热/制冷装置的数量为两个，分别为加热/制冷装置Ⅰ14和加热/制冷装置Ⅱ15。
铝合金样品Ⅰ6-1与电阻应变片Ⅰ5-1连接，并置于密封的锡箔袋Ⅰ8-1中；铝合金样品Ⅱ6-2与电阻应变片Ⅱ5-2连接，并置于密封的锡箔袋Ⅱ8-2中。岩石样品Ⅰ7-1与电阻应变片Ⅲ5-3连接，并置于密封的锡箔袋Ⅲ8-3中；岩石样品Ⅱ7-2与电阻应变片Ⅳ5-4连接，并置于密封的锡箔袋Ⅳ8-4中。
锡箔袋Ⅰ8-1、锡箔袋Ⅱ8-2、锡箔袋Ⅲ8-3和锡箔袋Ⅳ8-4的袋口均用硅橡胶密封，保证测量期间样品与外界无气体交换。
装有铝合金样品Ⅰ6-1与电阻应变片Ⅰ5-1的组合体的锡箔袋Ⅰ8-1置于恒温水浴槽3内；装有铝合金样品Ⅱ6-2与电阻应变片Ⅱ5-2的组合体的锡箔袋Ⅱ8-2置于阶梯级变温水浴槽4内。装有岩石样品Ⅰ7-1与电阻应变片Ⅲ5-3的组合体的锡箔袋Ⅲ8-3置于恒温水浴槽3内；装有岩石样品Ⅱ7-2与电阻应变片Ⅳ5-4的组合体的锡箔袋Ⅳ8-4置于阶梯级变温水浴槽4内。
恒温水浴槽3内设有温度传感器Ⅰ9-1；阶梯级变温水浴槽4内设有温度传感器Ⅱ9-2。恒温水浴循环控制装置1内设有加热/制冷装置Ⅰ14；阶梯级变温水浴循环控制装置2内设有加热/制冷装置Ⅱ15。
恒温水浴槽3的一侧设有循环水入口12-1和循环水出口12-2；恒温水浴循环控制装置1与恒温水浴槽3相对的一侧设有循环水出水口17-1和循环水回水口17-2；恒温水浴槽3的循环水入口12-1与恒温水浴循环控制装置1的循环水出水口17-1连接；恒温水浴槽3的循环水出口12-2与恒温水浴循环控制装置1的循环水回水口17-2连接。
阶梯级变温水浴槽4的一侧设有循环水入口13-1和循环水出口13-2；阶梯级变温水浴循环控制装置2与阶梯级变温水浴槽4相对的一侧设有循环水出水口18-1和循环水回水口18-2；阶梯级变温水浴槽4的循环水入口13-1与阶梯级变温水浴循环控制装置2的循环水出水口18-1连接；阶梯级变温水浴槽4的循环水出口13-2与阶梯级变温水浴循环控制装置2的循环水回水口18-2连接。
恒温水浴槽3和阶梯级变温水浴槽4的温度均由循环水控制，温度传感器Ⅰ9-1用于测量恒温水浴槽3内的温度，温度传感器Ⅱ9-2用于测量阶梯级变温水浴槽4内的温度。
电阻应变片Ⅰ5-1、电阻应变片Ⅱ5-2、电阻应变片Ⅲ5-3、电阻应变片Ⅳ5-4、温度传感器Ⅰ9-1和温度传感器Ⅱ9-2分别与数据记录仪10连接。铝合金样品Ⅰ6-1、铝合金样品Ⅱ6-2、岩石样品Ⅰ7-1和岩石样品Ⅱ7-2分别通过三线制电阻应变片导线与数据记录仪10连接，以消除温度变化所引起导线电阻变化对测量结果的影响。
恒温水浴循环控制装置1和阶梯级变温水浴循环控制装置2分别设有不间断电源变压器16。加热/制冷装置Ⅰ14和加热/制冷装置Ⅱ15均为加热/冷却泵。
上述测量装置结构简单、设备组接方便、操作简单，能够方便、准确地测量岩石土木工程涉及的温度范围在0～60℃内岩石线性热膨胀系数。
通过本发明的测量方法和测量装置得到8种岩石在0～60℃范围的线性热膨胀系数如下表所示：
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明的所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
a、准备四个相同的电阻应变片，分别为电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ；
b、准备两个相同的铝合金样品，分别为铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ，并对其进行表面剖光，用丙酮进行表面清洗；
c、在铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ上分别粘贴电阻应变片Ⅰ和电阻应变片Ⅱ；
d、将铝合金样品Ⅰ与电阻应变片Ⅰ的组合体装入锡箔袋Ⅰ中，袋口用硅橡胶密封；将铝合金样品Ⅱ与电阻应变片Ⅱ的组合体装入锡箔袋Ⅱ中，袋口用硅橡胶密封；
e、将同一待测岩石制成两个相同的岩石样品，分别为岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ，并对其进行表面剖光，用丙酮进行表面清洗；
f、在岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ上分别粘贴电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ；
g、将岩石样品Ⅰ与电阻应变片Ⅲ的组合体装入锡箔袋Ⅲ中，袋口用硅橡胶密封；将岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体装入锡箔袋Ⅳ中，袋口用硅橡胶密封；
h、将铝合金样品Ⅰ与电阻应变片Ⅰ的组合体、岩石样品Ⅰ与电阻应变片Ⅲ的组合体放入恒温水浴槽中；
i、将铝合金样品Ⅱ与电阻应变片Ⅱ的组合体、岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体放入阶梯级变温水浴槽中；
j、在恒温水浴槽和阶梯级变温水浴槽中分别放置温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ；
k、用数据记录仪实时采集电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ、电阻应变片Ⅳ、温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ的电阻变化，并将其转化为应变和温度数据，存储到计算机中；
l、校验恒温水浴槽中铝合金样品Ⅰ和岩石样品Ⅰ在恒温条件下的变形，并用温度传感器Ⅰ记录恒温水浴槽的温度；
m、在阶梯级变温水浴槽温度变化时，用温度传感器Ⅱ记录阶梯级变温水浴槽的实时温度；
n、校验电阻应变片Ⅱ的线性热膨胀系数，测量阶梯级变温水浴槽中岩石样品Ⅱ与电阻应变片Ⅳ的组合体随温度变化引起的应变量，再计算出岩石样品Ⅱ的线性热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ和电阻应变片Ⅳ的电阻均为119.5±0.5Ω，热膨胀系数均为11×10-6/℃。
3.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ的成分均为Al、Mg和Si，其质量百分含量分别为60%、35%和5%。
4.如权利要求3所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述铝合金样品Ⅰ和铝合金样品Ⅱ的线性热膨胀系数均为22.4×10-6/℃。
5.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述电阻应变片Ⅰ、电阻应变片Ⅱ、电阻应变片Ⅲ、电阻应变片Ⅳ、温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ分别与所述数据记录仪连接。
6.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述铝合金样品Ⅰ、铝合金样品Ⅱ、岩石样品Ⅰ和岩石样品Ⅱ分别通过三线制电阻应变片导线与所述数据记录仪连接。
7.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述恒温水浴槽设有循环水入口和循环水出口，循环水从所述恒温水浴槽的循环水入口进入，从所述恒温水浴槽的循环水出口排出。
8.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述阶梯级变温水浴槽设有循环水入口和循环水出口，循环水从所述阶梯级变温水浴槽的循环水入口进入，从所述阶梯级变温水浴槽的循环水出口排出。
9.如权利要求1所述的0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述恒温水浴槽的温度为25℃，所述阶梯级变温水浴槽的温度为0～60℃。
10.一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量装置，包括数据记录仪和计算机，其特征在于：还包括恒温水浴槽、恒温水浴循环控制装置、阶梯级变温水浴槽、阶梯级变温水浴循环控制装置、电阻应变片、铝合金样品、岩石样品、锡箔袋、加热/制冷装置、温度传感器和不间断电源变压器。
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