CN106895789A - 一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，包括以下步骤：S1，将光纤光栅传感器的元件和光纤光栅温度计预埋于水泥净浆芯样中心，封装水泥净浆芯样；S2，水泥净浆芯样在标准养护环境中养护3～14天，得到应变计。与现有技术相比，本发明采用与被测物相近的材料制作应变计，并适当控制应变计外壳材料养护龄期，最大程度优化传感器外壳的热膨胀性能、弹性模量等材料特性，减小应变计对砂浆、混凝土结构受力情况的影响，使得测量结果更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泥基材料应力应变的测量装置，尤其是涉及一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法。
背景技术
混凝土被广泛用于建造大型液化天然气储罐的外壳，而液化天然气存储温度在-165℃左右，超低温混凝土的研究与监测对于储罐的工作性能的提高具有重大意义。且就力学性能而言，混凝土是绝佳的超低温材料，可以用于建造液化天气燃气储罐的内壳，这使得混凝土超低温监测技术显得尤为重要。
超低温极端环境及超低温-常温大跨度温度范围工况下，各种常温及低温混混凝土应变的方法，但在超低温下电阻应变片失效，不能获取超低温数据。笔者曾用低温电阻应变片测试混凝土超低温应变，但在低于-100℃时，应变片失效。光纤光栅也是常温及低温下测量混凝土应变的方法，但目前受制于光纤光栅低温下灵敏度降低以及啁啾效应等特性，光纤光栅在超低温环境下的应用面临着诸多问题。此外，水泥基材料是一种不均匀的多相复合材料，各相之间热膨胀系数相差较大，内部应力应变状态复杂。在低温下，水泥基材料孔隙水的相变膨胀是一个动态的渐进过程，这也使得材料内部应力应变状态更加复杂，对应变计提出更高的要求，也是目前低温测试领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，使得超低温混凝土内应力应变状态的测量与在线监测成为可能，以推进混凝土在超低温构筑物中的广泛使用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，所述的应变计用于测量水泥净浆或砂浆的应变，该方法包括以下步骤：
S1，将光纤光栅传感器的元件和光纤光栅温度计预埋于水泥净浆芯样中心，封装水泥净浆芯样，所述的水泥净浆芯样的材料与待测水泥基材料相同或相近；
S2，水泥净浆芯样在标准养护环境中养护3～14天，得到应变计。
一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，所述的应变计用于测量混凝土的应变，该方法包括以下步骤：
S1，将光纤光栅传感器的元件和光纤光栅温度计预埋于水泥净浆芯样中心，封装水泥净浆芯样，所述的水泥净浆芯样的材料与待测水泥基材料相同或相近；
S2，将水泥净浆芯样放入标准养护环境中养护3天；
S3，将水泥净浆芯样预埋于砂浆中；
S4，砂浆芯样成型拆模后，在标准养护环境中养护3～14天，得到应变计。
所述的水泥净浆芯样为圆柱体。
所述的水泥净浆芯样的直径为0.5～5cm，长度为5～20cm。
所述的标准养护环境的温度为20℃，湿度为90％。
所述的砂浆芯样为圆柱体，砂浆在水泥净浆芯样上覆盖的厚度为0.5～3cm。
所述的光纤光栅元件与水泥净浆芯样直接接触。
上述光纤光栅应变计所用水泥、砂、水灰比及养护条件，优选与被测混凝土相同的原材料及养护条件。
由于光纤光栅传感器在超低温环境中，温度与波长的关系与一般低温不同。上述传感器在出厂时或者首次使用时，应使用T型热电偶或其他精确的超低温温度计对光纤光栅温度计进行温度波长的标定，并给出相关标定曲线，以供测试结果计算。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)优化光纤光栅与被测构件之间接触界面，充分利用不同材料的特性和不同龄期下材料界面的粘结性能，实现接触面的充分接触，保证光纤光栅被材料尽可能的均匀包裹，微观受力均匀，并合理利用水泥净浆的粘结性能，避免采用其他超低温粘结剂引入受力不均，采用与被测物相近的材料制作应变计。
(2)水泥净浆芯样为圆柱体，能较为准确的表征该点的拉压应力状态。
(3)光纤光栅应变计所用水泥、砂、水灰比及养护条件，优选与被测混凝土相同的原材料及养护条件，并适当控制应变计外壳材料养护龄期，最大程度优化传感器外壳的热膨胀性能、弹性模量等材料特性，减小应变计对砂浆、混凝土结构受力情况的影响，使得测量结果更加精确。
(4)净浆是水泥与水的混合物，砂浆在此基础上增加了砂，混凝土在此接触上增加了石子。砂、石为骨料，对水泥基材料力学性能、热工性能(热膨胀系数)影响较大，此外对界面的粘结性能也有影响。在混凝土与净浆中增加砂浆这一过渡界面，以减小混凝土与净浆之间各项性能的差异对测试结果的影响，也增强了界面粘结强度。
(5)标准养护环境的温度为20℃，湿度为90％，是较为常见的养护条件，与普通的水泥基材料养护条件较为贴近，制成的应变计性能与待测水泥基材料更加接近。
(6)光纤光栅元件与水泥净浆芯样直接接触，直接采用水泥净浆作为粘结材料，而水泥净浆可以看作一种均质材料，使得光纤光栅元件受力均匀分布，以消除啁啾效应。且水泥净浆在力学性能、热工性能(热膨胀系数)与砂浆、混凝土最为接近，使得制成的应变计能较好的反应水泥基材料、混凝土构件的受力状态，尤其是在较大温度跨度范围内。
附图说明
图1为本实施例1用于测量水泥净浆或砂浆的应变的光纤光栅应变计结构示意图；
图2为本实施例2用于测量混凝土的应变的光纤光栅应变计结构示意图；
图3(a)、3(b)为本实施例1光纤光栅应变计应用于超低温下砂浆热应变的曲线图，其中3(a)为单次冻融循环测量曲线，3(b)为多次冻融循环测量曲线；
图4(a)、4(b)为采用直接预埋方式的光纤传感器测量超低温下两种不同砂浆热应变的曲线图，其中4(a)为砂浆热应变曲线，4(b)为掺聚丙烯纤维砂浆热应变曲线。
附图标记：
1为光纤光栅元件；2为光纤光栅温度计；3为水泥净浆芯样；4为砂浆芯样。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将光纤光栅元件1和光纤光栅温度计2预埋于普通的水泥净浆芯样3中心，芯样是直径为0.5～5cm左右，长为5～20cm的圆柱体。封装完成后，将芯样放入标准养护室下养护3～14天，即可成型，得到如图1所示的应变计。该光纤光栅应变计适用于测量水泥净浆、砂浆等部位的超低温应变。但不能用于测量混凝土的超低温应变。
在养护方式和时间上，1.养护制度尽可能相同；2芯样养护时间不宜过长；3养护完成后用塑料薄膜包裹，并在0～7天内预埋与被测构件中。通过养护方式和时间的控制，使得净浆、砂浆、混凝土三者之间界面处水泥水化进度差别不是太大，以保证界面处的粘结强度，同时控制界面处含水率、气孔等的均匀分布，以减小多相材料分布不均对测量结果的影响。
将该应变计用于测量超低温下砂浆热应变，水泥基材料因为其组分的特殊性，在低温下展现出复杂的热应变。如图3(a)、3(b)所示，在降温过程中，从20℃～-30℃表现为冷缩，在-30℃～-50℃之间表现为膨胀，主要是因为孔隙水的结冰膨胀引起。在-50℃～-130℃表现为冷缩，-130℃前后，冷缩的斜率发生细微变化，主要是孔隙冰晶型转变所致。升温阶段在-50℃～-7℃之间出现了滞涨，主要是孔隙水融化收缩引起。多次超低温冻融循环结果显示，在冻融之后，样品中出现残余应变。
如图4(a)、4(b)所示，若采取直接预埋光纤光栅传感器的方式，测量砂浆热应变的结果，出现明显啁啾效应，致使测量结果无效。经大量试验，改变光纤光栅粘贴、预埋方法，均会导致啁啾效应，而本实施例提及的方法能有效消除啁啾效应。
实施例2
在实施例1所述的预埋光纤光栅基本元件和光纤光栅温度计的净浆芯样成型后，在标准条件下养护3天，随后再将芯样预埋于砂浆中成型砂浆芯样4，使得砂浆在净浆芯样上覆盖0.5～3cm。第二天拆模后，放入20℃、90％湿度的标准条件下养护3～14天，光纤光栅应变计即可制作完成，得到如图2所示的应变计。
在使用时从养护条件中取出，预埋于混凝土构件中，便可实现超低温混凝土温度、应变的在线监测。上述光纤光栅应变计所用水泥、砂、水灰比及养护条件，优选与被测混凝土相同的原材料及养护条件。
由于光纤光栅传感器在超低温环境中，温度与波长的关系与一般低温不同。上述传感器在出厂时或者首次使用时，应使用T型热电偶或其他精确的超低温温度计对光纤光栅温度计进行温度波长的标定，并给出相关标定曲线，以供测试结果计算。
以上设计方案通过多次改进、优化光纤光栅与被测构件之间接触界面，充分利用不同材料的特性和不同龄期下材料界面的粘结性能，实现接触面的充分接触，保证光纤光栅被材料尽可能的均匀包裹，微观受力均匀，并合理利用水泥净浆的粘结性能，避免采用其他超低温粘结剂引入受力不均。采用与被测物相近的材料制作应变计，并适当控制应变计外壳材料养护龄期，最大程度优化传感器外壳的热膨胀性能、弹性模量等材料特性，减小应变计对砂浆、混凝土结构受力情况的影响，使得测量结果更加精确。
Claims (9)
1.一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将光纤光栅传感器的元件和光纤光栅温度计预埋于水泥净浆芯样中心，封装水泥净浆芯样，所述的水泥净浆芯样的材料与待测水泥基材料相同；
S2，水泥净浆芯样在标准养护环境中养护3～14天，得到应变计。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的应变计用于测量水泥净浆或砂浆的应变。
3.一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将光纤光栅传感器的元件和光纤光栅温度计预埋于水泥净浆芯样中心，封装水泥净浆芯样，所述的水泥净浆芯样的材料与待测水泥基材料相同；
S2，将水泥净浆芯样放入标准养护环境中养护3天；
S3，将水泥净浆芯样预埋于砂浆中；
S4，砂浆芯样成型拆模后，在标准养护环境中养护3～14天，得到应变计。
4.根据权利要求3所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的应变计用于测量混凝土的应变。
5.根据权利要求1或3所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的水泥净浆芯样为圆柱体。
6.根据权利要求5所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的水泥净浆芯样的直径为0.5～5cm，长度为5～20cm。
7.根据权利要求1或3所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的标准养护环境的温度为20℃，湿度为90％。
8.根据权利要求3所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的砂浆芯样为圆柱体，砂浆在水泥净浆芯样上覆盖的厚度为0.5～3cm。
9.根据权利要求1或3所述的一种适用于超低温环境的水泥基材料应变计制作方法，其特征在于，所述的光纤光栅元件与水泥净浆芯样直接接触。
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