CN113777127B - 一种测定混凝土高温热膨胀的仪器及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种测定混凝土高温热膨胀的仪器及方法，涉及测量仪器技术领域。包括测量系统、传导系统、测温部件、控温部件和数据处理系统，测量系统包括位移传感器和第一循环水冷套，第一循环水冷套与炉体之间具有间隙；位移传导系统包括顶杆、置物柱，顶杆的一端与位移传感器的探针抵接，另一端依次穿过第一支架、第一循环水冷套、炉壁后延伸至炉膛内；置物柱的一端穿过炉门并通过第二循环水冷套放置在第二支架上，第二支架与炉门连接；数据处理系统被配置为：根据实测温度、试样膨胀值、试样原始高度和膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率及热膨胀系数。本申请用于精确测量具有大尺寸范围的试样的热膨胀百分率及热膨胀系数。

Description

一种测定混凝土高温热膨胀的仪器及方法
技术领域
本申请涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种测定混凝土高温热膨胀的仪器及方法。
背景技术
混凝土的高温热膨胀性能关系到混凝土结构或构件在火灾等高温条件下的安全性，同时也是混凝土材料和结构进行耐高温及抗火设计的重要参数之一，然而目前尚缺乏适用于混凝土高温热膨胀性能测定的仪器和方法。
国家标准GB/T 7320－2018《耐火材料热膨胀试验方法》给出了两种耐火材料测试方法，即示差法和顶杆法，但上述方法均不适合混凝土的高温热膨胀测定。原因在于混凝土中存在骨料，若是纤维混凝土还会存在纤维，示差法要求在较小的试样中心留有通孔，对于混凝土来说可操作性较差，顶杆法要求试样尺寸过小，使试样不能代表混凝土本身。现有高温热膨胀测定仪器也均是根据GB/T 7320－2018《耐火材料热膨胀试验方法》生产制造，因此不适合混凝土的热膨胀测定。
现有的可测定较大尺寸试样的高温热膨胀专利：CN 205982147U、CN 106226347A、CN 208568645U和CN 111044556A，均存在设计方面的不足，不适合混凝土高温热膨胀的测定。
发明内容
本申请提供一种测定混凝土高温热膨胀的仪器及方法，通过将位移传感器与炉体分离单独安放在第一支架上以及补偿位移传导系统的变形，避免了位移传感器易受高温影响的弊端，同时实现了大尺寸试样热膨胀百分率及热膨胀系数的精确测量。
一方面，本申请提供了一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，包括测量系统、炉体、位移传导系统、测温部件、控温部件以及数据处理系统，其中：
所述测量系统包括依次设置的位移传感器、第一支架和第一循环水冷套，所述第一循环水冷套与炉体之间具有间隙；
所述炉体位于测量系统的下方，用于为试样热膨胀提供所需的温度；
所述位移传导系统包括顶杆、置物柱和第二支架，所述顶杆的一端与位移传感器的探针抵接，另一端依次穿过第一支架、第一循环水冷套、炉壁后延伸至炉体的炉膛内；所述置物柱位于顶杆的下方，所述置物柱的一端穿过炉体底部的炉门并通过第二循环水冷套放置在第二支架上，所述第二支架与炉门连接；
所述测温部件用于测量炉膛温度；
所述控温部件用于根据测温部件测量的炉膛温度以及预设的升温制度控制炉膛内部的温度；
所述数据处理系统被配置为：实时获取测温部件测量的炉膛温度以及位移传感器测量的试样膨胀值；
根据实时获取的炉膛温度、试样膨胀值以及预设的试样原始尺寸、膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数，其中，所述膨胀补偿值为采用与试样相同的升温制度测得的标样的热膨胀值与标样真实热膨胀值的差值，所述标样的高度与试样的高度相同，标样的材质为熔融石英。
进一步地是，所述第一循环水冷套和炉体之间的距离大于10毫米。
进一步地是，所述炉体包括外壳和保温层，所述保温层的内壁形成有螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽内盘绕有裸露的电阻丝，所述电阻丝与控温部件连接。
进一步地是，所述第二支架包括圆孔板和支撑板，所述圆孔板通过连接件与炉门连接，所述支撑板用于支撑第二水冷套及置物柱，所述支撑板的底部设置有用于控制炉门开合的第一升降装置；
所述第二循环水冷套的一端固定在支撑板上，另一端穿过圆孔板，所述置物柱的底部置于第二水冷套内；所述第二循环水冷套的外径小于圆孔板的圆孔直径，第二循环水冷套和炉门之间具有间隙。
进一步地是，还包括用于调整位移传感器高度的第二升降装置，所述第二升降装置固定在第一支架的上表面。
进一步地是，所述置物柱的顶端设有放置试样的垫板，所述垫板、顶杆、置物柱的材质均为熔融石英。
进一步地是，所述置物柱在位于炉膛内的至少一部分的外壁上套设有保温块。
另一方面，本发明还提供一种测定混凝土高温热膨胀的方法，基于一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，包括以下步骤：
步骤1：将膨胀补偿值和试样原始尺寸输入至数据处理系统中，其中，所述膨胀补偿值为采用与试样相同的升温制度测得的标样的热膨胀值与标样真实热膨胀值的差值，所述标样的高度与试样的高度相同，标样的材质为熔融石英；
步骤2：开启炉门，将试样放于置物柱之上，关闭炉门，待位移传感器示数不变后，开始升温测试；
步骤3：测温部件实时测量炉膛温度；控温部件根据测量的炉膛温度和预设的升温制度控制炉膛内部的温度；
数据处理系统实时获取测温部件测量的炉膛温度以及位移传感器测量的试样膨胀值，并根据试样原始尺寸、试样膨胀值、炉膛温度以及膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数。
进一步地是，所述试样原始尺寸是根据试样最小截面边长、直径大于最大骨料粒径、最长纤维长度3倍的方法中的一种确定的；
所述升温制度是通过开展辅助试验或预分析确定的；
所述步骤2具体包括：升起位移传感器，开启炉门，将试样放于置物柱之上，关闭炉门，降下位移传感器，待位移传感器示数不变后，开始升温测试；
所述步骤3中热膨胀百分率和热膨胀系数的计算公式分别为：
式中：t0为初始温度；t1为试验温度；L0为试样在t0温度时的高度；L1为试样在t1温度时的考虑膨胀补偿值的高度。
进一步地是，步骤2还包括：若试样为高强及超高强混凝土，在放于置物柱之前，需要对试样进行烘干处理。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
1)可测定20～1000℃温度范围试样的热膨胀，并自动计算热膨胀百分率及热膨胀系数；操作简便、能长时间连续测量。
2)被测试样尺寸和升温制度可灵活选用，并具有高精度。
适合试样尺寸为底面边长或直径为40～100mm，高为50～160mm的棱柱体或圆柱体，加热速率为0.1～20℃/min，温控精度为±1℃，仪器测量精度为1μm。
3)试样位于位移传导系统中，且位移传导系统穿过炉膛不受炉膛变形影响，误差极小。
4)位移传感器与炉体分离单独安放在第一支架上，并通过第一循环水冷套进行循环水冷却，实现石英杆顶端及第一支架的有效降温，使位移传感器不受高温的影响，保证位移传感器正常工作及测定位移的精度。
5)通过第二循环水冷套使下部的石英置物柱支撑板有效降温，确保位移传导系统不受支撑板高温变形的影响，保证测试精度以及仪器的使用寿命。
6)通过盘绕在炉壁凹槽内的裸露电阻丝加热炉膛，并通过炉膛内部的测温部件及与之相连的控温部件进行温度控制。由于电阻丝裸露，可以实现精准控温，消除控温延迟及温度波动。
7)采用已知热膨胀系数的石英标样进行校准，补偿位移传导系统的变形，保证高精度，消除系统误差。
8)测试方法充分考虑混凝土材料的特点。根据混凝土中骨料粒径或纤维长度确定试样尺寸，使试样尺寸满足混凝土材料代表性的要求；通过辅助试验或预分析确定热膨胀测试的升温制度确保试样内外温度一致，保证测试精度；对于低水胶比的混凝土还需进行防爆裂烘干处理。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的一种测定混凝土高温热膨胀的仪器的结构示意图；
图2为实施例一的热膨胀百分率及热膨胀系数-温度曲线；
图3为实施例二的热膨胀百分率及热膨胀系数-温度曲线。
图中，1-步进式电机，2-位移传感器，3-第一循环水冷套，4-第一支架，5-顶杆，6-热电偶，7-试样，8-垫板，9-置物柱，10-外壳，11-保温层，12-电阻丝，13-保温块，14-炉门，15-第二循环水冷套，16-圆孔板，17-支撑板，18-连接件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请提供了一种测定混凝土高温热膨胀的仪器和方法。
仪器采用立式顶杆法，测定试样的热膨胀温度范围为20～1000℃，适合试样尺寸为底面边长或直径为40～100mm，高为50～160mm的棱柱体或圆柱体。仪器包括测量系统、炉体、位移传导系统、测温部件、控温部件和数据处理系统。
参照图1，测量系统包括依次设置的位移传感器2、第一支架4和第一循环水冷套3，位移传感器2连接第二升降装置，第二升降装置可以为但不限于步进式电机1，步进式电机1设置在第一支架4的上表面，位移传感器2通过步进式电机1控制升降，并调整高度以适应试样7的高度尺寸。第一循环水冷套3固定在第一支架4的下表面且与炉体之间具有间隙，通过循环冷水使第一支架4和位移传感器2免受高温的影响，保证了测试的精度以及仪器的使用寿命。第一循环水冷套3和炉体之间的距离大于10mm。
炉体位于测量系统的下方，炉体包括外壳10和保温层11，保温层11的内壁形成有螺旋形凹槽，凹槽内盘绕有裸露的电阻丝12，在测试时，通过加热电阻丝12为试样7热膨胀提供所需的温度。炉体的炉膛由保温层11进行保温，以减少炉膛热量散失及热辐射对仪器的影响。并且由于电阻丝12裸露，可以实现精准控温，消除控温延迟及温度波动。电阻丝12和控温部件连接。
位移传导系统包括顶杆5、置物柱9和第二支架，置物柱9的顶端还设有用于放置试样7的垫板8，顶杆5、垫板8、置物柱9的材质均可以为但不限于高纯度熔融石英，熔融石英热膨胀系数极小，且置物柱9和顶杆5穿过炉膛，不受炉膛变形影响。顶杆5的一端与位移传感器2的探针抵接，另一端依次穿过第一支架4、第一循环水冷套3、炉壁后延伸至炉体的炉膛内。置物柱9位于垫板8的下方，置物柱9的一端穿过炉体底部的炉门14并通过第二循环水冷套15支撑在第二支架上，第二支架与炉门14通过连接件18连接，通过循环水冷却，实现置物柱9底部的有效降温，确保支撑板17不产生温度变形。置物柱9位于炉膛内的至少一部分的外壁上套设有耐高温保温块13。
第二支架包括圆孔板16和支撑板17，圆孔板16通过连接件18与炉门14连接，支撑板17的底部设置有用于控制炉门14开合的第一升降装置。第二循环水冷套15的一端固定在支撑板17上，另一端穿过圆孔板16，置物柱9的底部置于第二循环水冷套15内，通过循环冷水的冷却，降低置物柱9底部的温度，以保证支撑板17不受高温影响。第二循环水冷套15的外径小于圆孔板16的圆孔直径，第二循环水冷套15不与圆孔钢板16相接触，因此可以有效隔离由下部炉门14直接传递来的热量。
测温部件用于测量炉膛温度，可以为不限于热电偶6。
控温部件用于根据测温部件测量的炉膛温度以及预设的升温制度控制炉膛内部的温度。
数据处理系统被配置为：实时获取测温部件测量的炉膛温度以及位移传感器测量的试样膨胀值；
根据实时获取的炉膛温度、试样膨胀值、预设的试样的原始尺寸以及膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数，其中，膨胀补偿值为采用与试样相同的升温制度测得的石英标样的热膨胀值与石英标样真实热膨胀值的差值，石英标样的高度与试样的高度相同。
仪器的工作原理：通过盘绕在炉壁凹槽内的裸露电阻丝12加热炉膛，通过炉膛内部的热电偶6进行实时测温，以及通过控温部件根据预先设定的升温制度控制炉膛内部的温度。被测试样7立于炉膛中的垫板8之上，顶起上方的顶杆5，顶杆5连接位移传感器2，试样7受热产生的温度变形经顶杆5传导，由位移传感器2捕捉，并由数据处理系统实时记录膨胀数据。根据所测定的热膨胀值，考虑膨胀补偿值，通过数据处理系统计算得到试样7在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数，具体计算公式如下：
热膨胀百分率：
热膨胀系数：
式中：
t0——初始温度；
t1——试验温度；
L0——试样在t0温度时的高度；
L1——试样在t1温度时的考虑膨胀补偿值的高度。
利用图1所示的热膨胀测定仪测定混凝土高温热膨胀方法，包括以下步骤：
S1：试样7尺寸确定
在确定尺寸时，可以选择试样最小截面边长、直径大于最大骨料粒径、最长纤维长度3倍的方法中的一种来确定试样的尺寸。保证试样的代表性。
S2：升温制度确定
通过开展辅助试验或预分析确定混凝土试样热膨胀测定的升温制度，包括升温速率及恒温点的恒温时间，以保证试样内外温度一致，确保测试精度。
S3：膨胀补偿值的确定
选取与试样7高度相同的石英标样，将石英标样放置在如图1的测定仪器中，并采用与热膨胀测定相同的升温制度进行热膨胀测试，计算石英标样在各个温度点的真实热膨胀值与测试值的差值，得到由于顶杆5、置物柱9和垫板8受热产生的膨胀数值作为补偿值，用于校准仪器的测试结果，消除系统误差。
S4：将膨胀补偿值和试样的原始尺寸输入至数据处理系统中。
S5：升起位移传感器2，开启炉门14，将试样7放于置物柱9上的垫板8上，关闭炉门14，降下位移传感器2，静停数分钟，待位移传感器2示数不变后开始升温测试。对于水胶比较低的高强及超高强混凝土，热膨胀测试之前需进行烘干处理，以防试样在热膨胀测试过程中发生爆裂影响测试结果及损害仪器。
S6：在升温测试时利用热电偶6进行测温并将所测温度传输给控温部件和数据数据处理系统。控温部件根据预设的升温制度判断所测温度是否满足要求，若否，调整电阻丝的电流强度，使所测温度与预设温度一致。
数据处理系统实时获取测量的炉膛温度以及位移传感器测量的试样膨胀值，并根据试样原始尺寸、试样膨胀值、炉膛温度以及膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数，并可在电脑中实时显示测试曲线。热膨胀百分率和热膨胀系数，具体计算公式如下：
热膨胀百分率：
热膨胀系数：
式中：
t0——初始温度；
t1——试验温度；
L0——试样在t0温度时的高度；
L1——试样在t1温度时的考虑膨胀补偿值的高度。
实施例一：采用本申请的混凝土高温热膨胀测定仪器和测定方法，测定水胶比为0.4，最大骨料粒径为16mm的混凝土的30～810℃的高温热膨胀。
混凝土试样为底面边长50mm(大于3倍最大骨料粒径48mm)高100mm的棱柱体试样；采用辅助试验确定试样的升温速率为2℃/min，各恒温点的恒温时间如表1所示；采用100mm高的石英标样进行膨胀补偿值测定；热膨胀百分率及热膨胀系数的测定结果如图2所示。
表1各恒温点的恒温时间
实施例二：采用本申请的混凝土高温热膨胀测定仪器和测定方法，测定水胶比为0.2，最大骨料粒径为5mm，所掺钢纤维长度为13mm的钢纤维超高强混凝土的30～825℃的高温热膨胀。
混凝土试样为底面边长50mm(大于3倍钢纤维长度39mm)高100mm的棱柱体试样；采用辅助试验确定试样的升温速率为2℃/min，各恒温点的恒温时间如表2所示；采用100mm高的石英标样进行补偿值测定；由于水胶比较低，采用105℃烘干3天的方法进行防爆裂处理；热膨胀百分率及热膨胀系数的测定结果如图3所示。
表2各恒温点的恒温时间
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，其特征在于，包括测量系统、炉体、位移传导系统、测温部件、控温部件以及数据处理系统，其中：
所述测量系统包括依次设置的位移传感器、第一支架和第一循环水冷套，所述第一循环水冷套与炉体之间具有间隙；
所述炉体位于测量系统的下方，用于为试样热膨胀提供所需的温度；
所述位移传导系统包括顶杆、置物柱和第二支架，所述顶杆的一端与位移传感器的探针抵接，另一端依次穿过第一支架、第一循环水冷套、炉壁后延伸至炉体的炉膛内；所述置物柱位于顶杆的下方，所述置物柱的一端穿过炉体底部的炉门并通过第二循环水冷套放置在第二支架上，所述第二支架与炉门连接；
所述测温部件用于测量炉膛温度；
所述控温部件用于根据测温部件测量的炉膛温度以及预设的升温制度控制炉膛内部的温度；
所述数据处理系统被配置为：实时获取测温部件测量的炉膛温度以及位移传感器测量的试样膨胀值；
根据实时获取的炉膛温度、试样膨胀值以及预设的试样原始尺寸、膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数，其中，所述膨胀补偿值为采用与试样相同的升温制度测得的标样的热膨胀值与标样真实热膨胀值的差值，所述标样的高度与试样的高度相同，标样的材质为熔融石英；
所述第一循环水冷套和炉体之间的距离大于10毫米；
所述第二支架包括圆孔板和支撑板，所述圆孔板通过连接件与炉门连接，所述支撑板用于支撑第二水冷套及置物柱，所述支撑板的底部设置有用于控制炉门开合的第一升降装置；
所述第二循环水冷套的一端固定在支撑板上，另一端穿过圆孔板，所述置物柱的底部置于第二水冷套内；所述第二循环水冷套的外径小于圆孔板的圆孔直径，第二循环水冷套和炉门之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，其特征在于，所述炉体包括外壳和保温层，所述保温层的内壁形成有螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽内盘绕有裸露的电阻丝，所述电阻丝与控温部件连接。
3.根据权利要求1所述的一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，其特征在于，还包括用于调整位移传感器高度的第二升降装置，所述第二升降装置固定在第一支架的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，其特征在于，所述置物柱的顶端设有放置试样的垫板，所述垫板、顶杆、置物柱的材质均为熔融石英。
5.根据权利要求1所述的一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，其特征在于，所述置物柱在位于炉膛内的至少一部分的外壁上套设有保温块。
6.一种测定混凝土高温热膨胀的方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一所述的一种测定混凝土高温热膨胀的仪器，包括以下步骤：
步骤1：将膨胀补偿值和试样原始尺寸输入至数据处理系统中，其中，所述膨胀补偿值为采用与试样相同的升温制度测得的标样的热膨胀值与标样真实热膨胀值的差值，所述标样的高度与试样的高度相同，标样的材质为熔融石英；
步骤2：开启炉门，将试样放于置物柱之上，关闭炉门，待位移传感器示数不变后，开始升温测试；
步骤3：测温部件实时测量炉膛温度；控温部件根据测量的炉膛温度和预设的升温制度控制炉膛内部的温度；
数据处理系统实时获取测温部件测量的炉膛温度以及位移传感器测量的试样膨胀值，并根据试样原始尺寸、试样膨胀值、炉膛温度以及膨胀补偿值，计算得到试样在不同温度下的热膨胀百分率和热膨胀系数。
7.根据权利要求6所述的一种测定混凝土高温热膨胀的方法，其特征在于，所述试样原始尺寸是根据试样最小截面边长、直径大于最大骨料粒径、最长纤维长度3倍的方法中的一种确定的；
所述升温制度是通过开展辅助试验或预分析确定的；
所述步骤2具体包括：升起位移传感器，开启炉门，将试样放于置物柱之上，关闭炉门，降下位移传感器，待位移传感器示数不变后，开始升温测试；
所述步骤3中热膨胀百分率和热膨胀系数的计算公式分别为：
式中：t0为初始温度；t1为试验温度；L0为试样在t0温度时的高度；L1为试样在t1温度时的考虑膨胀补偿值的高度。
8.根据权利要求7所述的一种测定混凝土高温热膨胀的方法，其特征在于，步骤2还包括：若试样为高强及超高强混凝土，在放于置物柱之前，需要对试样进行烘干处理。
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