CN202066814U - 混凝土热膨胀系数测定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混凝土热膨胀系数测定系统，包括：温控试验箱、用于传递所述温控试验箱内部液体中放置的待测混凝土块的热膨胀变形的顶杆、用于放大所述待测混凝土块热变形尺寸的光杠杆以及用于对所述待测混凝土块的热变形尺寸进行测量的望远镜尺寸测量系统；所述温控试验箱内设置有用于控制所述温控试验箱内部液体温度的控温管；所述顶杆设置于所述待测混凝土块之上，所述光杠杆设置于所述顶杆之上，所述望远镜尺寸测量系统置于所述温控试验箱外部。本实用新型通过控制温控试验箱内部液体的温度可以保证待测混凝土块的受热均匀，采用光杠杆放大使望远镜尺寸测量系统测得的待测混凝土块的变形精确，从而得到精确的混凝土热膨胀系数。

Description

混凝土热膨胀系数测定系统

技术领域

本实用新型涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种混凝土热膨胀系数测定系统。

背景技术

热膨胀是物体由于温度改变而产生胀缩的现象，物体的变化能力可以通过热膨胀系数(coefficient of thermal expansion)表示，热膨胀系数为等压(P一定)条件下单位温度变化所导致的体积变化，因此，热膨胀系数可以采用公式α＝ΔV/(V×ΔT)表示，其中，α为热膨胀系数，为V为物体体积，ΔV为物体体积变化，ΔT为物体温度变化。

与上述热膨胀系数不同，混凝土的热膨胀系数通常以单位温度变化所导致长度方向上的变化表示，因此，混凝土的热膨胀系数可以采用公式α＝ΔL/(L×ΔT)表示，其中，α为混凝土的热膨胀系数，L为混凝土块的长度，ΔL为混凝土块的长度变化，ΔT为混凝土块的温度变化。随着高性能混凝土的广泛应用，混凝土早期开裂问题日益突出，影响混凝土开裂性能的主要原因在于其自收缩和热膨胀引起的混凝土早期体积不稳定性。混凝土的热膨胀系数是影响混凝土早期行为的重要因素，作为混凝土热膨胀的重要表征参数，对混凝土早期开裂性能有着直接影响，是混凝土早期开裂敏感性分析的重要参数。《公路混凝土路面设计规范》(JTG D40-2009)对普通混凝土路面中温度翘曲应力的计算和连续配筋混凝土路面中平均裂缝间距、配筋率的计算时均明确提出对混凝土热膨胀系数的要求。

现有技术采用电阻应变计采集由恒温水浴引起的混凝土块热变形，进而计算混凝土的热膨胀系数，由于电阻应变计可靠性不高，且精度往往不能达到10^-6/℃，得到的混凝土热膨胀系数不精确。

实用新型内容

本实用新型提供一种混凝土热膨胀系数测定系统，用以解决现有技术中混凝土热膨胀系数不精确的缺陷，实现精确测量混凝土热膨胀系数。

本实用新型提供一种混凝土热膨胀系数测定系统，包括：温控试验箱、用于传递所述温控试验箱内部液体中放置的待测混凝土块的热膨胀变形的顶杆、用于放大所述待测混凝土块热变形尺寸的光杠杆以及用于对所述待测混凝土块的热变形尺寸进行测量的望远镜尺寸测量系统；

所述温控试验箱内设置有用于控制所述温控试验箱内部液体温度的控温管；

所述顶杆设置于所述待测混凝土块之上，所述光杠杆设置于所述顶杆之上，所述望远镜尺寸测量系统置于所述温控试验箱外部。

进一步地，该混凝土热膨胀系数测定系统还包括：网格底座，所述网格底座设置于所述待测混凝土块下部。

其中，所述网格底座优选为单层钢筋网。

再进一步地，该混凝土热膨胀系数测定系统还包括：用于记录所述温控试验箱内部液体中放置的待测混凝土块中心温度的温度记录仪和设置于所述待测混凝土块中心的温度传感器；

所述温度传感器与所述温度记录仪连接，用于向所述温度记录仪发送所述待测混凝土块中心的温度。

优选地，所述温控试验箱的顶盖上设置有用于穿过所述顶杆的圆孔，所述顶杆穿过所述圆孔粘接于所述待测混凝土块的上表面。

其中，所述光杠杆的后脚置于所述顶杆的上表面，所述光杠杆的底座水平，所述光杠杆的反射镜竖直。

此外，所述望远镜尺寸测量系统包括望远镜架、望远镜和游标卡尺，所述望远镜与所述游标卡尺等距的分列望远镜架两侧；

所述望远镜轴线水平，所述望远镜的镜面、所述光杠杆的反射镜的反射面与游标卡尺平行，所述望远镜与光杠杆的反射镜的反射面等高；

所述光杠杆的反射镜的反射面，用于将所述待测混凝土块热变形前后的游标卡尺的像反射进入望远镜。

所述顶杆优选为温度惰性顶杆。

本实用新型的混凝土热膨胀系数测定系统，通过控制温控试验箱内部液体的温度来控制其中放置的待测混凝土块的温度，可以保证待测混凝土块的受热均匀，同时采用光杠杆放大待测混凝土块热变形尺寸，使望远镜尺寸测量系统测得的待测混凝土块的变形精确，从而得到精确的混凝土热膨胀系数。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例一提供的混凝土热膨胀系数测定系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统中光杠杆与顶杆的结构示意图；

图4为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统中网格底座的结构示意图；

图5为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统中测量原理的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的混凝土热膨胀系数测定系统的结构示意图，如图1所示，该混凝土热膨胀系数测定系统包括：温控试验箱11、用于传递所述温控试验箱11内部液体中放置的待测混凝土块30的热膨胀变形的顶杆13、用于放大待测混凝土块30热变形尺寸的光杠杆15以及用于对所述待测混凝土块30的热变形尺寸进行测量的望远镜尺寸测量系统17；

所述温控试验箱11内设置有用于控制所述温控试验箱11内部液体温度的控温管111；

所述顶杆13设置于所述待测混凝土块30之上，所述光杠杆15设置于所述顶杆13之上，所述望远镜尺寸测量系统17置于所述温控试验箱11外部，其中，望远镜与光杠杆15的间距应满足所述待测混凝土块30热变形量的放大倍数的需要，可以优选为：5-10m。

本实施例混凝土热膨胀系数测定系统的温控试验箱，通过控制温控试验箱内部液体的温度来控制其中放置的待测混凝土块的温度，可以保证待测混凝土块的受热均匀，同时采用光杠杆放大待测混凝土块热变形尺寸，使望远镜尺寸测量系统测得的待测混凝土块的变形精确，从而得到精确的混凝土热膨胀系数。

实施例二

图2为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统的结构示意图，如图2所示，在实施例一的基础上，该混凝土热膨胀系数测定系统还可以包括：用于记录所述温控试验箱11内部液体中放置的待测混凝土块30温度的温度记录仪18和设置于所述待测混凝土块30中心的温度传感器19；

所述温度传感器19与所述温度记录仪18连接，用于向所述温度记录仪18发送所述待测混凝土块30中心的温度，可以精确监测混凝土块中心的实时温度，减小由水温和待测混凝土块30的温度差异引起的误差。其中，温度传感器19可以在成型时放入待测混凝土块30的中心，温度传感器19与温度记录仪18的连接可以为有线，也可以为无线。

进一步地，该混凝土热膨胀系数测定系统的温控试验箱11的顶盖上可以设置有用于穿过所述顶杆13的圆孔113，所述顶杆13穿过所述圆孔113粘接于所述待测混凝土块30的上表面。

再进一步地，图3为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统中光杠杆与顶杆的结构示意图，如图3所示，该混凝土热膨胀系数测定系统的光杠杆15的后脚151置于所述顶杆13的上表面，所述光杠杆15的底座153水平，所述光杠杆15的反射镜155竖直。

优选地，图4为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统中网格底座的结构示意图，如图4所示，该混凝土热膨胀系数测定系统还可以包括：网格底座40，参见图2，所述网格底座40设置于所述待测混凝土块30下部，既有效限制温度升高时温控试验箱11内部液体对待测混凝土块30的扰动，又可以使待测混凝土块30底部均匀受热。

此外，参见图2，该混凝土热膨胀系数测定系统的望远镜尺寸测量系统17可以包括望远镜架171、望远镜173和游标卡尺175，所述望远镜与所述游标卡尺175等距的分列望远镜架171两侧，距离可以优选为约2.5cm，当然也可以为其他尺寸，具体可以根据应用场景选择；

所述望远镜173轴线水平，所述望远镜173的镜面、所述光杠杆15的反射镜155的反射面与游标卡尺175平行，所述望远镜173与光杠杆15的反射镜155的反射面等高；

所述光杠杆15的反射镜155的反射面，用于将所述待测混凝土块30热变形前后的游标卡尺175的像反射进入望远镜；

具体地，初始状态时，所述望远镜173与所述游标卡尺175等距的分列望远镜架171两侧，距离约2.5cm，游标卡尺175的像通过光杠杆15的反射镜155的反射面反射进入望远镜的镜面，通过望远镜173可以读出初始示数；温度升高后，混凝土块膨胀，光杠杆15后脚151升高，反射镜155偏转一定角度如：θ，则反射到望远镜的游标卡尺175的像发生变化，通过望远镜173可以读出变化后的示数；前后示数差则为经光杠杆15放大了的混凝土块热变形。

此外，顶杆13优选为温度惰性顶杆例如：熔融石英棒、陶瓷棒等，顶杆13的材料为温度惰性材料即可。

下面介绍一种采用本实用新型实施例的混凝土热膨胀系数测定系统测定混凝土块热膨胀系数的具体应用实例：参见图2，假设温控试验箱11例如：热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion；简称：CTE)试验箱内的液体为水，水位略高于竖直放置的待测混凝土块30的高度，待测混凝土块30可以为棱柱体(高宽比优选为不小于2)或圆柱体(高和直径比优选为不小于2)的能够代表被测物性质的混凝土块，顶杆13为熔融石英棒，测试温度区间为10℃-50℃。其中，温控试验箱11的顶盖上可以预留直径约1.5cm的圆孔113，以便熔融石英棒穿过，将水浴中混凝土柱的变形传递至试验箱的光杠杆15，测定棱柱体混凝土块在10℃-50℃下的变形，可以得到待测混凝土块30的热膨胀系数其中，该实施例的试验条件仅为一种设定，而非限制，可以为其他合理的试验条件。具体地，采用该混凝土热膨胀系数测定系统测量混凝土块的热膨胀系数的具体过程包括以下步骤：

步骤101、将待测混凝土块30竖直放在温控试验箱11的底部，使待测混凝土块30完全浸泡在水里，由于待测混凝土块30底面与温控试验箱11的箱底接触的部分采用网格底座40例如：单层钢筋网垫起，既有效限制温度升高时待测混凝土块30的扰动，温控试验箱11中的液体可以透过钢筋网和待测混凝土块30有效接触，使待测混凝土块30底部均匀受热。

步骤102、连接顶杆13，如熔融石英棒，用胶水将熔融石英棒牢固的粘在试件的上表面，熔融石英棒从温控试验箱11顶盖的圆孔113中竖直伸出。其中，传递膨胀变形的顶杆13采用的熔融石英棒为温度惰性材料，其线膨胀系数仅为1×10^-9，可以减小温度梯度引起的顶杆13的变形造成的误差。

步骤103、向温控试验箱11中注水，水面优选为高过待测混凝土块30上表面3-5cm。

步骤104、架设光杠杆15，将光杠杆15的后脚151放在熔融石英棒的上表面，并使光杠杆15的底座153水平，光杠杆15的反射镜155竖直。

步骤105、调整望远镜173，使望远镜173轴线水平，望远镜173轴线和游标卡尺175垂直，望远镜173的镜面、光杠杆15的反射镜155的反射面与游标卡尺175平行，望远镜与光杠杆15的反射镜155的反射面等高。

步骤106、微调望远镜，在望远镜视窗内，找到游标卡尺175的清晰读数，分别记录光杠杆15前后脚151间的距离d，光杠杆15反射镜155面与游标卡尺175间的距离D。

步骤107、接通待测混凝土块30中心的温度传感器19与温度记录仪18，根据温度记录仪18的读数，可以确定待测混凝土块30的温度。

步骤108、将水温设定为10℃，开启温控试验箱11，温控试验箱11的控温管111可以将水温调整并保持在10℃。待温度记录仪18显示温度为10℃后，保持4小时，记录游标卡尺175读数h₁。然后，将水温设定为50℃，随着水温的升高，混凝土块会膨胀，反射镜155后脚151会抬高，温度记录仪18显示为50℃后，保持4小时，这时反射镜155面偏转一定角度如：θ，记录游标卡尺175读数h₂。进一步地，为了验证升温时的望远镜173示数是否准确，可以重新将水温设定为10℃，待温度记录仪18示数为10℃后，稳定2小时，记录游标卡尺175读数h₁′，如果升温前后的望远镜173的示数差超过一定值例如：15％，则需要重新测量。其中，采用游标卡尺175测量混凝土热变形精度高于一般直尺，得到的热膨胀系数更精确。

鉴于游标卡尺与望远镜分划板不重合的事实，推导了膨胀变形的精确计算公式：参见图5，为本实用新型实施例二提供的混凝土热膨胀系数测定系统中测量原理的示意图，其中N₀为游标卡尺上的物点，N₁为反射镜偏转θ后游标卡尺上真实的的物点，Δn为混凝土块热变形尺寸，S为N₀对应的像点，F为反射镜过O点的法线与平面N₁SN₀的交点，M为反射镜偏转θ后N₁对应的像点，a为N₀距望远镜的距离，1为入射角，2为反射角，O为反射镜的轴心，O’为反射镜过O点的法线与SN₀的交点。在水温上升后，光杠杆的反射镜偏转θ，则

由tanθ＝θ，tan 2θ＝2θ，可以推到得出：

从而得到：

然而，该公式的推导式建立在望远镜分化板和直尺重合这一假设基础上的。事实上，N₁与M两点并不重合。具体地，如图5所示，通过空间解析，首先得到空间点M的原像的移动轨迹为双曲线。因此，在三角形OO’F内，可以得到：

因此，精确的ΔL可以参见以下公式(1)：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{(h_2-h_1)\×d}{\sqrt{2[(D^2+{(h_2-h_1)}^2)+D\sqrt{(D^2+{(h_2-h_1)}^2)}]}}---\left(1\right)$

在公式(1)中，ΔL为待测混凝土块30的膨胀尺寸(m)；D为游标卡尺175与反射镜155面的间距(m)；d为光杠杆15前、后脚151的间距(m)；h₁为10℃时，游标卡尺175上的读数；h₂为50℃时，游标卡尺175上的读数。

根据上述的公式(1)中计算得到的ΔL，可以得到更加精确的混凝土的膨胀系数CTE，参见如下公式(2)：

$\mathrm{CTE}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\ΔT}\×L}---\left(2\right)$

在公式(2)中，CTE为待测混凝土块30的线膨胀系数(1/℃)；ΔT为温度变化量，例如：50-10＝40(℃)；ΔL为待测混凝土块30的膨胀尺寸(m)。

本实施例混凝土热膨胀系数测定系统，通过控制温控试验箱内部液体的温度来控制其中放置的待测混凝土块的温度，可以保证待测混凝土块的受热均匀，同时采用光杠杆放大待测混凝土块热变形尺寸，使望远镜尺寸测量系统测得的待测混凝土块的变形精确，从而得到精确的混凝土热膨胀系数。由于温控试验箱采用可控温水浴，可以测得正、负温度梯度下待测混凝土块的变形，便于比较试验数据的可靠性。在水浴控温时，采用温度传感器、温度记录仪，可以精确监测混凝土块中心的实时温度，减小由水温和待测混凝土块的温度差异引起的误差。传递膨胀变形的顶杆采用温度惰性材料，如熔融石英棒、陶瓷棒等，可以减小温度梯度引起的顶杆的变形造成的误差。待测混凝土块与箱底接触部分采用网格底座40垫起，可以限制由水温变化引起的试件扰动，且使试件底部均匀受热。此外，游标卡尺的精度高，测量得到的尺寸精确，进一步提高热膨胀系数测定的精确性。

因此，本实施例的混凝土热膨胀系数测定系统测定的混凝土热膨胀系数更精确，可以精确预测和应对混凝土早期裂缝的发展。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，包括：温控试验箱、用于传递所述温控试验箱内部液体中放置的待测混凝土块的热膨胀变形的顶杆、用于放大所述待测混凝土块热变形尺寸的光杠杆以及用于对所述待测混凝土块的热变形尺寸进行测量的望远镜尺寸测量系统；

所述温控试验箱内设置有用于控制所述温控试验箱内部液体温度的控温管；

所述顶杆设置于所述待测混凝土块之上，所述光杠杆设置于所述顶杆之上，所述望远镜尺寸测量系统置于所述温控试验箱外部。

2.根据权利要求1所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，还包括：网格底座，所述网格底座设置于所述待测混凝土块下部。

3.根据权利要求2所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，还包括：所述网格底座为单层钢筋网。

4.根据权利要求1所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，还包括：用于记录所述温控试验箱内部液体中放置的待测混凝土块中心温度的温度记录仪和设置于所述待测混凝土块中心的温度传感器；

所述温度传感器与所述温度记录仪连接，用于向所述温度记录仪发送所述待测混凝土块中心的温度。

5.根据权利要求1-4任一所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，所述温控试验箱的顶盖上设置有用于穿过所述顶杆的圆孔，所述顶杆穿过所述圆孔粘接于所述待测混凝土块的上表面。

6.根据权利要求5所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，所述光杠杆的后脚置于所述顶杆的上表面，所述光杠杆的底座水平，所述光杠杆的反射镜竖直。

7.根据权利要求1-4任一所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，所述望远镜尺寸测量系统包括望远镜架、望远镜和游标卡尺，所述望远镜与所述游标卡尺等距的分列望远镜架两侧；

所述望远镜轴线水平，所述望远镜的镜面、所述光杠杆的反射镜的反射面与游标卡尺平行，所述望远镜与光杠杆的反射镜的反射面等高；

所述光杠杆的反射镜的反射面，用于将所述待测混凝土块热变形前后的游标卡尺的像反射进入望远镜。

8.根据权利要求1-4任一所述的混凝土热膨胀系数测定系统，其特征在于，所述顶杆为温度惰性顶杆。

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