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1 1 2 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 用应变片测量水泥混凝土热膨胀系数的 试验方法 张国梁， 李 松 ( 天津市市政工程设计研究院， 天津市 3 0 0 0 5 1 ) 摘要： 热膨胀系数是评价水泥混凝土热学性能的一项基本参数 ， 在大体积混凝土和超长结构混凝土温度应力计算中起着至 关重要的作用。 提出了一种用电阻应变片测量混凝土热胀系数的方法并进行了试验研究。 用线性回归的方法对试验数据进行 分析， 得到了混凝土的热胀系数， 同时， 试验结果也表明， 用电阻应变片能够实现对混凝土热膨胀系数的测量。 关键词 ： 热膨胀系数； 电阻应变片 ； 测量 中图 分类号 ： U 4 1 4 文献标 识 码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 1 2 0 3 1 概 述 水泥混凝土材料会随着环境温度的改变发 生体积上的膨胀或者收缩 ， 特别像大型水坝 、 桥 梁以及长大隧道等这些大型的建筑物 ，由温度 引起 的变 形更 加 明显 。一 旦 这些 变形 受 到过 大 的约束 ， 混 凝土 结构 就会 发生 开裂 ， 严 重 影 响结 构使用性能和使用寿命。热膨胀系数是评价混 凝土温度变形性能的重要参数 ，其意义是指 固 体材料温度每变化 1 时 ，其单位长度的变化 量。国内外的专家学者对水泥混凝土热膨胀系 数进行 了大量的试验研究 ， 总结其试验方法 ， 主 要包括 以下几类 ： ( 1 ) 直接测长法【 1 3 直接测长法测量线性热膨胀系数原理非常简 单，即直接用测量工具测出试件在不同温度下的 长度， 然后将长度变化、 温度变化以及试件原始长 度代人线性热膨胀系数的计算公式 中计算出结 果。具体的测试工具可以有很多，如手持式应变 仪 、 千分表等。 这种方法虽然原理简单、 操作简便 ， 但 由于过程 中容易受人为 因素干扰 ，使得测试结 果很难达到试验的精度要求。 ( 2 ) 膨胀仪法 膨胀仪法是一种广泛应用于材料学科 的试验 方法。 试验时需将被测材料置于膨胀仪中， 用仪器 自带 的加热 系统 实现对被测试 样 的温度控 制 ， 然 后通过一定的方式测量出试样的变形 ，再根据热 胀系数的定义公式推算出测量值。根据测量试样 变形原理的不同，膨胀仪法可以具体分为机械式 膨胀仪法、 光学式膨胀仪法和电测试膨胀仪法等。 虽然用膨胀仪法测量热胀系数精度较高 ，能实现 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 6 2 1 作者简介： 张国梁 ( 1 9 7 9 一) ， 男， 内蒙古人， 工程师， 从事道路 设 计工作 。 高精度测量，但是膨胀仪通常要求试件尺寸不能 过大( 一般不大于 5 0 m m) ， 因此该方法在混凝土 热胀 系数测量 中应用较少 。 ( 3 ) 传感器法【 l ，2 】 传感器法是使用传感器与被测试件结合在 一 起 ，当被测 试件 产生 温度 变 形 时传 感器 也 一 起发生变形 ，从而通过采集传感器的变形数据 测量得到试件 的变形。常见的传感器包括 电阻 应变片 、光纤传感器以及线性差动式位移传感 器 ( L V D T) 。 上述几种方法在混凝土热胀系数 的试验研 究 中都有应用。 而与其他测量方式相比， 用电阻应变 片测量混凝土热胀系数不仅原理简单 ，而且应变 片具有灵敏度高、 精度高、 测量范围大以及环境适 应性好等特点， 因此被广泛采用5 -7 。本文对应变 片测量混凝土热胀系数的原理进行了阐释，同时 对应变片测量混凝土热膨胀系数的方法进行了试 验研究 2 应变片测量热胀系数原理 电阻应变片的测量原理非常简单 ：测量中将 应变片粘贴在被测试 件上 ，在不考虑环境温度变 化的情况下，当被测试件受力发生拉伸或压缩变 形时，缠绕在应变片内的电阻丝也会随之产生相 应 的变形 ， 这就会导致应变片 的电阻发生变化 ， 根 据 电阻 的变化 以及应变片的参数就可 以反算得到 被测试件 的应变 。 事实上 ， 在实际测量特别是室外测量中， 往往 伴随着环境温度的变化。由于金属丝的导电系数 受温度影响，同时金属丝与被测材料线膨胀系数 不同，在相同的温度变化条件下会产生不协调变 形引起应变片电阻发生变化。由于这部分应变是 由温度引起的， 因此被称为热输出， 应变片的热输 出可以推导得到 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 1 3 在通常的应变测量中温度变化引起的热输出 是测量中的干扰因素 ，需要通过一定的技术手段 消 除温度影 响( 温度补偿 ) ， 从 而得 到被 测试件 实 际的应变输 出。常见 的温度补偿有应变片 自补 偿 以及桥路补偿两种方式 7 I 1 0 】 。 应变 片 自补偿 是指对应变片 电阻丝做一定 的 处理 ， 使金属材料内部晶体结构重新组合， 在使用 温度范围内，使应变片产生的附加应变为零或相 互抵消 。 桥路补偿是指在被测试 件相 同的材质 的不受 力的试件上粘贴一个补偿片，使之与工作片组成 一 个平衡 电桥 ，将温度影响消除 。如 图 1 所示 的 1 4桥式电路 ， 测量时将工作片 R l 粘贴在被测试 件上 ，补偿片 R 2 粘贴在与被测试件材质相同的 不受外力的试件上。 当环境温度变化时， 由于应变 片参 数相 同 、 被i 贝 0 试件 材质相 同 ， 因此 工作 片 R1 和补偿片 R 2的电阻发生的变化也相同，对桥路 输 出 的影 响相互 抵 消 ，从 而 达到 温 度补 偿 的效 果 。 圈 1 补偿 电路原 理 图 3 应变片测量热胀系数的试验研究 3 1 参照试件材料 的选择 8 , 1 1 2 】 试件的温度应变计算结果不仅受应变采集系 统的输出影响， 而且受参照试件温度变形的影响 ， 因此参照试件的选择对试验非常重要。理论上来 说 ，在试验温度范围内热膨胀系数已知的任何材 料都可以作为参照材料。但实际测量中往往选择 热胀系数尽量小甚至接近于零的材料 ，这样在试 验 中应变采集 系统得 到的应变更接近 于被 测材料 的实际应变 ， 使得试验过程更加直观。 参照材料的 热胀 系数不仅要有较高 的可重 复性 ，而且 在恒温 情况下有较高的稳定性。此外参照材料的模量也 应该足够大，以保证试验过程中应变片对其变形 的影 响可 以忽 略。 石英玻 璃是一种 比较常用 的参照材料 ，这 种 材料线膨胀系数小 ， 仅为 5 4 X 1 0 _ 7 ， 而且重现 性好 ， 几乎不 随温度变化 ， 因此在本试验 中选择石 英玻璃作为参考材料。 3 2 试验过程 试验 中采 用 了 3个尺寸为 4 0 0 m m1 0 0 mm 1 0 0 m m的棱柱形试件， 按照 水泥混凝土路面 施工技术规范 进行水泥混凝土配合 比设 计 ， 粗集 料最大公称粒径 为 3 1 5 mR。电阻应变片 型号 为 B X 1 2 0 5 0 A A， 敏感栅长度为 5 0 m m， 灵敏度系数 为 2 O 8 。试验前用 5 0 2胶将应 变片贴在混凝 土试 件对称的两个侧面 ( 需事先将贴应变片的位置打 磨平整 ) ， 静置 l h 后用 A B胶涂抹在应变片表面 以作防潮处理 ， 并焊接连接导线。 作为参照的石英玻璃片尺寸为 1 0 0 m m 5 0 mm 4 m m， 在其表面粘贴上与混凝土试件同规格的 应变片， 同样做防潮处理并焊接导线。 为保证测量 的准确性 ，所 有应变 片的连接导线采用 了相 同的 长度 。 温度调节通过水浴控温箱实现 ，水浴控温范 围为 1 0 5 0 ， 按照 1 O c C 2 0 3 0 _ + 4 0 一5 0 等差逐级升温方式 ，每一级温度到达后恒 温 2 h ， 以保证试件内部混凝土达到热平衡， 待应 变读数平稳后记 录应变值 。 试验时需将三个试件连同石英玻璃片一起水 平放入水浴箱中。 为了保证试件 自由变形， 事先准 备了一块平整的木板，在木板上涂抹适量黄油并 均匀撒布钢珠 ，然后将试件放在木板上以模拟无 摩擦支撑。然后将木板连同试件一起套在密封隔 水的塑料袋内，以避免水浴箱中的水干扰应变片 的测量 。 试件 放入 水浴 箱后将 应变 片和采 集仪 联 机 ， 将工作片和补偿片分别接人固定 的接线端 ， 本试验 中采用的应变采集仪能 自动通过图 1 所 示的桥路 ， 完成温度补偿 ， 并与计算机连接输出 应变。采集系统启动后即可启动水浴箱开始试 验 。 3 3 试验 结果 记录应变仪采集到的数据 ， 取同一个试件上 两应变片读数的平均值作为采集结果 。变温过 程当中混凝土实际的应变应该为应变仪采集到 的桥路输出数据与石英玻璃 的总应变 T之 和 。取石 英玻 璃的热 胀 系数 为 = 5 4 X 1 0 - 7 ， 升 温 区 间 依 次 为 1 O ， 2 0 ， 3 0 和 4 O c ( = 。 整理得 到混凝土试件 在升温过程 中实际应变 量 ， 见 表 1 。 应变随温度发展 的曲线应该是一条通过坐标 原点的直线。将表 1 中的数据在平面直角坐标系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 4 科技研究 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 表 1 混凝 土实 际应变 量 中表示 ，同时用线性 回归的方法得 到混凝 土应变 与温度的关 系 ， 见 图 2 。 从 图 2中可以看 出试验数 据呈现出很好的线性关系 ， R = O 9 9 2 ， 直线的斜率 为 1 0 4 2 ，也 即 混 凝 土 的 热 胀 系 数 为 1 0 4 2 X 1 0 吖 。 司 址 堪 试件温度变化 T C 图 2 混 凝土 变形 随温度 发展 同时仔细观察图 2 ，还可以发现在试件温度 按 照 1 0 _ 2 0 3 O 4 0 5 O 的等 差 逐 级升温过程中， 随着温度的升高， 在各个温度区段 内的热胀系数存在逐渐上升的趋势。分别计算各 个升 温区段 内混凝 土的热胀 系数并 画 出折 线 图， 见表 2和图 3 。 从实 时观测的应变数 据来看 ， 每一 个升温阶段恒温 2 h后应变仪读数已经平稳不再 上升 ， 因此可以排 除恒温时间不足的原 因。 表 2 各 升温 区段 内混凝 土热胀 系数 ( 1 O C) 4 结论 本文介绍 了一种用 电阻应变 片测量水泥混凝 土热膨胀 系数 的试验方 法 ，并进行 了试 验研究 ， 通过试验得到如下结论 ： 2 一 鼎 垛 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 试件温度T C 图 3 不同 升温 区段 内热胀 系数变 化 ( 1 ) 通过对试验数据进行线性 回归 ， 得到水泥 混凝 土的热胀 系数 为 1 0 4 21 c C， R = 0 9 9 2， 具 有较好 的相关性 。 ( 2 ) 对不 同升温 区段 内的热胀系数进行 比较 ， 发现随着温度的升高，热胀系数呈现逐渐增长的 趋势。 由此 可见 ，用应变 片测量 水泥混凝 土的热膨 胀系数无论从原理还是从具体的试验操作方面都 是可行 的。本文 的试验 中出现 了热胀系数 随温度 升高而显著增加的现象，究竟是偶然现象还是存 在某种必然 的原 因 ，这也是需要进一步研究 的问 题 。 参考 文献 【 1 丁士卫 水泥石热变形性能试验研究【 D 】 东南大学硕士论文， 2 0 0 6， 5 1 1 2 丁士卫， 钱春香， 陈德鹏 水泥石热变形性能试验 东南大学 学报( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 1 3 1 1 7 3 钱春香， 朱晨峰 掺和料及引气剂对水泥混凝土热膨胀系数 的 影 响 建 筑材料 学报 ， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 3 ) ： 3 1 0 3 1 4 4 】 李清海 硬化水泥基材料热膨胀性能的研究 D 中国建筑材料 科 学研究 总 院博 士论 文，2 0 0 7 ， 4 5 【 5 】 尹福炎 电阻应变片发展历史的回顾U 】 衡器， 2 0 0 9 ， 3 8 (4 ) ：4 6 5 2 6 】 倪忠英 应变片式传感器的温度补偿浅谈 J 衡器， 2 0 0 3 ， 3 2 ( 4 ) ： 2 2 【 7 】 梁立凯 电阻应变片测量 中温度误差的补偿方法 J 呼伦贝尔 学 院学 报， 2 0 0 1 ， 9 ( 1 ) ：6 8 6 9 8 铁道部科学研究院西南研究所温度应力专题组用电阻应变 片测定混凝土热膨胀系数f J 】 铁道建筑， 1 9 8 5 ( 1 ) 9 Me a s u r e m e n t s G r o u p Me a s u r e m e n t o f T h e r ma l E x p a n s i o n C o e f f i c i e n t Me a s u r e me n t s J G r o u p T e c h N o t e T N- 5 1 3 【 l 0 1 尹福炎 电阻应变片的温度自补偿及其他 衡器， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 4 0 - 4 4 1 1 葛世 名 石英玻 璃在 化学工 业 中的应 用 化学 世界 ， 1 9 8 5 ( 8 ) ： 2 8 5 - 2 8 7 1 2 】 李朝木， 王奇， 朱宝元 石英玻璃与金属封接工艺的研究 真 空与低温， 1 9 9 3 ， 1 2 f 1 ) ： 4 8 5 3 5 2 5 1 5 0 5 9 5 3 2 l O 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m