用应变片测量水泥混凝土热膨胀系数的试验方法.docx

用应变片测量水泥混凝土热膨胀系数的试验方法张国梁， 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 300051） 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：U414 文献标识码：A 文章编号：1009- 7716（2012）02- 0112- 03 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 50 mm），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[1,2] 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（LVDT）。 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[8,9]。 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 度代入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[1,4] 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：2011- 06- 21 作者简介：张国梁（1979－）,男，内蒙古人，工程师，从事道路 设计工作。 城市道桥与防洪2012 年 2 月第 2 期科技研究113在通常的应变测量中温度变化引起的热输出 城市道桥与防洪 2012 年 2 月第 2 期 科技研究 113 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[7,10]。 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 R1 粘贴在被测试 件上，补偿片 R2 粘贴在与被测试件材