利用劈尖干涉測(cè)混凝土熱膨脹系數(shù)*

何京鴻，張永斌，盧俊書

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系，云南 楚雄 675000)

引言

隨著溫度的變化，一般固體材料會(huì)有不同程度的熱脹冷縮，混凝土也不例外?；炷潦悄壳巴聊竟こ讨杏猛据^廣、用量較大的一種建筑材料。熱膨脹系數(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)及溫控防裂主要技術(shù)指標(biāo)，研究混凝土熱膨脹系數(shù)對(duì)提高混凝土整體穩(wěn)定性及凝土熱與其他材料搭配使用等方面有重要意義［1～2］。

測(cè)量熱膨脹系數(shù)有多種不同的實(shí)驗(yàn)方法，常用的是光杠桿法［3～4］。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，存在一些問題［5］:比如由于樣品桿較長(zhǎng)，升溫速度較快，使樣品桿加熱不均勻;光杠桿放大倍數(shù)又不夠大，測(cè)量精度達(dá)不到要求;所測(cè)樣品受熱的膨脹動(dòng)態(tài)過程會(huì)引起讀數(shù)誤差等。這些特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)測(cè)量的角度不易解決，本文所提出的采用劈尖干涉法測(cè)量能有效對(duì)這些問題改善，且便于觀察測(cè)量，測(cè)量效果較好，具有一定應(yīng)用推廣價(jià)值。

1.實(shí)驗(yàn)原理

固體的線度一般隨溫度的升高而增加，設(shè)l0為固體在溫度t=t0℃ 時(shí)的長(zhǎng)度。則在某個(gè)溫度t下，其長(zhǎng)度 l和溫度 t之間的關(guān)系為［1～2］

式中α、β是和被測(cè)物質(zhì)材料有關(guān)的常數(shù)，數(shù)值極小，而α后面的各系數(shù)同α相比更小，在常溫系可忽略，于是

α稱為線脹系數(shù)，單位是℃－1。若物體在溫度t1時(shí)的長(zhǎng)度為l，溫度升到t2時(shí)，其長(zhǎng)度微小增加了△l，由(2)式可得:

由此兩式消去l0，整理后得:

由于l(t2－t1)＞＞△lt1，所以(3)式可化簡(jiǎn)為

從上式線脹系數(shù)的定義式可以看出，要測(cè)量混凝土棒的線脹系數(shù)，只要測(cè)出△l、l、t1、t2這四個(gè)未知量即可?！鱨較小，不易測(cè)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)用劈尖干涉來測(cè)量，l用千分尺測(cè)量，t1、t2用溫度計(jì)測(cè)量。

本文所設(shè)計(jì)劈尖干涉測(cè)熱膨脹系數(shù)原理如圖1所示，當(dāng)混凝土受熱膨脹時(shí)，伸長(zhǎng)了△l的同時(shí)，劈尖的上片(接觸混凝土棒的一端)也微小位移△l，以波長(zhǎng)為λ單色光垂直照射劈尖，從空氣薄層上下表面反射的兩束光，即可產(chǎn)生光的干涉。根據(jù)干涉條件有［3～7］

觀察暗條紋時(shí)，當(dāng)膜厚改變△l時(shí)，則有

若測(cè)出干涉暗條紋移動(dòng)的條數(shù)△k，即可由(6)式得到△l，即為公式(4)中的△l，同時(shí)測(cè)出溫度變化△t，混凝土棒在室溫下的原長(zhǎng)為l，即可由公式(4)求出α，即

2.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，取兩塊較薄的光學(xué)平面玻璃(分為上下片)，上片的一端與下片的一端對(duì)齊，制成一個(gè)空氣劈尖，將下片水平固定在保溫杯的杯口上，將低壓汞燈固定在鐵支架的頂端，其次將擴(kuò)束鏡固定在單色低壓汞燈和保溫杯之間，用汞燈過透擴(kuò)束鏡照射劈尖。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示:

制作空氣劈尖:用兩塊光學(xué)平板玻璃(規(guī)格為:76mm×20mm×1mm)按如圖1—2所示形成劈尖角，使所形成劈尖角能是0°至5°連續(xù)變化。

混凝土棒的制作:本實(shí)驗(yàn)采用礦渣硅酸鹽水泥(PSA 32.5)，按水泥:沙 =1∶2的比例配制成混凝土，使用薄的塑料管為模具制成長(zhǎng)147.620mm，直徑10.15mm的混凝土棒，按常規(guī)混凝土養(yǎng)護(hù)，待干備用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

圖2 空氣劈尖示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)物平臺(tái)

將單色汞燈用支架夾帶固定在鐵支架上，盡量保證汞燈與水平面垂直，再將保溫杯放在在汞燈下面(如圖3所示)。并將水泥棒、劈尖、溫度計(jì)固定好。

3.實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)測(cè)量

(1)用精度為0.002mm的千分尺多次測(cè)量備好的混凝土棒，取平均值。測(cè)得混凝土棒長(zhǎng)度l∶147.620±0.002mm。

(2)按如圖1所示搭建如圖3所示實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，先將混凝土棒浸沒在80℃的恒溫水浴預(yù)熱15分鐘，然后放入裝有超過80℃ 水的保溫杯中。

(3)用低壓汞燈(λ=546.1nm)照射劈尖，微調(diào)上片光學(xué)平面玻璃，使其兩端分別搭在混凝土棒頂與下片光學(xué)平面玻璃，使所形成劈尖角小于3°，調(diào)整觀察角度，能看到較清楚的干涉條紋為宜。

(4)在上片光學(xué)平面玻璃放置一根頭發(fā)絲作為基準(zhǔn)線，觀察干涉明條紋水溫自然冷確移動(dòng)，同步記錄溫度計(jì)隨水溫自然冷確變化，每移動(dòng)10個(gè)干涉明條紋記錄下水溫。

(5)重復(fù)(4)步驟，計(jì)算每相鄰兩次記錄溫度差△t，由(7)式計(jì)算出混凝土棒線膨脹系數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 線脹系數(shù) －溫度分布圖

4.結(jié)論

(1)在60℃ 到80℃ 測(cè)得所配常規(guī)混凝土線脹系數(shù)為9.915×10－6℃－，與工程參考值8～12×10－6℃－很好吻合。證明了用劈尖干涉測(cè)量線脹系數(shù)的可行性。

(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，表2反映出混凝土溫度/線脹系數(shù)關(guān)系。由表2可看出線脹系數(shù)較為集中，是物質(zhì)的固有屬性，因存在一定的誤差使其在一定范圍內(nèi)變化。由于混凝土的骨料對(duì)其線脹系數(shù)存在影響［8］，本實(shí)驗(yàn)只采用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號(hào)的水泥和沙石，未添加其他材料，能保證所測(cè)得的數(shù)據(jù)合理性。

(3)實(shí)驗(yàn)中所用汞燈光源，原因如下:采用氦氖激光雖然是單色光源，但存在光束較細(xì)，需要使用擴(kuò)束鏡對(duì)其光束擴(kuò)束，不方便操作，觀測(cè)難度增大。但氦氖激光干涉性好，此裝置進(jìn)一步改進(jìn)是可以考慮的。

(4)本文所設(shè)計(jì)測(cè)量方法適合常見固體熱膨脹系的測(cè)量。若用常見油替代本實(shí)驗(yàn)用的水，其測(cè)量溫度范圍在 －10℃ 到200℃ 范圍內(nèi)較為精確測(cè)量化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定固體的熱膨脹系數(shù)。

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