利用劈尖干涉測混凝土熱膨脹系數*

何京鴻，張永斌，盧俊書

(楚雄師范學院物理與電子科學系，云南 楚雄 675000)

引言

隨著溫度的變化，一般固體材料會有不同程度的熱脹冷縮，混凝土也不例外。混凝土是目前土木工程中用途較廣、用量較大的一種建筑材料。熱膨脹系數是混凝土結構及溫控防裂主要技術指標，研究混凝土熱膨脹系數對提高混凝土整體穩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］。

測量熱膨脹系數有多種不同的實驗方法，常用的是光杠桿法［3～4］。但在實際測量時，存在一些問題［5］:比如由于樣品桿較長，升溫速度較快，使樣品桿加熱不均勻;光杠桿放大倍數又不夠大，測量精度達不到要求;所測樣品受熱的膨脹動態過程會引起讀數誤差等。這些特點，從實驗測量的角度不易解決，本文所提出的采用劈尖干涉法測量能有效對這些問題改善，且便于觀察測量，測量效果較好，具有一定應用推廣價值。

1.實驗原理

固體的線度一般隨溫度的升高而增加，設l0為固體在溫度t=t0℃ 時的長度。則在某個溫度t下，其長度 l和溫度 t之間的關系為［1～2］

式中α、β是和被測物質材料有關的常數，數值極小，而α后面的各系數同α相比更小，在常溫系可忽略，于是

α稱為線脹系數，單位是℃－1。若物體在溫度t1時的長度為l，溫度升到t2時，其長度微小增加了△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)式可化簡為

從上式線脹系數的定義式可以看出，要測量混凝土棒的線脹系數，只要測出△l、l、t1、t2這四個未知量即可。△l較小，不易測準，本實驗用劈尖干涉來測量，l用千分尺測量，t1、t2用溫度計測量。

本文所設計劈尖干涉測熱膨脹系數原理如圖1所示，當混凝土受熱膨脹時，伸長了△l的同時，劈尖的上片(接觸混凝土棒的一端)也微小位移△l，以波長為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，即可產生光的干涉。根據干涉條件有［3～7］

觀察暗條紋時，當膜厚改變△l時，則有

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

2.實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，取兩塊較薄的光學平面玻璃(分為上下片)，上片的一端與下片的一端對齊，制成一個空氣劈尖，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，其次將擴束鏡固定在單色低壓汞燈和保溫杯之間，用汞燈過透擴束鏡照射劈尖。

實驗裝置如圖1所示:

制作空氣劈尖:用兩塊光學平板玻璃(規格為: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°連續變化。

混凝土棒的制作:本實驗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147.620mm，直徑10.15mm的混凝土棒，按常規混凝土養護，待干備用。

圖1 實驗裝置簡圖

圖2 空氣劈尖示意圖

圖3 實驗實物平臺

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、溫度計固定好。

3.實驗步驟及數據測量

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

(2)按如圖1所示搭建如圖3所示實驗測試平臺，先將混凝土棒浸沒在80℃的恒溫水浴預熱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，微調上片光學平面玻璃，使其兩端分別搭在混凝土棒頂與下片光學平面玻璃，使所形成劈尖角小于3°，調整觀察角度，能看到較清楚的干涉條紋為宜。

(4)在上片光學平面玻璃放置一根頭發絲作為基準線，觀察干涉明條紋水溫自然冷確移動，同步記錄溫度計隨水溫自然冷確變化，每移動10個干涉明條紋記錄下水溫。

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

表1 實驗測量數據

圖4 線脹系數 －溫度分布圖

4.結論

(1)在60℃ 到80℃ 測得所配常規混凝土線脹系數為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量線脹系數的可行性。

(2)對實驗數據進一步分析，表2反映出混凝土溫度/線脹系數關系。由表2可看出線脹系數較為集中，是物質的固有屬性，因存在一定的誤差使其在一定范圍內變化。由于混凝土的骨料對其線脹系數存在影響［8］，本實驗只采用標準標號的水泥和沙石，未添加其他材料，能保證所測得的數據合理性。

(3)實驗中所用汞燈光源，原因如下:采用氦氖激光雖然是單色光源，但存在光束較細，需要使用擴束鏡對其光束擴束，不方便操作，觀測難度增大。但氦氖激光干涉性好，此裝置進一步改進是可以考慮的。

(4)本文所設計測量方法適合常見固體熱膨脹系的測量。若用常見油替代本實驗用的水，其測量溫度范圍在 －10℃ 到200℃ 范圍內較為精確測量化學性質較穩定固體的熱膨脹系數。

［1］姚武，鄭興.配合比例參數對混凝土熱膨脹系數的影響［J］.同濟大學學報 (自然科學版)2007，(1)：77—81.

［2］盧琴，朱顯鴿，惠亞芳.熱膨脹系數對混凝土溫度應力的影響［J］.水電能源科學.2010，(8)：106—107，170.

［3］楊述武.普通物理實驗［M］.北京：高等教育出版社，2000，(1)：218—222.

［4］陳金太.大學物理實驗［M］.廈門：廈門大學出版社，2005，(1)：66—70.

［5］王青，戴劍鋒，李維學，魏智強.測定金屬熱膨脹系數的新方法［J］.物理通報，2003，(10)：32—33.

［6］陳淑清.利用光的干涉測金屬體線脹系數的方法［J］.高師理科學刊，2003， (1)：18—19.

［7］花世群.光的干涉法測金屬線脹系數［J］.光學技術.2001(4)27卷383—384.

［8］錢春香，朱晨峰.骨料粒徑對混凝土熱膨脹性能的影響［J］.硅酸鹽學報.2009， (1)：18—22.