數顯式電位位移計在混凝土靜彈試驗中的應用研究

賈春鑫，李新生

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

在分析混凝土結構、預應力混凝土等結構體系的應力、變形和裂縫時，混凝土彈性模量是一個非常重要的參數，彈性模量測試結果的準確與否，直接影響分析結果，特別是對結構健康監測尤為重要。

千分表作為規范[1]中最早規定的混凝土彈性模量測試儀器，其經濟適用、原理簡單，易為試驗人員掌握，在工程檢測中應用普遍，但這種測定方法也存在安裝定位繁雜、試驗參與人員多、易引起人為誤差等諸多問題。電阻應變片法[2]具有測試精度相對較高、測試結果穩定等特點，倍受高校、科研院所等機構青睞，但該法存在應變片不能重復利用、應變片需粘貼24 h后才能試驗等缺點，在工程中難以推廣使用。利用激光測長儀和位移傳感器來測試混凝土的彈性模量，理論上可行，但目前真正應用于工程中卻很少見，有關科研文獻也不多。

基于以上原因，文章探討了KDC-18型位移傳感器與數顯式儀表配合使用，測試標準養護條件下不同齡期C50混凝土的彈性模量，并與傳統千分表法、電阻應變片法進行對比分析。測試結果表明，數顯式電位位移計法測試方法簡便、快速、測試結果準確，有較好的工程應用推廣價值。

1 試驗裝置選配

為改進混凝土受壓彈性模量測試方法，微變形測量儀器選用米諾KDC-18鉸鏈式位移傳感器，量程10 mm,內置可變電阻為1 000Ω，線性誤差±0.05%，數字儀表選用2通道高精度自動數顯儀表見圖1。

圖1 數顯式彈性模量電位位移測量裝置

該位移傳感器可通過接觸片位置的變化改變可變電阻兩側電阻值，使輸出電壓產生變化，而電阻變化與變形成正比，通過數據采集儀對輸出電壓進一步放大，測試精度可達±0.001 mm，滿足彈性模量測試精度要求。

測試步驟：①在被測試塊上采用專用固定架確定彈性模量的測試位置；②將專用螺絲用502膠水固定相應測試位置上；③將位移傳感器固定在專用螺絲上；④被測試塊放置于壓力試驗機上；⑤連接傳感器與測試儀表。

2 模擬對比試驗

2.1 試驗概況

為驗證數顯式電位位移測量裝置測試混凝土受壓彈性模量的精準程度，探討該設備裝置在實際工程試驗中應用的可行性，本試驗借助蘇州市城北路改建工程長滸大橋主橋箱梁混凝土（設計強度等級C50）及懸臂施工過程對混凝土不同齡期彈性模量要求，制作了標養條件下的6種齡期（分別為3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d）的混凝土棱柱體試件共18組，每組15個試件，共計270個試件。每一種齡期選用3個試件做軸心抗壓強度，12個試件分別采用前述三種測試方法進行彈性模量同步對比試驗。

2.2 試驗材料

本試驗采用南方牌P·O 42.5級水泥，S95級礦粉，細骨料為蕪湖中砂，粗骨料為5~25 mm碎石，聚羧酸系高性能減水劑，以上材料均通過原材料的各種性能測試，測試結果為合格級。

2.3 混凝土配合比

本試驗試件均采用室內拌合方式分批成型，配合比見表1。

表1 C50混凝土配合比

2.4 測試方法的試驗效果分析

在混凝土彈性模量試驗中由于試件尺寸偏差或微變形測量儀定位、安裝誤差等因素，導致在試驗的對中階段，常發生測讀試件兩側變形值之差不滿足標準要求、試驗結果無效的情況。選取兩種齡期（7 d、28 d）的混凝土彈性模量試驗，分別用上述三種方法驗證對中階段測試結果的有效性，分析結果見表2。

表2 混凝土彈模對中試驗階段不同方法測試分析結果匯總

從表2可見：位移計法與千分表法、應變片法基本能取得一致的有效測試結果，且測試結果的穩定性、有效性好于千分表。表明該數顯式電位位移計可用于混凝土彈性模量試驗。

2.5 彈性模量測試結果與分析

對試驗數據進行分析整理，分析結果見表3。根據分析結果繪制本工程中混凝土彈性模量隨齡期的變化曲線，見圖3。

表3 三種方法測得不同齡期混凝土彈性模量

圖3 混凝土彈性模量隨齡期發展對比

從表3可見：

（1）千分表法測得混凝土3 d、5 d、7 d、14 d和56 d彈性模量分別為28 d彈性模量的85.2%、89.6%、94.5%、98.1%和100.3%。

（2）位移計法測得混凝土3 d、5 d、7 d、14 d和56 d彈性模量分別為28 d彈性模量的85.6%、91.2%、95.5%、98.6%和100.8%。

（3）應變片法測得混凝土3 d、5 d、7 d、14 d和56 d彈性模量分別為28 d彈性模量的85.7%、90.2%、95.0%、98.3%和100.6%。

從圖3可見混凝土早期彈性模量隨齡期的增加而增長，基本以7 d為分界點，7 d之前增長速率較快，基本呈直線變化，7 d后增加速率漸緩，呈曲線變化，至28 d之后基本趨于穩定。同一齡期混凝土彈性模量分析值，三種方法分析結果相差不大，均可用于工程結構分析。

3 經濟效益分析

混凝土彈性模量測試過程總體耗時較長，三種方法在整個試驗階段所耗用時間有較大差別。表4列取了7 d和28 d兩種齡期彈性模量測試全程耗用時間及實驗參與人員對比情況。

表4 三種彈性模量測試方法全程各階段耗時及參與人員對比

根據表4結合三種方法的實際操作狀況，可得以下結論：

（1）千分表法簡單實用、相對成本較低，但安裝定位較繁雜、勞動強度較大、參與試驗人員相對較多，而且試件對中效果相對較差、儀器拆卸繁瑣、耗時較長。

（2）應變片法測試中試件對中效果較好、數據自動采集、測試結果相對較穩定[3]，但應變片為一次性消耗品、粘貼工作一般要在正式試驗前24 h完成，數據采集系統一般為專用設備、儀器,成本相對較高,該法一般在科研工作中采用,工程實用價值相對較低。

（3）位移計法操作簡便，設備能重復利用，安裝定位及拆卸時間短、試件對中效果良好，讀數、記錄方便，整個試驗過程耗時最短，且只需1名試驗人員就能完成全套試驗，單位時間內完成的實驗產值得到大大提高，工程實用價值相對較高，經濟效益明顯。

4 結語

數顯式電位位移計是混凝土彈性模量測試的一種較理想的微變形測量儀，該套設備測試結果有效、省時省力、人為讀數誤差較小，經濟效益顯著，有較好的工程應用推廣價值。