利用劈尖干涉测混凝土热膨胀系数*

何京鸿，张永斌，卢俊书

(楚雄师范学院物理与电子科学系，云南 楚雄 675000)

引言

随着温度的变化，一般固体材料会有不同程度的热胀冷缩，混凝土也不例外。混凝土是目前土木工程中用途较广、用量较大的一种建筑材料。热膨胀系数是混凝土结构及温控防裂主要技术指标，研究混凝土热膨胀系数对提高混凝土整体稳定性及凝土热与其他材料搭配使用等方面有重要意义［1～2］。

测量热膨胀系数有多种不同的实验方法，常用的是光杠杆法［3～4］。但在实际测量时，存在一些问题［5］:比如由于样品杆较长，升温速度较快，使样品杆加热不均匀;光杠杆放大倍数又不够大，测量精度达不到要求;所测样品受热的膨胀动态过程会引起读数误差等。这些特点，从实验测量的角度不易解决，本文所提出的采用劈尖干涉法测量能有效对这些问题改善，且便于观察测量，测量效果较好，具有一定应用推广价值。

1.实验原理

固体的线度一般随温度的升高而增加，设l0为固体在温度t=t0℃ 时的长度。则在某个温度t下，其长度 l和温度 t之间的关系为［1～2］

式中α、β是和被测物质材料有关的常数，数值极小，而α后面的各系数同α相比更小，在常温系可忽略，于是

α称为线胀系数，单位是℃－1。若物体在温度t1时的长度为l，温度升到t2时，其长度微小增加了△l，由(2)式可得:

由此两式消去l0，整理后得:

由于l(t2－t1)＞＞△lt1，所以(3)式可化简为

从上式线胀系数的定义式可以看出，要测量混凝土棒的线胀系数，只要测出△l、l、t1、t2这四个未知量即可。△l较小，不易测准，本实验用劈尖干涉来测量，l用千分尺测量，t1、t2用温度计测量。

本文所设计劈尖干涉测热膨胀系数原理如图1所示，当混凝土受热膨胀时，伸长了△l的同时，劈尖的上片(接触混凝土棒的一端)也微小位移△l，以波长为λ单色光垂直照射劈尖，从空气薄层上下表面反射的两束光，即可产生光的干涉。根据干涉条件有［3～7］

观察暗条纹时，当膜厚改变△l时，则有

若测出干涉暗条纹移动的条数△k，即可由(6)式得到△l，即为公式(4)中的△l，同时测出温度变化△t，混凝土棒在室温下的原长为l，即可由公式(4)求出α，即

2.实验装置

实验装置如图1所示，取两块较薄的光学平面玻璃(分为上下片)，上片的一端与下片的一端对齐，制成一个空气劈尖，将下片水平固定在保温杯的杯口上，将低压汞灯固定在铁支架的顶端，其次将扩束镜固定在单色低压汞灯和保温杯之间，用汞灯过透扩束镜照射劈尖。

实验装置如图1所示:

制作空气劈尖:用两块光学平板玻璃(规格为:76mm×20mm×1mm)按如图1—2所示形成劈尖角，使所形成劈尖角能是0°至5°连续变化。

混凝土棒的制作:本实验采用矿渣硅酸盐水泥(PSA 32.5)，按水泥:沙 =1∶2的比例配制成混凝土，使用薄的塑料管为模具制成长147.620mm，直径10.15mm的混凝土棒，按常规混凝土养护，待干备用。

图1 实验装置简图

图2 空气劈尖示意图

图3 实验实物平台

将单色汞灯用支架夹带固定在铁支架上，尽量保证汞灯与水平面垂直，再将保温杯放在在汞灯下面(如图3所示)。并将水泥棒、劈尖、温度计固定好。

3.实验步骤及数据测量

(1)用精度为0.002mm的千分尺多次测量备好的混凝土棒，取平均值。测得混凝土棒长度l∶147.620±0.002mm。

(2)按如图1所示搭建如图3所示实验测试平台，先将混凝土棒浸没在80℃的恒温水浴预热15分钟，然后放入装有超过80℃ 水的保温杯中。

(3)用低压汞灯(λ=546.1nm)照射劈尖，微调上片光学平面玻璃，使其两端分别搭在混凝土棒顶与下片光学平面玻璃，使所形成劈尖角小于3°，调整观察角度，能看到较清楚的干涉条纹为宜。

(4)在上片光学平面玻璃放置一根头发丝作为基准线，观察干涉明条纹水温自然冷确移动，同步记录温度计随水温自然冷确变化，每移动10个干涉明条纹记录下水温。

(5)重复(4)步骤，计算每相邻两次记录温度差△t，由(7)式计算出混凝土棒线膨胀系数。

表1 实验测量数据

图4 线胀系数 －温度分布图

4.结论

(1)在60℃ 到80℃ 测得所配常规混凝土线胀系数为9.915×10－6℃－，与工程参考值8～12×10－6℃－很好吻合。证明了用劈尖干涉测量线胀系数的可行性。

(2)对实验数据进一步分析，表2反映出混凝土温度/线胀系数关系。由表2可看出线胀系数较为集中，是物质的固有属性，因存在一定的误差使其在一定范围内变化。由于混凝土的骨料对其线胀系数存在影响［8］，本实验只采用标准标号的水泥和沙石，未添加其他材料，能保证所测得的数据合理性。

(3)实验中所用汞灯光源，原因如下:采用氦氖激光虽然是单色光源，但存在光束较细，需要使用扩束镜对其光束扩束，不方便操作，观测难度增大。但氦氖激光干涉性好，此装置进一步改进是可以考虑的。

(4)本文所设计测量方法适合常见固体热膨胀系的测量。若用常见油替代本实验用的水，其测量温度范围在 －10℃ 到200℃ 范围内较为精确测量化学性质较稳定固体的热膨胀系数。

［1］姚武，郑兴.配合比例参数对混凝土热膨胀系数的影响［J］.同济大学学报 (自然科学版)2007，(1)：77—81.

［2］卢琴，朱显鸽，惠亚芳.热膨胀系数对混凝土温度应力的影响［J］.水电能源科学.2010，(8)：106—107，170.

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

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［6］陈淑清.利用光的干涉测金属体线胀系数的方法［J］.高师理科学刊，2003， (1)：18—19.

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