推荐厂家
暂无
暂无
[color=#cc0000]摘要:本文针对低温环境,介绍了目前国内外测量混凝土热膨胀系数的标准测试方法,着重介绍低温环境下混凝土热膨胀系数测量的最新中国国家标准测试方法,对国家标准方法提出了改进建议,并介绍符合国家标准测试方法的大尺寸多样品混凝土低温热膨胀仪。 关键词:低温,混凝土,热膨胀系数,测试方法,膨胀仪[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#cc0000][b]1. 引言[/b][/color] 混凝土作为使用最广泛的建筑材料,它在室温和高温环境下的性能都得到了深入的研究。然而,在低温温度(即低于-165℃的温度)环境下混凝土的热物理性能尚未开展系统性研究。目前大多数液化天然气(LNG)储罐都采用了混凝土结构形式展,利用混凝土进行LNG主要密封的罐体设计将是未来发展的趋势,这将大大降低罐体的建造成本。因此,为了提高混凝土结构LNG储罐的安全性和长期耐久性,必须从根本上了解混凝土冷却到低温时的行为,而这些了解低温环境下混凝土的努力将集中于控制由于其部件的热膨胀系数引起的热变形和损伤增长的机制,因此准确测量低温环境下混凝土热膨胀系数是液化天然气储罐设计和建造的前提。 本文针对低温环境,将介绍目前国内外测量混凝土热膨胀系数(CTE)的标准测试方法,着重介绍低温环境下混凝土CTE测量的最新中国国家标准测试方法,对国家标准方法提出了改进建议,并介绍符合国家标准测试方法的大尺寸多样品混凝土低温热膨胀仪。[color=#cc0000][b]2. 国内外测试方法介绍[/b]2.1. 国内标准测试方法[/color] 针对低温环境下的混凝土热膨胀系数测试,我国在2015年新制订了国家标准GB 51081-2015“低温环境混凝土应用技术规范”。 在GB 51081中对低温环境混凝土热膨胀系数的样品规定了应符合现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081,试件应为边长100mm×100mm×300mm的棱柱体,每次检验应在相同条件下制作12个试件。 对低温环境下混凝土热膨胀系数测试设备GB 51081给出了下列规定: (1)低温设备应有同时容纳不少于6个试件的有效空间,应满足常温至-197℃区间各种温度的施加,应具有自动控温和给出各种降温速率的功能,恒温器件的温度波动范围应在±0.5℃内。 (2)微变形测量装置应满足各职能过低温下的测量要求,且测量精度不得低于0.001mm。[img=,690,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904012229434228_5404_3384_3.png!w690x342.jpg[/img][align=center][color=#cc0000]图2-1 低温混凝土热膨胀系数测试棱柱体样品示意图[/color][/align] 在GB 51081中对低温环境混凝土热膨胀系数的具体测量方法给出了如下规定: (1)试件标准养护应达到设计龄期时取出,并应用湿布擦去表面水分后静置于室内自然环境中。应静置14天后进行时间外观检查和尺寸测量,并应将试件分成2组,每组6个试件。 (2)应标识热膨胀系数检验棱柱体试件两端面的3个测量点位置(图2-1),并应在这3个测量位置测量棱柱体试件的长度。 (3)检验低温时的低温环境混凝土热膨胀系数,第1组试件作用的温度值应为,第2组试件作用的温度值应为。 (4)测量第1组6个试件3个测量位置处的棱柱体试件长度后,应将试件全部放于低温设备内,按不高于1℃/min速率降至,然后保持温度不变,且恒温器件的温度波动范围应在±0.5℃内。低温作用48小时后再测量试件3个测量位置处的棱柱体试件长度。 (5)测量第2组6个试件3个测量位置处的棱柱体试件长度后,应将试件全部放于低温设备内,按与第1组试件相同的降温速率降至,然后保持温度不变,且恒温器件的温度波动范围应在±0.5℃内。低温作用48小时后再测量试件3个测量位置处的棱柱体试件长度。 综上所述,针对低温环境下混凝土热膨胀系数测试设备,国标GB 51081只给出了测量温度范围、温度波动大小、样品尺寸、测量位置点和热膨胀变形测量精度的规定,并没有测试设备更详细的内容,这使得很难具体执行国标GB 51081并有效保证测量准确性。[color=#cc0000]2.2. 国外标准测试方法[/color] 目前国际上并没有针对混凝土及其结构在低温环境下的热膨胀系数标准测试方法,对于液化天然气(LNG)储罐采用的混凝土及其结构,美国混凝土协会(ACI,American Concrete Institute)制订过相应的标准ACI 376(混凝土结构冷冻液化气体容器的设计和构造规范及说明),其中关于热膨胀系数测试所推荐的标准测试方法是改进后的CRD-C 39测试方法。 国外在以往混凝土常温下的热膨胀系数测试中,大多采用的测试方法为ASTM C531、CRD-C 39、AASHTO T336和Protocol-P63,但这些方法在所测试的温度范围基本适用于常温条件下,并不能直接推广应用到低温环境。 在ASTM C531中规定了需要在烘干条件下测量CTE,其中样品长度测量的温度范围为22.8~93.9℃,通过样品长度变化量除以温度变化量来得到CTE。而CRD-C 39中规定了将样品浸入水中48小时来达到饱和条件,然后在4.4~60℃温度范围内测量样品长度。在ASTM C531和CRD-C 39中,样品长度测量都是离线式测量方式,即将达到一定恒温时间的样品从恒温器中取出,并放置在样品长度测量的比较器上。由此可见,ASTM C531和CRD-C 39并不是连续测量热应变来得到热膨胀变化行为。 AASHTO T336和Protocol-P63测试方法也规定了在饱和条件下测试CTE,测试温度范围为10~50℃。然而各种混凝土构件,特别是液化天然气(LNG)储罐采用的混凝土及其结构的实际应用温度会非常低,因此需要拓展测试温度范围以覆盖低温范围。 因此,对于液化天然气(LNG)储罐采用的混凝土及其结构,其热膨胀系数的测试需要重点考虑两方面的因素,一是温度范围的拓展以满足低温测试要求,二是样品要保持一定的湿度然后在低温下进行热膨胀系数的测量。[b][color=#cc0000]3. GB 51081标准方法的改进建议[/color][/b] 对于低温环境下的混凝土热膨胀系数测试,我国基本上基于AASHTO T336标准制订了GB 51081-2015“低温环境混凝土应用技术规范”。因此,AASHTO T336中存在的问题在低温环境下会被放大,从而严重影响测量的准确性。另外,要使得GB 51081标准方法真正能推广应用并保证CTE测试的准确性,GB 51081还需要进行重大改进,主要改进建议如下: (1)在AASHTO T336测试方法中,由于测试温度在10~50℃范围内,混凝土CTE测量装置中的辅助装置(如承台、导杆、支架等)的影响并不严重,这些辅助装置一般采用CTE较小的殷钢等材料制成就能满足要求。而按照GB 51081规定,低温环境下的最低温度要达到液氮温度(-197℃),在测试温度接近200℃这样大的温度变化范围内,CTE为1×10-6/K量级的殷钢材料的热胀冷缩影响将非常凸出。这就需要采用CTE更小的超低膨胀系数材料制作热膨胀仪的相应辅助装置,同时还需要进行热膨胀仪的基线校准来进一步降低热膨胀仪的系统误差。 (2)在AASHTO T336测试方法中,由于测试温度在10~50℃范围内,样品温度变化并不会对LVDT探测器带来明显的影响。同样,低温环境下的CTE测试,低温环境就会对安装在室温环境下的LVDT探测器产生明显影响,特别是对探测器的支撑板和固定架的温度影响从而带来探测器自身位置的改变。因此,在测试方法中要规定出LVDT探测器及其相关装置的温度变化范围,这方面的影响往往是重要的测量误差源。 (3)在GB 51081标准中缺乏校准样品相关条款,建议在GB 51081标准中增加与AASHTO T336类似的校准样品相关条款,即校准样品的CTE测定必须由第三方实验室测定,测试方法应采用ASTM E228或ASTM E289。此外,第三方实验室的CTE测定必须在与GB 51081相同的温度范围内进行,即低温要达到-197℃。[b][color=#cc0000]4. 低温环境混凝土热膨胀测定仪设计[/color][/b] 为了实现低温环境下混凝土热膨胀系数测试,上海依阳实业有限公司专门设计了一种大尺寸多样品的低温混凝土热膨胀测定仪。混凝土低温膨胀仪一种测试混凝土块体低温下线膨胀系数的测试设备,测量方式为接触方式,整体结构如图4-1所示。此低温热膨胀仪依据测试标准为国家标准GB 51081-2015“低温环境混凝土应用技术规范”,测试温度范围为室温~196℃。[align=center][img=,690,397]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904012230310478_4454_3384_3.png!w690x397.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center]图4-1 低温混凝土热膨胀系数测定仪结构示意图[/align] 此混凝土低温膨胀仪具有测试试样体积大、可多样品同时测量的特点,适合大批量样品的连续测量。 混凝土低温膨胀仪由计算机进行自动控制和检测,自动进行样品温度的监控、自动进行样品变形量的监控以及自己进行测试结果计算。 按照标准方法规定每个样品需测试三个位置点处的热变形。“低温腔体”采用侧开门结构,开启侧门安装或取出样品,使得被测样品处于“低温腔体”内进行升降温。[color=#cc0000][b]5. 参考文献[/b][/color] AASHTO TP60,Standard Test Coefficient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete,In American Association of State Highway and Transportation Officials,Standard Specifications for Transportation Materials and Methods of Sampling and Testing,Washington, DC, 2000. CRD-C 39-81,Standard Test Method for Coefficient of Linear Thermal Expansion of Concrete,US Corps OF ENGINEERS,1981. ASTM C531-00,Standard Test Method for Linear Shrinkage and Coefficient of Thermal Expansion of Chemical-Resistant Mortars,Grouts,Monolithic Surfacings,and Polymer Concretes,ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]
关于有关顶杆热膨胀仪的几个问题作者美国安特公司的王恒博士1.如果想达到更高的准确度,应该用非接触干涉膨胀仪。干涉膨胀仪的优点是,光学非接触、绝对测量、测量准确度高。但造价昂贵、仪器结构及操作都很复杂、温度不容易超过1000℃,对样品形状及表面要求苛刻,不适用于材料的烧结过程的研究。一般,为建立一级热膨胀标准的权威机构采用非接触干涉膨胀仪为主要手段。请注意一下,干涉计本身的测长很准,但组装在膨胀仪上后,因为与样品有关的热系统的关系,对于样品的随温度变化的真正伸长量的测量准确度会随温度升高而下降。比如在日本计量所作的双路差频干涉计和在美国西海岸的Precision Mesurement and Instrument Corp作的迈可耳逊干涉计,其本身的位移变化量可测到1nm到3nm左右,但用在热膨胀测量应用上,因热系统的各部份的热变形等原因,“零点漂移”在几百度时就达到了30至50nm,属于随机误差,不能修正的。请见国际热物理杂志Internation1 J. Thermophys. Vo1 23, No.2,2002年3月的文章“Development of a Laser Interferometric Dilatometer for Measurment of Thermal Expansion of Solid in Temperature range 300 to 1300K”d在的549页关于干涉仪的零漂的3.2节中的图4中,在300 to 1300K的温度范围内的零漂达到了50nm。这是不能修正的,必须考虑在误差分析内。因此,对于干涉法热膨胀仪来讲,伸长量的测量准确度受系统的热稳定性影响而不能达到干涉计本身的测长准确度的。商品化的干涉膨胀仪的最高温度是700℃。2.作为最传统的热膨胀仪的测量手段的顶杆法热膨胀仪的优点是,使用容易、结构简单适用各种形状的样品等。缺点是,属于接触、相对测量方法,需要用标准样品对系统定标,测长准确度低,但可达到很高温度,适用于材料的烧结过程的研究。顶杆法热膨胀仪结构特点是,用比样品长几倍的顶杆与试样接触,把试样的长度变化传递给加热炉外的与其接触的位移传感器。这样,在顶杆上存在从高温(试样)到室温(位移传感器)的温度变化,整体的热稳定性或者说“热环境”与干涉膨胀仪的情况比,就“差”了更多,温度超高越严重,这是自然引起而不可避免的。这是不能用标准样品的定标来完全消除的。这将导致位移传感器读数的波动,在有些情况下,甚至导致测量结果的突变。在文章“Examination of Thermal Expansion Uniformity of Glassy Carbon as a Candidate Standard Reference Material For Thermal Expansion Measurements”中的第94页第一段,指出对于玻璃碳材料的测量,第一次的测量结果不可靠而必须取消,在高温段和低温段的数据也要取消。即使顶杆法热膨胀仪的位移传感器本身测量准确度能达到了0.1微米以下,对试样的热膨胀量引起的真正伸长量测量准确度也很难说达到0.1微米。日本计量所曾把一个双路差频干涉计组装到一台顶杆法热膨胀仪的位移测量的头部作过实验,表明了这一点。当时的课题是考核顶杆法热膨胀仪的特性。就好比是用微伏电压表接一般的热电偶测温,尽管电压表可以读到微伏,但在毫伏读数以下对测温已没有任何意义了。3.LVDV本身的测量位移量的准确度达不到nm量级(1)目前最好螺旋测微仪的准确度是±1微米。Nech用于标定LVDT的是螺旋测微仪,所有的被定标的仪器的测量准确度不可能超过用于定标的仪器的测量准确度,所以即使用最好的螺旋测微仪定标,其热膨胀仪的LVDT也不可能得到优于1微米的准确度。离开准确度,来谈灵敏度是没有实际意义的。在日本计量所考核Netzsch的DIL402时,为了修正LVDT的读数,正是基于这个道理,用双路差频干涉计而不用螺旋测微仪。(2)LVDT的线性度用双路差频干涉计对Netzsch 的DIL402的LVDT的考察的结果表明,当位移量为105.23微米时,LVDV的读数与干涉计的读数的偏差达到0.69微米。因此,线性度实际上为0.66%之大,已排出了热效应的影响。而在NETZSCH的所有产品中,并没有对线性度进行修正的。这也说明了所谓nm量级读数的不正确性,是没有意义的。(3)在TN105中提到的其它因素,如对电压、温度、处理电路等极其敏感,易引起漂移,等等,其nm量级的读数在噪声之中。需要经常进行定标等。4.采用数字位移传感器在顶杆热膨胀仪上,比LVDV有很多的优点,请见TN105数字位移传感器的0.5微米的测长分辨率(也可以说准确度),对于顶杆热膨胀仪来讲,具有实际的意义,完全满足顶杆热膨胀仪的各种应用场合。5.对于低膨胀(如10-7/K)量级的材料在有限的温度范围内(如几十度)内的热膨胀的高精度的测量,顶杆热膨胀仪不适用,应采用非接触绝对的干涉热膨胀仪,并用阶梯等温的加热方式。我们接到过超低膨胀(如10-7/K)的材料在有限的温度范围内的高精度的测量的课题,比如说,一组10-7/K的量级的玻璃,要求分辨出不同成份、工艺下对热膨胀的影响。曾用Netzsch的DIL402和双路差频干涉膨胀仪进行了研究,同时也对DIL402的测量误差进行分析。结果表明,干涉膨胀仪能在10℃的温度间隔内,分辨到1.5X10-8/K,这里的分辨指的是在可能 的最大测量误差范围(或者说是极限误差,3σ程度)外。如果最大测量误差大于1.5X10-8/K,就不能说分辨到1.5X10-8/K。而DIL402的结果(加热范围为300℃,已得到足够的膨胀量),对于所有的材料都没有给出意义的分辨,因所测的各种材料的热膨胀率都在其测量误差范围内,即在12X10-8/K(最大误差,3σ)的误差带内。作为这一课题的附带结果再次表明,Netzsch关于达到1.25nm/digit的测长sensitivity的声称是没有实际意义的。如果有意义的话,已达到了干涉热膨胀仪的测长精度,而为什么实际的测量误差却是干涉热膨胀仪的测量误差的10倍?!有任何问题,欢迎随时交流。
关于有关顶杆热膨胀仪的几个问题作者美国安特公司的王恒博士1.如果想达到更高的准确度,应该用非接触干涉膨胀仪。干涉膨胀仪的优点是,光学非接触、绝对测量、测量准确度高。但造价昂贵、仪器结构及操作都很复杂、温度不容易超过1000℃,对样品形状及表面要求苛刻,不适用于材料的烧结过程的研究。一般,为建立一级热膨胀标准的权威机构采用非接触干涉膨胀仪为主要手段。请注意一下,干涉计本身的测长很准,但组装在膨胀仪上后,因为与样品有关的热系统的关系,对于样品的随温度变化的真正伸长量的测量准确度会随温度升高而下降。比如在日本计量所作的双路差频干涉计和在美国西海岸的Precision Mesurement and Instrument Corp作的迈可耳逊干涉计,其本身的位移变化量可测到1nm到3nm左右,但用在热膨胀测量应用上,因热系统的各部份的热变形等原因,“零点漂移”在几百度时就达到了30至50nm,属于随机误差,不能修正的。请见国际热物理杂志Internation1 J. Thermophys. Vo1 23, No.2,2002年3月的文章“Development of a Laser Interferometric Dilatometer for Measurment of Thermal Expansion of Solid in Temperature range 300 to 1300K”d在的549页关于干涉仪的零漂的3.2节中的图4中,在300 to 1300K的温度范围内的零漂达到了50nm。这是不能修正的,必须考虑在误差分析内。因此,对于干涉法热膨胀仪来讲,伸长量的测量准确度受系统的热稳定性影响而不能达到干涉计本身的测长准确度的。商品化的干涉膨胀仪的最高温度是700℃。2.作为最传统的热膨胀仪的测量手段的顶杆法热膨胀仪的优点是,使用容易、结构简单适用各种形状的样品等。缺点是,属于接触、相对测量方法,需要用标准样品对系统定标,测长准确度低,但可达到很高温度,适用于材料的烧结过程的研究。顶杆法热膨胀仪结构特点是,用比样品长几倍的顶杆与试样接触,把试样的长度变化传递给加热炉外的与其接触的位移传感器。这样,在顶杆上存在从高温(试样)到室温(位移传感器)的温度变化,整体的热稳定性或者说“热环境”与干涉膨胀仪的情况比,就“差”了更多,温度超高越严重,这是自然引起而不可避免的。这是不能用标准样品的定标来完全消除的。这将导致位移传感器读数的波动,在有些情况下,甚至导致测量结果的突变。在文章“Examination of Thermal Expansion Uniformity of Glassy Carbon as a Candidate Standard Reference Material For Thermal Expansion Measurements”中的第94页第一段,指出对于玻璃碳材料的测量,第一次的测量结果不可靠而必须取消,在高温段和低温段的数据也要取消。即使顶杆法热膨胀仪的位移传感器本身测量准确度能达到了0.1微米以下,对试样的热膨胀量引起的真正伸长量测量准确度也很难说达到0.1微米。日本计量所曾把一个双路差频干涉计组装到一台顶杆法热膨胀仪的位移测量的头部作过实验,表明了这一点。当时的课题是考核顶杆法热膨胀仪的特性。就好比是用微伏电压表接一般的热电偶测温,尽管电压表可以读到微伏,但在毫伏读数以下对测温已没有任何意义了。3.LVDV本身的测量位移量的准确度达不到nm量级(1)目前最好螺旋测微仪的准确度是±1微米。Netzsch用于标定LVDT的是螺旋测微仪,所有的被定标的仪器的测量准确度不可能超过用于定标的仪器的测量准确度,所以即使用最好的螺旋测微仪定标,其热膨胀仪的LVDT也不可能得到优于1微米的准确度。离开准确度,来谈灵敏度是没有实际意义的。在日本计量所考核Netzsch的DIL402时,为了修正LVDT的读数,正是基于这个道理,用双路差频干涉计而不用螺旋测微仪。(2)LVDT的线性度用双路差频干涉计对Netzsch 的DIL402的LVDT的考察的结果表明,当位移量为105.23微米时,LVDV的读数与干涉计的读数的偏差达到0.69微米。因此,线性度实际上为0.66%之大,已排出了热效应的影响。而在NETZSCH的所有产品中,并没有对线性度进行修正的。这也说明了所谓nm量级读数的不正确性,是没有意义的。(3)在TN105中提到的其它因素,如对电压、温度、处理电路等极其敏感,易引起漂移,等等,其nm量级的读数在噪声之中。需要经常进行定标等。4.采用数字位移传感器在顶杆热膨胀仪上,比LVDV有很多的优点,请见TN105数字位移传感器的0.5微米的测长分辨率(也可以说准确度),对于顶杆热膨胀仪来讲,具有实际的意义,完全满足顶杆热膨胀仪的各种应用场合。5.对于低膨胀(如10-7/K)量级的材料在有限的温度范围内(如几十度)内的热膨胀的高精度的测量,顶杆热膨胀仪不适用,应采用非接触绝对的干涉热膨胀仪,并用阶梯等温的加热方式。我们接到过超低膨胀(如10-7/K)的材料在有限的温度范围内的高精度的测量的课题,比如说,一组10-7/K的量级的玻璃,要求分辨出不同成份、工艺下对热膨胀的影响。曾用Netzsch的DIL402和双路差频干涉膨胀仪进行了研究,同时也对DIL402的测量误差进行分析。结果表明,干涉膨胀仪能在10℃的温度间隔内,分辨到1.5X10-8/K,这里的分辨指的是在可能 的最大测量误差范围(或者说是极限误差,3σ程度)外。如果最大测量误差大于1.5X10-8/K,就不能说分辨到1.5X10-8/K。而DIL402的结果(加热范围为300℃,已得到足够的膨胀量),对于所有的材料都没有给出意义的分辨,因所测的各种材料的热膨胀率都在其测量误差范围内,即在12X10-8/K(最大误差,3σ)的误差带内。作为这一课题的附带结果再次表明,Netzsch关于达到1.25nm/digit的测长sensitivity的声称是没有实际意义的。如果有意义的话,已达到了干涉热膨胀仪的测长精度,而为什么实际的测量误差却是干涉热膨胀仪的测量误差的10倍?!有任何问题,欢迎随时交流。