混凝土收缩膨胀仪试验标准

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  • 混凝土收缩膨胀仪HSP-540是混凝土检测仪器,使用前务必仔细阅读说明书。并由实验人员操作,以避免操作不当引起的伤害。如需了解更多资料请与我公司客服人员联系。混凝土收缩膨胀仪由上海荣计达仪器科技有限公司提供,设备质保期一年,一年内产品如有质量问题,供方负责免费维修。如果因操作不当或者人为损坏,我公司亦应提供维修、更换服务,由此产生的费用我公司会酌情收取。混凝土收缩膨胀仪是最新标准混凝土收缩膨胀仪,符合GBJ82-85的规定,用于测量砼试件在某一环境条件下,硬化过程中长度(体积)发生变化的专用仪器,混凝土收缩膨胀仪可为建筑可研究院所、教育部门、设计和施工单位对砼的特性进行研究、教育、质量控制和检测提供可靠依靠。混凝土收缩膨胀仪HSP-540技术参数:1、测量范围:534-545mm 2、标准杆长度:540±0.2mm 3、试件尺寸:100*100*515 150*150*515 200*200*515 4、百分表量程:0-10mm 5、百分表最小刻度值:0.01mm 6、外形尺寸(长*宽*高):670*240*180mm 7、质量:≈13kg HSP-540混凝土收缩膨胀仪结构及功能混凝土收缩膨胀仪由底座、定位立柱、可调立柱、百分表、标准杆等组成。 1、底座为钢结构部件、用于安放砼试块之用。 2、定位立柱,用于标准杆和砼试块测头左侧端的纵横向限位。 3、可调立柱,其商埠预制有3个安装百分表的通孔和帮助百分表定位的紧定螺钉。三个通孔分别距底座基准面50mm,75mm,100mm 距底座基准面50mm的孔,用于测量100*100*515规格的砼试块;距底座基准面75mm的孔,用于测量150*150*515规格的砼试块(由于试模规格只有150*150*600,应次建议使用试模缩短件,使砼试块成形尺寸变为150*150*515)。 4、标准杆,以此作为仪器的基准长度。出厂前标准杆已安装在标准杆搁架上,请不要随意拆装,以免影响标准杆中心高度的准确性。标准杆各侧面的50、75 100字样,表示该处如放在底座基准面上,则标准赶9的中心高分别为50mm、75mm、100mm。HSP-540混凝土收缩膨胀仪操作与使用 1、选取您所需的标准杆中心高,将标准杆左侧一端((如结构图)靠在定位立柱凹槽内,标准杆搁架下平面紧贴底座的基准面,然后将标准杆另一端慢慢推入仪器的中心部位。2、拧松紧定螺钉,将百分表慢慢插入您所选用的可调立柱孔内,使百分表测头与标准杆右端接触,然后拧紧紧定螺钉,使百分表在仪器上定位。读记此时百分表的刻度。 3、砼试件的安放方法与1相同。 4、砼试件的制作、养护及收缩、膨胀试验按GBJ82-85等有关标准进行。HSP-540混凝土收缩膨胀仪注意事项 1、混凝土收缩膨胀仪应安放在平整的工作台上,其四个脚应受力均匀,切忌三点着力,以防仪器变形而影响精度。 2、标准杆是仪器的基准长度单位,必须轻拿轻放,防止变形。 3、百分表为精密部件,试件放置及取出时应轻稳仔细,切勿碰撞表架及表杆。 4、每次使用完毕,应在非油漆件表面涂少许润滑油,在百分表活动零件表面涂仪表油。5、粉尘浓度高的环境或较长时间停用,应采取防尘措施。
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  • 注意事项1. 仪器应安放在平整的工作台上,支撑可靠。2. 标准杆须小心轻放,不能碰伤两端球面,也不能有弯曲变形。3. 千分表为精密部件,试件在放置及取出时应轻稳仔细,切勿碰撞表杆。使用完毕后应取下装盒。及时检查电池电量,当出现数字错误或无法清零等情况应及时更换同型电池。表杆上仪表油。4. 每次使用完毕后,应在非油漆表面涂少许润滑油,防尘处理。操作规程1. 使用前3小时将仪器及标准杆放置在20℃±2℃的测量室内。支起支腿。2. 测量前用标准杆及架板一起在V形槽内校正长度,旋松千分表紧定螺钉,调节千分表位置,使测量头端面轻触标准杆球头,拧紧紧定螺钉,固定千分表。清零千分表,移出标准杆。3. 混凝土试件的放置方法类似标准杆。4. 混凝土试件的制作、养护、测量、计算可按标准GB 50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》相关条文或附录进行。主要结构简介1. 本仪器由基座、支腿、标准杆、千分表等组成。2. 基座为V形槽结构,具有对中性好,易于安放试块等优点,用于安放试块、标准杆。3. 支腿为铰链结构,支起支腿可使仪器在平台上保持30°倾角,不用时收起,便于放置。4. 标准杆作为仪器的标准长度,用以校正仪器、定位千分表位置。
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  • NELD-LS730型非接触法激光收缩膨胀测定仪,采用进口高精度激光位移传感器,对水泥、砂浆、混凝土等其它任何材料的收缩膨胀进行精确测量,并具备任意双通道测量横向试件,单通道纵向测量水泥等胶凝材料的早龄期自由收缩测量。进口激光位移传感器,是利用激光技术对被测物体的位置、位移进行精确地非接触的测量,具有灵敏度高,精确性强、稳定可靠、零点漂移小的特点。该产品可实现1~6通道选配使用,同时可以实现1~6通道每个通道单独使用,宜可对测使用。一机多能,测量技术先进,适应范围广泛。是目前市场上独一无二的既可测量水泥膨胀收缩,又可测量混凝土膨胀收缩的高精度产品。测量通道: 1、2、6 可选激光传感器: 进口测试方向: 可以竖向单测,可以横向对测测量范围: 单通道±5mm、双通道±10mm重复精度: 1μm操作屏幕: 8寸触摸屏断电记忆: 断电重启,数据自动恢复记忆,试验可继续数据呈现: 实时绘制试验曲线,快速查看数据列表输入电压: AC220V±10%,50Hz主机外形尺寸: 350×340×325(mm)主机重量: 9kg
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  • 混凝土公路设计中的热膨胀系数

    混凝土公路设计中的热膨胀系数

    [color=#990000]摘要:本文编译自美国交通部联邦公路管理局的技术简报,该技术简报描述了混凝土的热膨胀系数(CTE),其在混凝土路面行为中的作用,以及如何确定混凝土路面设计和分析目的的建议。讨论了“力学-经验路面设计指南”中混凝土路面性能预测模型的敏感性。描述了用于确定或估算CTE的实验室测试和其他方法,并总结了来自“长期路面性能”对路面部分的岩心所进行CTE的实验室测试结果,提供实用的指导路线来确定或估算CTE,并在设计和建造混凝土路面时考虑CTE对混凝土板对温度变化响应的影响。[/color][color=#990000]关键词:热膨胀系数,混凝土测试,混凝土公路设计,力学-经验路面设计指南[/color][color=#990000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][color=#990000]1. 引言[/color][/b]  混凝土在温度升高时膨胀,在温度降低时收缩。衡量温度变化对混凝土体积变化的影响称为混凝土的热膨胀系数(CTE),定义为温度变化一度时单位长度变化量。混凝土路面混合物的CTE取决于骨料类型和饱和度。  由于粗骨料占混凝土体积的大部分,因此对混凝土CTE影响最大的因素是粗骨料的CTE。混凝土路面施工中常用的粗骨料类型中石英的CTE最高,其他常用粗骨料类型的CTE在很大程度上取决于其石英含量。根据所用骨料类型,混凝土CTE的典型值如表8-1所示。[align=center][color=#990000]表8-1 混凝土骨料类型的热膨胀系数(CTE)(LTPP标准日期版本25.0)[/color][/align][align=center][img=混凝土骨料类型的热膨胀系数,800,448]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/03/201903251803468244_6004_3384_3.png!w900x505.jpg[/img][/align]备注1. 在LTPP标准数据25.0版本(2011年1月)中共提供了2991个CTE数据,由于骨料类型没有定义或主要骨料类型只提供了一个样品,其中628个数据无法使用,另外11个CTE异常数据并未包含在此数据表中。 粗骨料对CTE值的影响最大,但细骨料也是一个影响因素。天然砂通常含有高二氧化硅(高CTE),而制造的碎石灰石细骨料的CTE则较低。  水泥浆的CTE对水分含量非常敏感,但由于粗骨料的影响减弱使得混凝土的CTE较低(Powers和Brownyard,1947;Yeon等人,2009)。混凝土的CTE在相对湿度约70%时最高,当混凝土完全饱和时CTE会降低20~25%(美国陆军COE 1981)。[b][color=#990000]2. CTE如何影响混凝土路面行为变化[/color][/b]  混凝土响应温度变化时在体积上的改变是混凝土路面多种行为的起因,混凝土路面中每天和季节性温度循环变化导致衔接和裂缝的循环打开和关闭。为了使横向开裂最小化,使用具有高CTE的混凝土构造的连接路面可能需要比具有较低CTE的混凝土路面更短的接缝间距,这将增加初始建造的成本。  在白天,当混凝土路面的顶部比路面的底部更热时,混凝土将在路面的顶部膨胀而不是在底部。如果不限制这种不同的变形(通过横向接头处的销钉、纵向接头处的连杆或两者,以及路面自身的重量),则路面将向下卷曲。另一方面,如果沿着路面边缘限制路面的白天向下卷曲,结果将造成混凝土和销钉之间的支撑应力更高。  同样,在夜间,当混凝土路面顶部冷比路面底部更冷时,混凝土将在路面顶部收缩而不是在底部收缩。如果这种差异变形不受限制(通过横向接头处的销钉,纵向接头处的连杆或两者),则路面将向上卷曲。另一方面,如果沿着路面边缘限制路面的夜间向上卷曲,则结果将是混凝土和销钉之间的支撑应力更高。  如果路面下方的基层足够柔软,则路面可以向上或向下卷曲,并且仍然与路面中间的基层和沿其边缘保持完全接触,如果路面平坦且与基层完全接触,则由交通车辆载荷引起的应力将不会差别很大。然而,如果路面下方的基层足够坚硬,且当路面响应深度方向温度梯度而向上或向下卷曲时,一部分路面会卷曲而不与基层接触,由交通车辆载荷对路面引起的应力将大于路面平坦且与基层完全接触时的情况。这种向上卷曲在夜间尤其是一个问题,当路面边缘和拐角处的支撑减少将导致交通车辆荷载下边缘和拐角处的应力增加。  混凝土的CTE对连续钢筋混凝土路面(CRCP)的性能也有影响。CRCP中的钢含量设计为可以达到相当均匀的裂缝间距,并且是在约1~2米范围内。裂缝间距太短可能会增加冲孔的可能性,裂缝间隔过长可能会增加钢材断裂的可能性。如果混凝土的CTE高于钢设计中的假定(或隐含值),则可能无法实现所希望的裂缝间距和均匀性。因此,在设计阶段确定混凝土CTE(基于过去的经验或新测试)、调整设计以达到所需的性能水平并要求在施工期间验证CTE值就变得非常重要。[color=#990000][b]3. 热膨胀系数测试方法[/b][/color]  确定混凝土CTE的AASHTO测试方法是T 336-11。该实验室测试包括测量直径为10 mm的饱和混凝土芯材或圆柱体的长度变化,同时温度从10℃升至50℃然后将温度降低到10℃。混凝土样品和测量装置完全浸泡在水浴中以在测试期间保持混凝土的饱和度,虽然100%饱和度混凝土的CTE不如水分含量稍低时CTE,但实验室测试是在饱和样品上进行以便控制水分含量。来自两家供应商的CTE测试设备和安装在CTE测试设备中的混凝土样品如图8-1所示。[align=center][img=测试设备测量混凝土的CTE,900,298]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/03/201903251806355253_264_3384_3.png!w900x298.jpg[/img][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图8-1 在FHWA混凝土实验室使用的测试设备测量混凝土的CTE[/color][/align]  在进行膨胀(加热)和收缩(冷却)段期间的测量时,需要对测量进行调整以考虑温度变化对测试设备本身的影响,通过计算两个测试段中每度温度变化的样品长度变化,并除以样品长度得到混凝土的CTE。必要时重复测试过程,直到在膨胀段和收缩段测试的CTE值相差在每度每百万分之0.3之内。然后将混凝土的CTE计算值确定为获得的两个连续CTE值的平均值,一个来自测试的膨胀段,一个来自测试的收缩段。  美国陆军工程兵团有一个类似的测试方法来确定混凝土的CTE(美国陆军COE 1981),该测试方法CRD-C 39-81指出测试在5~60℃的温度范围内进行。工程兵团测试方法指出,当混凝土试样的长度变化仅在两个温度点之间进行测量时,应报告单个CTE值,但是当在一系列不同温度下进行长度变化测量时,应给出CTE与温度的关系曲线,并应说明不同温度区间的CTE计算值。[b][color=#990000]4. 力学-经验公路设计指南推荐的测定热膨胀系数[/color][/b]  对于1级设计:此级别需要输入最高精度且被认为适用于最重要项目。力学-经验路面设计指南(MEPDG)建议对混凝土样品进行实验室测试以确定CTE(AASHTO 2008)。  许多国家已开始使用其典型骨料来描述其典型的普通水泥混凝土混合物,并将这些CTE值存储在数据库中。他们将根据项目位置将这些值用作CTE输入。通过定义,这些值不是1级输入,但它们是比2级或3级输入更真实的输入。  对于2级设计:此级别被认为适用于常规、实际项目。MEPDG建议将混凝土CTE估算为骨料和水泥浆的CTE值的平均值,相对于它们在混合物中的体积比例。  对于3级设计:此级别是需要输入精度最低的级别。MEPDG允许使用典型的CTE值。要使用的值应该是要在项目中使用的骨料类型制作的混凝土的典型值。表 81提供了从“长期路面性能(LTPP)”项目中实验室对芯材测试获得的混凝土CTE范围,应该注意的是,这些值是基于来自美国和加拿大的骨料。根据矿物的不同,这些CTE值可能在不同地区有显著差异。  MEPDG(ARA-ERES 2004)基于未校正的LTPP CTE数据和其他来源(Mindess和Young 1981 Kosmatka等2002 Jahangirnejad等2008 )还提供了不同类型骨料典型混凝土CTE信息。[b][color=#990000]5. CTE如何影响MEPDG的性能预测[/color][/b]  MEPDG将CTE确定为混凝土材料关键响应计算所需的输入参数之一,混凝土的CTE值对路面开裂的预测具有显著影响,并且在较小程度上对MEPDG的连接断裂具有影响(Malella等人,2005)。这两种危害都在MEPDG对路面不平整度预测中起着作用,较高的CTE值对应于更大的路面开裂预测量、更大的连接断裂和更大的路面不平整度。[b][color=#990000]6. CTE测试和MEPDG危害模型[/color][/b]  JCP新的力学-经验路面设计指南(MEPDG)模型是使用LTPP数据库开发的,使用的LTPP数据参数之一是混凝土CTE。由于发现用于原始混凝土路面危害模型开发的混凝土CTE数据是错误的(Crawford等人2010),当时使用的是AASHTO TP 60-00(AASHTO 2005)测试方法,使用此方法导致CTE测量值偏高。对于用于校准CTE测试框架的304不锈钢校准样品,TP 60试验方法推荐值为17.3×10-6/℃,但根据ASTM E 228测定的304不锈钢试样的CTE为15.0×10-6/℃,使用这些错误的CTE数据对于混凝土而言造成实际使用的混凝土CTE相同比例的偏低。  用于校准CTE测试框架的不锈钢校准样品CTE测试方法已在新的AASHTO T 336标准方法(AASHTO 2011; Tanesi等人2010)中得到颁布,使用新的测试方法测定的CTE值低于使用TP 60-00测试方法测定的CTE值。LTPP标准数据版本24.0及更高版本中的CTE值已经过校正,以符合T 336测试方法,并且是表8-1中报告的方法。  截至2011年8月,混凝土路面危害模型已纳入最近发布的(2011年7月)DARWin-ME?软件(包含MEPDG版本1.1危害模型),此版本软件是基于使用TP 60-00测试方法确定的CTE值。因此,建议Darwin ME用户使用未经修正的CTE值,如AASHTO于2008年出版的“力学-经验路面设计指南:实践手册”(临时版)表11-5中所列数据,或使用根据TP 60-00测试方法确定的CTE数据。如果使用T 336标准确定可用的CTE数据,则应调整CTE值以与DARWin-ME一起使用,方法是将校准棒假定的CTE(17.3×10-6/℃)与ASTM E 228测量304不锈钢校准样品的CTE值之间的差值相加,差值约为1.5×10-6/℃。[b][color=#990000]7. 推荐[/color][/b]  MEPDG提供了量化混凝土CTE对JCP和CRCP预测性能影响的机会,MEPDG对JCP路面裂缝的预测对所输入的CTE敏感,在较小程度上,MEPDG对连接断裂的预测也是如此。这两种危害都在MEPDG对路面不平整度的预测中起着作用。  鉴于MEPDG的几个混凝土路面危害模型对混凝土CTE输入的敏感性,对于1级设计,应通过对具有相同骨料类型和混合设计以及应用在路面结构中的圆柱体样品进行测试来确定CTE(使用AASHTO T 336-11测试方法)。  对于3级设计,应使用表8-1中提供的数据。这些数据是对LTPP混凝土路面的数百个芯材进行实验室测试后获得的平均CTE值,也是几个来源报告中的混凝土CTE的典型中间值。  如上所述,重要的是如果使用DARWin-ME软件(包含MEPDG 1.1版危害模型),如果使用AASHTO T 336方法确定这些值,则应对CTE值进行调整,否则直接使用表8-1中的CTE值。  [b][color=#990000]8. 参考文献[/color][/b]  American Association of State Highway and Transportation Of?cials (AASHTO), “Standard Method of Test for Coef?cient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete,” T 336-11, Washington, DC, 2011.   American Association of State Highway and Transportation Of?cials (AASHTO), Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide: A Manual of Practice, Interim Edition, Washington, DC, 2008, p. 120.   American Association of State Highway and Transportation Of?cials (AASHTO), “Standard Method of Test for Coef?cient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete,” TP 60-00, Washington, DC, 2005.   ARA-ERES, Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures, NCHRP Project 1-37a, Final Report, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC, 2004.   Crawford, G., J. Gudimettla, and J. Tanesi, “Inter- laboratory Study on Measuring Coef?cient of Thermal Expansion of Concrete,” presented at the Annual Meeting of the Transportation Research Board, Washington, DC, January 2010.   Jahangirnejad, S., N. Buch, and A. Kravchenko, “A Laboratory Investigation of the Effects of Aggregate Geology and Sample Age on the Coef?cient of Thermal Expansion of Portland Cement Concrete,” presented at the Annual Meeting of the Transportation Research Board, Washington DC, January 2008.   Kosmatka, S. H., B. Kerkhoff, and W. C. Panerese, Design and Control of Concrete Mixtures, Engineering Bulletin EB001, 14th ed., Portland Cement Association, Skokie, IL, 2002.   Malella, J., A. Abbas, T. Harman, C. Rao, R. Liu, and M. I. Darter, “Measurement and Signi?cance of the Coef?cient of Thermal Expansion of Concrete in Rigid Pavement Design,” Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 1919, 2005, pp. 38-46.   Mindess, S., and J. F. Young, Concrete, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1981.   Powers, T. C., and T. L. Brownyard, “Studies of the Physical Properties of Hardened Cement Paste,” Proceedings of the American Concrete Institute, Vol. 43, 1947, p. 988.   Tanesi, J., G. L. Crawford, M. Nicolaescu, R. Meininger, and J. M. Gudimettla et al., “New AASHTO T336-09 Coef?cient of Thermal Expansion Test Method: How Will It Affect You?” in Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 2164, pp. 52-57, 2010.   U.S. Army Corps of Engineers, “Test Method for Coef?cient of Linear Thermal Expansion of Concrete,” CRD-C 39-81, issued 1 June 1981.  Yeon, J. H., S. Choi, and M. C. Won. “Effect of Relative Humidity on Coef?cient of Thermal Expansion of Hardened Cement Paste and Concrete,” Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 2113, 2009, pp. 83-91.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

  • 低温环境混凝土热膨胀系数测试技术研究

    低温环境混凝土热膨胀系数测试技术研究

    [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]

  • 美国重大事故——美国混凝土热膨胀系数测试方法重大错误的验证和分析

    [color=#cc0000]摘要:针对路面混凝土热膨胀系数(CTE)测试,国内外普遍使用的测试方法AASHTO TP60因被发现由重大错误,后经过重大修改并由AASHTO T336所替代。本文将回顾发现AASHTO TP60中重大错误的整个过程,指出在制订TP60测试方法过程中存在的问题,提醒国内混凝土CTE测试机构和相关单位及时更改测试方法和相关设计数据,并对新的AASHTO T336测试方法提出进一步完善的建议,并为今后高温和低温环境下的混凝土热膨胀系数测试提供借鉴。[/color][color=#cc0000][/color][color=#cc0000]关键词:热膨胀系数,混凝土,路面混凝土设计,测试方法[/color][color=#cc0000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#cc0000][b]1. 引言[/b][/color]  随着我国基础建设的飞速发展,越来越多的公路路面采用了水泥混凝土,这主要是因为水泥混凝土具有高强度和高稳定性等优点,但路面板边缘过早破坏、面板开裂、横缝错台等危害一直困扰着道路工程界。大量研究发现混凝土的热膨胀系数(CTE)是影响路面水平裂缝以及其它危害发生的主要原因,CTE越大,路面越容易出现开裂和疲劳破坏。在近些几年中对CTE测试的兴趣显著增加,因为它被认为是用于混凝土路面设计最重要的输入参数之一。  有多种测试方法可用于测定混凝土的CTE,文献做了详细的综述介绍。纵观各种混凝土CTE测试方法,最广泛使用的是AASHTO TP60,它是所有混凝土CTE测试的基础,AASHTO TP60测试方法广泛使用的另外一个原因是其测量装置也可以被其它测试方法使用。  TP60的测量原理非常简单,它测量垂直放置在金属框架内的饱和混凝土样品的长度变化,该金属框架受特定温度变化的影响。控温水浴用于改变测试方法规定的温度范围,通过测量已知CTE的校准样品长度变化来消除框架的变形影响。  对于任何材料性能测试方法和测量装置的测量准确性考核和评价,一般都采用以下几种方式:  (1)测试可计量溯源的标准参考材料,测试结果与标准值比较;  (2)测试经更高等级测试设备验证过的参考材料,测试结果与参考值比较;  (3)多个实验室不同测试设备之间的比对测试。  美国联邦公路管理局(FHWA)的Turner-Fairbank高速公路研究中心(TFHRC)为了评估AASHTO TP60测试方法的准确性,采用了上述第二种方式,选择了几种参考材料并经第三方实验室采用更高等级的测试设备对参考材料CTE进行测量。在此评价过程中发现了使用了近十多年之久的AASHTO TP60存在着重大错误,并及时做出了修改,从而推出了新的测试方法AASHTO T336,但以往错误所带来的影响和后果非常严重,造成大面积的数据库和设计软件的修改等。  本文将回顾发现混凝土CTE测试方法AASHTO TP60中重大错误的整个过程,指出在制订TP60测试方法过程中存在的问题,提醒国内混凝土CTE测试机构和相关单位及时更改测试方法和相关设计数据,并对新的AASHTO T336测试方法提出进一步完善的建议,并为今后高温和低温环境下的混凝土热膨胀系数测试提供借鉴。[b][color=#cc0000]2. 参考材料[/color][/b]  为了评估AASHTO TP60测试方法和相应测试设备测量精度和测量重复性,以及实验室间的比对测试,美国联邦公路管理局(FHWA)的Turner-Fairbank高速公路研究中心(TFHRC)准备了三种参考材料,这三种参考材料的CTE值范围基本都在TFHRC先前测试过的混凝土样品范围内。三种参考材料如下:  (1)氧化铝陶瓷:根据文献其CTE为5.5×10-6/℃。这种氧化铝陶瓷一种多孔陶瓷,在测试之前需要饱和。  (2)钛合金(Ti-6Al-4V):根据文献其CTE为9.2×10-6/℃。  (3)410不锈钢:根据文献其CTE为10.5×10-6/℃。[b][color=#cc0000]3. 参考材料热膨胀系数测试[/color][/b]  美国TFHRC首先使用自己实验室的两台不同的混凝土热膨胀系数测试设备,按照TP60方法对上述三种参考材料进行了测试,测试结果如表3-1所示。[align=center][color=#cc0000]表3-1 参考材料文献值和不同测试方法(AASHTO TP60和ASTM E228)结果[/color][/align][align=center][img=,600,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/03/201903292225403071_943_3384_3.png!w900x487.jpg[/img][/align]  从表3-1可以看出,针对氧化铝陶瓷、钛合金和410不锈钢三种参考材料,采用AASHTO TP60测试方法测量得到的CTE值与文献报道值并不一致,它们普遍比文献值高约1×10-6/℃。  当发现测量值与文献值之间存在较大差异后,TFHRC首先认为造成这种差异的可能原因是氧化铝素瓷、钛合金和410不锈钢这些参考材料与文献报道的材料并不完全相同,或者在测试期间位移探测器(LVDT)受温度或湿气(或两者)变化的影响。[b][color=#cc0000]4. 第三方实验室测试[/color][/b]  上述三种参考材料测试结果与文献值的较大差异使得TFHRC决定选择独立的第三方实验室对CTE测试进行验证,参考样品被送到专门从事航天工业金属CTE测试的实验室进行了测试,测试按照ASTM E228测试方法(顶杆法)的修改版进行,以适应高度180mm、直径80mm或100mm样品和TP60中相同的温度范围10~50℃。除了发送新获得的参考材料外,用于校准FHWA手动测量装置和两台商业测量装置的几个304不锈钢校准样品也被送到此第三方实验室进行测试验证。  在ASTM E228测试方法中,顶杆法热膨胀仪用于测量线性热膨胀。测量样品和已知标准参考材料之间作为温度函数的膨胀差异,样品的膨胀是根据这种膨胀差异和标准膨胀来计算的。  表3-1显示了CTE文献值和TFHRC及第三方独立实验室获得的测量结果。可以看出,按照TP60在TFHRC获得的CTE结果远高于按照ASTM E228在第三方实验室的测量结果。按照TP60规定,三种304不锈钢校准样品(SS743、M1和M2)设定的热膨胀系数都为17.3×10-6/℃,所以采用TP60方法测试得到的CTE结果也都为17.3×10-6/℃。  从表3-1可以看出,根据TP60获得的结果远高于根据ASTM E228获得的结果。此外,除了304不锈钢校准样品外,第三方实验室报告的结果与文献值基本一致。而对于所有304不锈钢校准样品,第三方实验室报告的CTE测试结果都要明显低于17.3×10-6/℃。[b][color=#cc0000]5. 对比分析[/color][/b]  通过上述第三方实验室的对比测量,TFHRC终于认识到出现TP60测试结果较高的原因是:304不锈钢校准样品的CTE值可能在测试温度范围内设定(或选择)的并不正确。当发现这个灾难性的可能原因后,TFHRC感觉到了事态的严重性,这是因为无论是定制装置还是商用测量装置,所有执行AASHTO TP60和类似测试方法的实验室所使用的304不锈钢校准样品CTE值均为17.3×10-6/℃,如果发生错误则会带来大范围的影响。  根据TP60,如果用作校正系数所输入的304不锈钢校准样品CTE值不正确,则所测试材料的CTE值也不正确。作为验证,TFHRC使用了第三方CTE测试结果15.8×10-6/℃作为304不锈钢校准样品的CTE作为新的校正因子。使用新的校正因子,TFHRC重新计算了表3-1中报告的CTE,如表5-1所示。[align=center][color=#cc0000]表5-1 第三方实验室和TFHRC的CTE测量值比较,假设校准样品有两个CTE值[/color][/align][align=center][color=#cc0000][img=,600,192]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/03/201903292227254161_5379_3384_3.png!w900x289.jpg[/img][/color][/align]  从表5-1可以看出,当使用TP60建议的304不锈钢CTE默认值来计算校正系数时,氧化铝陶瓷、钛合金和410不锈钢的CTE高于预期,但是当使用由第三方实验室测量确定的304不锈钢CTE值计算校正系数时,获得的氧化铝陶瓷、钛合金和410不锈钢的CTE更接近预期值,与预期值的差异并不是由于温度或湿度变化对LVDT读数的影响。相反,这种较大差异主要是由于使用304不锈钢校准样品的不适当CTE值作为输入来计算校正因子,从而导致测量参考材料CTE的错误。[b][color=#cc0000]6. 第三方实验室再次测试[/color][/b]  为了进一步确认304不锈钢校准样品的CTE,TFHRC将校准样品送到另一家第三方独立实验室进行测试。由于发现此实验室虽然可以采用ASTM E228进行CTE 测量,但无法对高180mm、直径80mm或100mm的样品进行测量,因此送到此第二家第三方实验室的较小尺寸样品是将先前发送到第一家第三方实验室的样品进行了切短,切短后的样品尺寸约为51×51×6mm。该实验室在比以前实验室更宽的温度范围内(-40~300℃)测量了304不锈钢校准样品的CTE,结果如表6-1所示。[align=center][color=#cc0000]表6-1 两家第三方实验室的CTE测试结果比较(测试方法ASTM E228)[/color][/align][align=center][img=,600,192]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/03/201903292229073780_4938_3384_3.png!w900x289.jpg[/img][/align]  表6-1清楚地显示,从第二个独立实验室收到的结果与从第一个独立实验室获得的结果一致,观察到的微小差异可归因于可接受的测试系统误差。表6-1中显示的CTE测试结果表示在与TP60相同温度范围内的CTE值,并不包括第2个独立实验室使用的全温度范围。  图6-1显示了第二家独立实验室在测试期间使用的整个温度范围内的平均CTE。从中可以看出,CTE值随温度而变化在-40~300℃温度范围内呈现最稳定CTE的材料是钛合金。同样清楚的是,在300℃左右,304不锈钢样品的CTE试验结果接近17.3×10-6/℃的文献报道。[align=center][img=,600,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/03/201903292229413984_686_3384_3.png!w848x501.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图6-1 在宽温度范围内的平均CTE(参考温度为20℃)[/color][/align]  通过这次第二家第三方实验室的测试,进一步验证了TP60方法中存在的问题,从而推进了新型测试方法的建立。[b][color=#cc0000]7. AASHTO新旧标准之间的区别[/color][/b]  AASHTO TP60标准方法在2000年颁布,2009年发现了TP60存在重大问题,2010年在AASHTO TP60基础上颁布了新标准AASHTO T336。TP60方法与T336新方法的主要区别如下:  (1)第三方测试:虽然TP60在非强制性附录中指出304不锈钢的CTE为17.3×10-6/℃,但T336要求任何校准样品的CTE应由拥有ISO 9001或同等认证的实验室来确定。  (2)校准样品的CTE测定:CTE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T336相同的温度范围内进行,即10~50℃。  (3)CTE证书:校准样品必须具有第三方实验室颁发的证书,包括所测样品品的批号。CTE必须在相同的样品上或同一批次的样品上测定,因为材料的CTE可能会随批次发现变化。  (4)力学经验路面设计指南(MEPDG)警示说明:在1.0版MEPDG软件中,模型的校准采用的是长效路面性能(LTPP)数据库中的CTE值,而这些CTE值则由TP60方法测试获得。由于根据TP60和T336获得的校准样品CTE值之间由很大差异,因此根据T336获得的CTE不应用作1.0版MEPDG软件的输入,以防止路面厚度的低估。[color=#cc0000][b]8. AASHTO新旧标准更替所带来的影响[/b]8.1. 对路面性能数据库的影响[/color]  目前的长效路面性能(LTPP)数据库中的CTE值是整个美国在10年期间对来自道路的数千个样芯采用TP60方法进行广泛测试的结果。在所测试的温度范围内如果假定校准样品的CTE不正确,那么LTPP数据库中的所有CTE值都高于预期温度范围内的实际CTE值,需要全部进行相应调整。  由于发现了校准样品的CTE差异,美国联邦公路管理局(FHWA)的Turner-Fairbank高速公路研究中心(TFHRC)已经努力反算所有测试结果,用特定的CTE值代替17.3×10-6/℃用于每台热膨胀测试设备的校准样品。[color=#cc0000]8.2. 对力学经验路面设计指南的影响[/color]  美国一致将CTE确定为力学经验路面设计指南(MEPDG)中用于设计混凝土路面最重要输入或分类为极其敏感的输入参数,混凝土的CTE决定了影响整个路面设计的路面卷曲应力、贴合移动和荷载传递效率的大小。在连续钢筋混凝土路面中,CTE决定了裂缝间距和裂缝宽度,这些会影响裂缝荷载传递效率并影响最终冲孔。  由于MEPDG中的各种不同模型使用的都是来自LTPP数据库的CTE数据,因此需要根据校正数据调整这些模型(使用校准样品的正确CTE)。由于MEPDG软件中的当前模型是基于LTPP数据库中错误的较高CTE值,因此无论是通过模型的全局重新校准还是通过局部校准过程,只有在模型重新校准后,才能使用正确的较低CTE值。如果没有解决这个问题,它可能会对预测的设计厚度产生负面影响。[color=#cc0000]8.3. 其他影响[/color]  许多机构已经开始在MEPDG实施之前表征其典型混合物的材料特性,存储在这些数据库中的CTE值仍然有效。但是,这些CTE记录值需要根据校准样品的假定CTE值和根据ASTM E228获得的CTE值的差异进行调整。如上所述,这些经过调整的CTE值仅在模型重新校准后才能用于MEPDG软件的设计。  美国一些州已经开发了基于MEPDG和CTE的典型路面设计和设计表。在这种情况下,一旦重新校准MEPDG,应根据需要对表格进行验证和更改。[b][color=#cc0000]9. AASHTO T336的改进[/color][/b]  2010年颁布的AASHTO T336已经实施了将近十年,尽管AASHTO T336在这些年的实施中已经取得了很大成就,但基于广泛的测试应和研究经验,还是需要进一步的改进和完善。美国联邦公路管理局(FHWA)的Turner-Fairbank高速公路研究中心(TFHRC)对改进给出了如下建议:  (1)校正因子:T336已经提出了确定校正因子的程序,然而它是测试方法中的非强制性附录内容。由于必须确定校正因子,因此应将其移至标准文本中进行强制性执行。此外,在当前的T336中,没有提供关于校准样品的讨论。为了获得准确结果,建议校准样品的长度与待测混凝土样品长度相差在2mm范围内。校准样品的直径应该是合适的直径,以牢固地放在框架的支撑按钮上。  (2)解决水位问题:当受控温度水浴中的水位影响CTE时,尤其是在测试期间水位发生变化或者在混凝土测试期间水位与校准期间的水位不同时。这是因为当水位改变时,框架和浸没或暴露于环境空气的LVDT轴的长度将改变。因此,根据TFHRC研究,水位偏离上次校准水位以下不应超过13mm。  (3)设备验证。使用LVDT与水接触并在高温下,电子设备会受到影响。为了验证LVDT和整个设备操作的正常运行,建议每月通过测试已知CTE的参考样品(校准样品除外)来验证设置。参考样品的CTE值应至少为5×10-6/℃,与校准样品的CTE值不同。它将确保读数始终良好,因为能很容易的发现任何差异。  建议参考样品应由非腐蚀、非氧化、无孔和非磁性的材料组成,此外,在10~50℃温度范围内,其导热系数应接近混凝土的导热系数。与校准样品的CTE相同,参考材料的CTE应由独立的实验室测定。在研究中发现钛合金(Ti-6Al-4V)是比较合适的材料,如图61所示,其CTE值在整个温度范围内始终比较稳定,变化幅度小。  验证后,如果发现参考样品CTE与认证值相差超过0.3×10-6/℃,则应采用T336中描述的程序再次确定修正系数。  (1)LVDT的校准:目前的T336需要一个千分尺来校准LVDT。然而,它没有提供任何校准指导,也没有提供校准频率。每6个月进行一次校准就足够了。  (2)样品末端条件:混凝土样品的末端条件可能是某些试验误差的来源。T336应提供有关最低要求的指导。建议采用AASHTO T 22-07对抗压强度样品的相同要求。  (3)待测样品数量。不应根据单个测试结果确定混合物的CTE,应提供有关待测样品数量的指导。据推测,至少要测试两个样品并报告平均值,以表征混合物。[b][color=#cc0000]10. 分析和建议[/color][/b]  通过上述路面混凝土热膨胀系数(CTE)测试中测试方法AASHTO TP60重大问题发现和新测试方法AASHTO T336制订的全过程回顾,我们从以下几方面做出了分析,并给出相应的建议:  (1)采用参考样品(或标准参考材料)对测试方法和测试设备进行考核甚至定期自校、多个实验室之间的比对测试,以及多种测试方法之间的比对测试等,这些都是材料物理性能测试工作中标准测试方法制订和实施的必要手段和过程,是保障测试准确性和稳定性的重要措施,在以往热膨胀系数标准测试方法(如ASTM E228等)的制订和实施过程中,都是按照以上过程进行实施。令人费劲的是美国在AASHTO TP60测试方法的制订和实施过程中明显缺少这些重要环节,此测试方法的制订和推广应用非常不严谨甚至不严肃,否则也不会发生AASHTO TP60在颁布十多年后才发现存在严重缺陷的重大问题。  (2)尽管AASHTO T336针对校准样品规定要在有资质的第三方实验室采用ASTM E228或ASTM E289在10~50℃范围内进行CTE测试,并没有规定样品的尺寸大小、控温精度和温度变化形式等细节,而这些细节同样会在ASTM E228或ASTM E289的测试过程中带来较大误差。如一些采用ASTM E228方法的热膨胀仪,测温热电偶为热电偶,那么在10~50℃范围内仅热电偶带来的温度测量误差就会达到10%。另外在样品温度变化形式上,采用台阶式还是线性形式的升降温方式,也会给CTE测量带来很大不同,如果采用线性升降温形式,往往会使样品内外存在温度梯度,而台阶式升降温形式则会使得样品在恒温阶段达到整体温度均匀。  (3)尽管AASHTO T336在校准样品的CTE值准确性上得到了改进,纠正了AASHTO TP60中校准样品CTE值的错误,但CTE测试的装置并没有丝毫改变,测量装置还是基于校准样品来保证测量的准确性,整体设计思路并没有变。而从CTE测试的基本原理出发,几乎所有目前比较常用的CTE标准测试方法,除了采用校准样品(基线扣除法)来保证测量准确性之外,更有效的手段是降低测量装置自身热变形对样品CTE测量的影响,如ASTM E228顶杆法中采用热膨胀系数较低的石英(约0.53×10-6/℃),或热膨胀系数更低的钛石英(0.06×10-6/℃)来作为样品支架。但在AASHTO T336方法中,还在沿用AASHTO TP60方法使用金属杆做样品固定支架,有些混凝土热膨胀仪已经做了改进,采用CTE约为1×10-6/℃的殷钢做样品固定支架。采用较大CTE的金属杆做样品固定支架,因为测试温度范围比较小,基本上能满足目前路面混凝土CTE的测试需求。但对于高温和低温环境下使用的混凝土CTE测试,再采用金属杆做样品固定支架则明显会带来巨大误差。因此,今后AASHTO T336方法的改进,首先要考虑样品固定支架采用膨胀系数低的材料。  (4)无论是AASHTO TP60,还是AASHTO T336方法,混凝土样品CTE的测试温度范围都在10~50℃。在这样接近室温的条件下,样品和水浴的温度变化似乎对位移探测器的影响并不大,在上述两种方法中也没对位移探测器的热防护做出规定。但在高温和低温环境条件下,位移探测器的热防护问题则显着尤为凸出,样品温度的大范围变化势必会给固定位移探测器的机械结构带来热变形。同样,基于更严谨和更准确的目的,建议在AASHTO T336增加上对位移探测器的热防护,尽可能减少长时间50℃水浴温度对位移探测器固定装置的影响。[b][color=#cc0000]11. 参考文献[/color][/b]  (1)李清海, 姚燕, 孙蓓. 水泥基材料热膨胀性能测试方法发展现状. 新型建筑材料, 2007, 34(6):10-12.  (2)黄杰, 吴胜兴, 沈德建. 水泥基材料早期热膨胀系数试验系统现状研究. 结构工程师, 2010, 26(4):160-166.  (3)Tanesi J, Crawford G L, Nicolaescu M, et al. New AASHTO T336-09 Coefficient of Thermal Expansion Test Method: How Will It Affect You?. Transportation Research Record, 2010, 2164(1): 52-57.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

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    热膨胀芯(TEC)光纤跳线特性热膨胀芯增大了模场直径(MFD),便于耦合不仅更容易进行自由空间耦合,还能保持单模光纤的光学性能工作波长范围:980 - 1250 nm或1420 - 1620 nm光纤的TEC端镀有增透膜,以减少耦合损耗库存的光纤跳线:2.0 mm窄键FC/PC(TEC)到FC/PC接头2.0 mm窄键FC/PC(TEC)到FC/APC接头具有带槽法兰的?2.5 mm插芯到可以剪切的裸纤如需定制配置,请联系技术支持Thorlabs的热膨胀芯(TEC)光纤跳线进行自由空间耦合时,对位置的偏移没有单模光纤那样敏感。利用我们的Vytran® 光纤熔接技术,通过将传统单模光纤的一端加热,使超过2.5 mm长的纤芯膨胀,就可制成这种光纤。在自由空间耦合应用中,光纤经过这样处理的一端可以接受模场直径较大的光束,同时还能保持光纤的单模和光学性能(有关测试信息,请看耦合性能标签)。TEC光纤经常应用于构建基于光纤的光隔离器、可调谐波长的滤光片和可变光学衰减器。我们库存有带TEC端的多种光纤跳线可选。我们提供两种波长范围:980 nm - 1250 nm 和1460 nm - 1620 nm。光纤的TEC端镀有增透膜,在指定波长范围内平均反射率小于0.5%,可以减少进行自由空间耦合时的损耗。光纤的这一端具有热缩包装标签,上面列出了关键的规格。接头选项有2.0 mm窄键FC/PC或FC/APC接头、?2.5 mm插芯且可以剪切熔接的裸光纤。?2.5 mm插芯且可以剪切的光纤跳线具有?900 μm的护套,而FC/PC与FC/APC光纤跳线具有?3 mm的护套(请看右上表,了解可选的组合)。我们也提供定制光纤跳线。更多信息,请联系技术支持。 自由空间耦合到P1-1550TEC-2光纤跳线光纤跳线镀有增透膜的一端适合自由空间应用(比如,耦合),如果与其他接头端接触,会造成损伤。此外,由于镀有增透膜,TEC光纤跳线不适合高功率应用。清洁镀增透膜的接头端且不损坏镀膜的方法有好几种。将压缩空气轻轻喷在接头端是比较理想的做法。其他方法包括使用浸有异丙醇或甲醇的无绒光学擦拭纸或FCC-7020光纤接头清洁器轻轻擦拭。但是请不要使用干的擦拭纸,因为可能会损坏增透膜涂层。Item #PrefixTECEnd(AR Coated)UncoatedEndP1FC/PC (Black Boot)FC/PCP5FC/PC (Black Boot)FC/APCP6?2.5 mm Ferrule with Slotted FlangeScissor CutCoated Patch Cables Selection GuideSingle Mode AR-Coated Patch CablesTEC Single Mode AR-Coated Patch CablesPolarization-Maintaining AR-Coated Patch CablesMultimode AR-Coated Patch CablesHR-Coated Patch CablesStock Single Mode Patch Cables Selection GuideStandard CablesFC/PC to FC/PCFC/APC to FC/APCHybridAR-Coated Patch CablesThermally-Expanded-Core (TEC) Patch CablesHR-Coated Patch CablesBeamsplitter-Coated Patch CablesLow-Insertion-Loss Patch CablesMIR Fluoride Fiber Patch Cables耦合性能由于TEC光纤一端的纤芯直径膨胀,进行自由空间耦合时,它们对位置的偏移没有标准的单模光纤那样敏感。为了进行比较,我们改变x轴和z轴上的偏移,并测量自由空间光束耦合到TEC光纤跳线和标准光纤跳线时的耦合损耗(如右图所示)。使用C151TMD-C非球面透镜,将光耦合到标准光纤和TEC光纤。在980 nm 和1064 nm下,测试使用1060XP光纤的跳线和P1-1060TEC-2光纤跳线,同时,在1550 nm下,测试使用1550BHP光纤的跳线和P1-1550TEC-2光纤跳线。通过MBT616D 3轴位移台,让光纤跳线相对于入射光移动。 下面的曲线图展示了所测光纤跳线的光纤耦合性能。一般而言,对于相同的x轴或z轴偏移,TEC光纤跳线比标准跳线的耦合损耗低。而在x轴或z轴偏移为0 μm 时,标准跳线与TEC跳线的性能相似。总而言之,这些测试结果表明,TEC光纤对光纤位置的偏移远远没有标准光纤那样敏感,同时还能在zui佳光纤位置保持相同的耦合损耗。请注意,这些测量为典型值,由于制造公差的存在,不同批次跳线的性能可能有所差异。测量耦合性能装置的示意图。上图显示了用于测量耦合性能的测试装置。1060XP标准光纤和P1-1060TEC-2热膨胀芯光纤之间的耦合性能比较图。1060XP标准光纤和P1-1060TEC-2热膨胀芯光纤之间的耦合性能比较图。11550BHP标准光纤和P1-1550TEC-2热膨胀芯光纤之间的耦合性能比较图。 损伤阀值激光诱导的光纤损伤以下教程详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制,包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如,接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的zui大功率始终受到这些损伤机制的zui小值的限制。虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值,但是,光纤的jue对损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南,估算zui大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导,用户应该能够在指定的zui大功率水平以下操作光纤元件;如果有元件并未指定zui大功率,用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该,以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括,但不限于,光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论,请联系技术支持。Quick LinksDamage at the Air / Glass InterfaceIntrinsic Damage ThresholdPreparation and Handling of Optical Fibers空气-玻璃界面的损伤空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时,光会入射到这个界面。如果光的强度很高,就会降低功率的适用性,并给光纤造成yong久性损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言,高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化,进而在光路中的光纤表面留下残留物。损伤的光纤端面未损伤的光纤端面裸纤端面的损伤机制光纤端面的损伤机制可以建模为大光学元件,紫外熔融石英基底的工业标准损伤阈值适用于基于石英的光纤(参考右表)。但是与大光学元件不同,与光纤空气/璃界面相关的表面积和光束直径都非常小,耦合单模(SM)光纤时尤其如此,因此,对于给定的功率密度,入射到光束直径较小的光纤的功率需要比较低。右表列出了两种光功率密度阈值:一种理论损伤阈值,一种"实际安全水平"。一般而言,理论损伤阈值代表在光纤端面和耦合条件非常好的情况下,可以入射到光纤端面且没有损伤风险的zui大功率密度估算值。而"实际安全水平"功率密度代表光纤损伤的zui低风险。超过实际安全水平操作光纤或元件也是有可以的,但用户必须遵守恰当的适用性说明,并在使用前在低功率下验证性能。计算单模光纤和多模光纤的有效面积单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的,它是光通过光纤的横截面积,包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时,入射光束的直径必须匹配光纤的MFD,才能达到良好的耦合效率。例如,SM400单模光纤在400 nm下工作的模场直径(MFD)大约是?3 μm,而SMF-28 Ultra单模光纤在1550 nm下工作的MFD为?10.5 μm。则两种光纤的有效面积可以根据下面来计算:SM400 Fiber:Area= Pi x (MFD/2)2 = Pi x (1.5μm)2 = 7.07 μm2= 7.07 x 10-8cm2 SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)2 = Pi x (5.25 μm)2= 86.6 μm2= 8.66 x 10-7cm2为了估算光纤端面适用的功率水平,将功率密度乘以有效面积。请注意,该计算假设的是光束具有均匀的强度分布,但其实,单模光纤中的大多数激光束都是高斯形状,使得光束中心的密度比边缘处更高,因此,这些计算值将略高于损伤阈值或实际安全水平对应的功率。假设使用连续光源,通过估算的功率密度,就可以确定对应的功率水平:SM400 Fiber: 7.07 x 10-8cm2x 1MW/cm2= 7.1 x10-8MW =71 mW (理论损伤阈值) 7.07 x 10-8cm2x 250 kW/cm2= 1.8 x10-5kW = 18 mW (实际安全水平)SMF-28 UltraFiber: 8.66 x 10-7cm2x 1MW/cm2= 8.7 x10-7MW =870mW (理论损伤阈值)8.66 x 10-7cm2x 250 kW/cm2= 2.1 x10-4kW =210 mW (实际安全水平)多模(MM)光纤的有效面积由纤芯直径确定,一般要远大于SM光纤的MFD值。如要获得zui佳耦合效果,Thorlabs建议光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70 - 80%。由于多模光纤的有效面积较大,降低了光纤端面的功率密度,因此,较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到多模光纤中。 Estimated Optical Power Densities on Air / Glass InterfaceaTypeTheoretical Damage ThresholdbPractical Safe LevelcCW(Average Power)~1 MW/cm2~250 kW/cm210 ns Pulsed(Peak Power)~5 GW/cm2~1 GW/cm2a. 所有值针对无终端(裸露)的石英光纤,适用于自由空间耦合到洁净的光纤端面。b. 这是可以入射到光纤端面且没有损伤风险的zui大功率密度估算值。用户在高功率下工作前,必须验证系统中光纤元件的性能与可靠性,因其与系统有着紧密的关系。c. 这是在大多数工作条件下,入射到光纤端面且不会损伤光纤的安全功率密度估算值。插芯/接头终端相关的损伤机制有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时,没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层,再进入插芯中,而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强,就可以熔化环氧树脂,使其气化,并在接头表面留下残渣。这样,光纤端面就出现了局部吸收点,造成耦合效率降低,散射增加,进而出现损伤。与环氧树脂相关的损伤取决于波长,出于以下几个原因。一般而言,短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小,且产生更多的散射光,则耦合时的偏移也更大。为了zui大程度地减小熔化环氧树脂的风险,可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。我们的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。曲线图展现了带终端的单模石英光纤的大概功率适用水平。每条线展示了考虑具体损伤机制估算的功率水平。zui大功率适用性受到所有相关损伤机制的zui低功率水平限制(由实线表示)。确定具有多种损伤机制的功率适用性光纤跳线或组件可能受到多种途径的损伤(比如,光纤跳线),而光纤适用的zui大功率始终受到与该光纤组件相关的zui低损伤阈值的限制。例如,右边曲线图展现了由于光纤端面损伤和光学接头造成的损伤而导致单模光纤跳线功率适用性受到限制的估算值。有终端的光纤在给定波长下适用的总功率受到在任一给定波长下,两种限制之中的较小值限制(由实线表示)。在488 nm左右工作的单模光纤主要受到光纤端面损伤的限制(蓝色实线),而在1550 nm下工作的光纤受到接头造成的损伤的限制(红色实线)。对于多模光纤,有效模场由纤芯直径确定,一般要远大于SM光纤的有效模场。因此,其光纤端面上的功率密度更低,较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到光纤中(图中未显示)。而插芯/接头终端的损伤限制保持不变,这样,多模光纤的zui大适用功率就会受到插芯和接头终端的限制。请注意,曲线上的值只是在合理的操作和对准步骤几乎不可能造成损伤的情况下粗略估算的功率水平值。值得注意的是,光纤经常在超过上述功率水平的条件下使用。不过,这样的应用一般需要专业用户,并在使用之前以较低的功率进行测试,尽量降低损伤风险。但即使如此,如果在较高的功率水平下使用,则这些光纤元件应该被看作实验室消耗品。光纤内的损伤阈值除了空气玻璃界面的损伤机制外,光纤本身的损伤机制也会限制光纤使用的功率水平。这些限制会影响所有的光纤组件,因为它们存在于光纤本身。光纤内的两种损伤包括弯曲损耗和光暗化损伤。弯曲损耗光在纤芯内传播入射到纤芯包层界面的角度大于临界角会使其无法全反射,光在某个区域就会射出光纤,这时候就会产生弯曲损耗。射出光纤的光一般功率密度较高,会烧坏光纤涂覆层和周围的松套管。有一种叫做双包层的特种光纤,允许光纤包层(第二层)也和纤芯一样用作波导,从而降低弯折损伤的风险。通过使包层/涂覆层界面的临界角高于纤芯/包层界面的临界角,射出纤芯的光就会被限制在包层内。这些光会在几厘米或者几米的距离而不是光纤内的某个局部点漏出,从而zui大限度地降低损伤。Thorlabs生产并销售0.22 NA双包层多模光纤,它们能将适用功率提升百万瓦的范围。光暗化光纤内的第二种损伤机制称为光暗化或负感现象,一般发生在紫外或短波长可见光,尤其是掺锗纤芯的光纤。在这些波长下工作的光纤随着曝光时间增加,衰减也会增加。引起光暗化的原因大部分未可知,但可以采取一些列措施来缓解。例如,研究发现,羟基离子(OH)含量非常低的光纤可以抵抗光暗化,其它掺杂物比如氟,也能减少光暗化。即使采取了上述措施,所有光纤在用于紫外光或短波长光时还是会有光暗化产生,因此用于这些波长下的光纤应该被看成消耗品。制备和处理光纤通用清洁和操作指南建议将这些通用清洁和操作指南用于所有的光纤产品。而对于具体的产品,用户还是应该根据辅助文献或手册中给出的具体指南操作。只有遵守了所有恰当的清洁和操作步骤,损伤阈值的计算才会适用。安装或集成光纤(有终端的光纤或裸纤)前应该关掉所有光源,以避免聚焦的光束入射在接头或光纤的脆弱部分而造成损伤。光纤适用的功率直接与光纤/接头端面的质量相关。将光纤连接到光学系统前,一定要检查光纤的末端。端面应该是干净的,没有污垢和其它可能导致耦合光散射的污染物。另外,如果是裸纤,使用前应该剪切,用户应该检查光纤末端,确保切面质量良好。如果将光纤熔接到光学系统,用户首先应该在低功率下验证熔接的质量良好,然后在高功率下使用。熔接质量差,会增加光在熔接界面的散射,从而成为光纤损伤的来源。对准系统和优化耦合时,用户应该使用低功率;这样可以zui大程度地减少光纤其他部分(非纤芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包层、涂覆层或接头,有可能产生散射光造成的损伤。高功率下使用光纤的注意事项一般而言,光纤和光纤元件应该要在安全功率水平限制之内工作,但在理想的条件下(ji佳的光学对准和非常干净的光纤端面),光纤元件适用的功率可能会增大。用户首先必须在他们的系统内验证光纤的性能和稳定性,然后再提高输入或输出功率,遵守所有所需的安全和操作指导。以下事项是一些有用的建议,有助于考虑在光纤或组件中增大光学功率。要防止光纤损伤光耦合进光纤的对准步骤也是重要的。在对准过程中,在取得zui佳耦合前,光很容易就聚焦到光纤某部位而不是纤芯。如果高功率光束聚焦在包层或光纤其它部位时,会发生散射引起损伤使用光纤熔接机将光纤组件熔接到系统中,可以增大适用的功率,因为它可以zui大程度地减少空气/光纤界面损伤的可能性。用户应该遵守所有恰当的指导来制备,并进行高质量的光纤熔接。熔接质量差可能导致散射,或在熔接界面局部形成高热区域,从而损伤光纤。连接光纤或组件之后,应该在低功率下使用光源测试并对准系统。然后将系统功率缓慢增加到所希望的输出功率,同时周期性地验证所有组件对准良好,耦合效率相对光学耦合功率没有变化。由于剧烈弯曲光纤造成的弯曲损耗可能使光从受到应力的区域漏出。在高功率下工作时,大量的光从很小的区域(受到应力的区域)逃出,从而在局部形成产生高热量,进而损伤光纤。请在操作过程中不要破坏或突然弯曲光纤,以尽可能地减少弯曲损耗。用户应该针对给定的应用选择合适的光纤。例如,大模场光纤可以良好地代替标准的单模光纤在高功率应用中使用,因为前者可以提供更佳的光束质量,更大的MFD,且可以降低空气/光纤界面的功率密度。阶跃折射率石英单模光纤一般不用于紫外光或高峰值功率脉冲应用,因为这些应用与高空间功率密度相关。MFD定义模场直径的定义模场直径(MFD)是对在单模光纤中传播的光的光束尺寸的一种量度。它与波长、纤芯半径以及纤芯和包层的折射率具有函数关系。虽然光纤中的大部分光被限制在纤芯内传播,但仍有极小部分的光在包层中传播。对于高斯功率分布,MFD是指光功率从峰值水平降到1/e2时的直径。MFD的测量通过在远场使用变孔径法来完成MFD的测量。在光纤输出的远场处放置一个通光孔径,然后测量强度。在光路中放置连续变小的通光孔径,测量每个通光孔径下的强度水平;然后以功率和孔径半角(或数值孔径)的正弦为坐标作图得到数据。使用彼得曼第二定义确定MFD,该数学模型没有假设功率分布的特定形状。使用汉克尔变换可以从远场测量值确定近场处的MFD大小TEC光纤跳线,980 nm - 1250 nmItem #Fiber TypeOperating WavelengthMode Field DiameteraAR CoatingbMax AttenuationcNAdCladding/Coating DiameterConnectorsJacketTECStandardTECStandardP1-1060TEC-21060XP980 - 1250 nm12.4 ± 1.0 μm6.2 ± 0.5 μm850 - 1250 nm≤2.1 dB/km @980 nm≤1.5 dB/km @ 1060 nm0.070.14125 ± 0.5 μm /245 ± 10 μmFC/PC (TEC) to FC/PC?3 mmFT030-YP5-1060TEC-2TEC光纤跳线,1460 - 1620 nm,镀增透膜,FC/PC(TEC)到FC/APC,2 mP6-1550TEC-2TEC光纤跳线,1460 - 1620 nm,镀增透膜,?2.5 mm插芯(TEC)到裸纤,2 m
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