何京鴻，張永斌，盧俊書

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)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?；炷潦悄壳巴聊竟こ讨杏猛据^廣、用量較大的一種建筑材料。熱膨脹系數(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)及溫控防裂主要技術(shù)指標(biāo)，研究混凝土熱膨脹系數(shù)對提高混凝土整體穩(wěn)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(shù)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(shù)又不夠大，測量精度達(dá)不到要求;所測樣品受熱的膨脹動態(tài)過程會引起讀數(shù)誤差等。這些特點(diǎn)，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(yīng)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(shè)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(guān)系為［1～2］

式中α、β是和被測物質(zhì)材料有關(guān)的常數(shù)，數(shù)值極小，而α后面的各系數(shù)同α相比更小，在常溫系可忽略，于是

α稱為線脹系數(shù)，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(shù)的定義式可以看出，要測量混凝土棒的線脹系數(shù)，只要測出△l、l、t1、t2這四個未知量即可?！鱨較小，不易測準(zhǔn)，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(shè)計劈尖干涉測熱膨脹系數(shù)原理如圖1所示，當(dāng)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(chǎn)生光的干涉。根據(jù)干涉條件有［3～7］

觀察暗條紋時，當(dāng)膜厚改變△l時，則有

若測出干涉暗條紋移動的條數(shù)△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(xué)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(kuò)束鏡固定在單色低壓汞燈和保溫杯之間，用汞燈過透擴(kuò)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(xué)平板玻璃(規(guī)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(xù)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(guī)混凝土養(yǎng)護(hù)，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(shù)據(jù)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(yù)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(diào)上片光學(xué)平面玻璃，使其兩端分別搭在混凝土棒頂與下片光學(xué)平面玻璃，使所形成劈尖角小于3°，調(diào)整觀察角度，能看到較清楚的干涉條紋為宜。

(4)在上片光學(xué)平面玻璃放置一根頭發(fā)絲作為基準(zhǔn)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(fù)(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(shù)。

表1 實驗測量數(shù)據(jù)

圖4 線脹系數(shù) －溫度分布圖

4.結(jié)論

(1)在60℃ 到80℃ 測得所配常規(guī)混凝土線脹系數(shù)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(shù)的可行性。

(2)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，表2反映出混凝土溫度/線脹系數(shù)關(guān)系。由表2可看出線脹系數(shù)較為集中，是物質(zhì)的固有屬性，因存在一定的誤差使其在一定范圍內(nèi)變化。由于混凝土的骨料對其線脹系數(shù)存在影響［8］，本實驗只采用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號的水泥和沙石，未添加其他材料，能保證所測得的數(shù)據(jù)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(xì)，需要使用擴(kuò)束鏡對其光束擴(kuò)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(jìn)一步改進(jìn)是可以考慮的。

(4)本文所設(shè)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(nèi)較為精確測量化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定固體的熱膨脹系數(shù)。

［1］姚武，鄭興.配合比例參數(shù)對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)2007，(1)：77—81.

［2］盧琴，朱顯鴿，惠亞芳.熱膨脹系數(shù)對混凝土溫度應(yīng)力的影響［J］.水電能源科學(xué).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(xué)物理實驗［M］.廈門：廈門大學(xué)出版社，2005，(1)：66—70.

［5］王青，戴劍鋒，李維學(xué)，魏智強(qiáng).測定金屬熱膨脹系數(shù)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(shù)的方法［J］.高師理科學(xué)刊，2003， (1)：18—19.

［7］花世群.光的干涉法測金屬線脹系數(shù)［J］.光學(xué)技術(shù).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(xué)報.2009， (1)：18—22.