楊 挺

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443000)

1 概 述

針對研究內(nèi)容“摻入鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹性能的研究”進行水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)測定試驗。具體采用應變片法測量水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)[1]，對試驗后獲得的數(shù)據(jù)進行整理、分析，從而對不同摻量的鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹性能進行研究。

2 熱膨脹系數(shù)測定試驗

2.1 試驗原理

設某試件的一段初始長度為L0，初始溫度為T0，當對該試件進行加熱或降溫一段時間后，試件的最終溫度變?yōu)門1，最終長度為L1，則該試件在(T0，T1)溫度內(nèi)的平均線性熱膨脹系數(shù)為：

(1)

一般來說，對于粘貼在試件上的應變片，當溫度變化為ΔT時，其輸出應變?yōu)椋?/p>

(2)

式中：εp為電阻應變片的視應變；φs為電阻應變片的電阻溫度系數(shù)；αs為電阻應變片的線膨脹系數(shù)；Ks為電阻應變片的靈敏系數(shù)；α為試件材料的線膨脹系數(shù)。

上述系數(shù)中的φs、αs和Ks均與溫度有關(guān)，因此根據(jù)式(2)很難求出試件材料的線膨脹系數(shù)α。另外，影響輸出熱應變值的因素還有連接應變片的導線長度以及應變片與試件表面的膠層厚度[2]。為了消除由于溫度變化引起的熱輸出干擾因素的影響，可以采用橋路補償法。正確操作是在已知熱膨脹系數(shù)的參照材料上粘貼同樣的應變片作為補償片。將補償片和工作片連接在單臂電橋相鄰臂，見圖1。

圖1 工作應變片和補償片的單臂電橋接線圖

理論上，工作片和補償片除了兩者之間粘貼的材料不同之外，其他的因素全部都要相同。比如工作片和補償片必須處于同一溫度條件下；導線長度相等并且環(huán)境溫度也相同。為了試驗數(shù)據(jù)的準確性，特選擇將補償片粘貼在已知線性熱膨脹系數(shù)較低的石英玻璃片的表面上[3]。

設石英片的線性熱膨脹系數(shù)為αc，補償片的輸出視應變εc為：

(3)

當按照圖1將工作片和補償片聯(lián)接成半橋時，根據(jù)電橋原理，電橋輸出值ε即為εp和εc之差。由式(2)和式(3)相減可得：

ε=(α-αc)ΔT

(4)

根據(jù)式(4)不難發(fā)現(xiàn)，在已知αc的條件下，ε與ΔT是一一對應的關(guān)系，理論上就可以由電橋輸出值ε得到任意溫度區(qū)域內(nèi)被測材料的平均線性熱膨脹系數(shù)α。

2.2 試驗器材

本試驗所需的主要器材來源于學校實驗室和市場上采購，且材料質(zhì)量有保證。

1) DH3818靜態(tài)應變測試儀。本儀器來源于學校實驗室，購置于江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司。適用應變片電阻值為50～10 000 Ω；測量應變范圍±19 999 με；最高分辨率為1 με，滿足試驗精度要求。見圖2。

2) 烤箱。因應變測量要保證絕對干燥，所以為保證試驗能夠正常進行，決定采用烤箱作為加熱設備對試件進行加熱[4]。烤箱容積約30 L，加熱溫度可達100℃～200℃；溫控精度為1℃。

3) 數(shù)顯溫度計。本次試驗選取電池型金屬線5 m無螺紋探頭數(shù)顯溫度計；可測量范圍-50℃～200℃；顯示精度0.1℃。

4) 應變片。本次試驗主要測量水泥砂漿試件一段長度的平均線膨脹系數(shù)，故采用的應變片長度應較長，這樣才能更加精確地反映砂漿試件的線膨脹系數(shù)[5]。

本次試驗選擇的應變片為BX120-100AA，已焊接好引線；基地尺寸108 mm×6 mm，絲柵尺寸100 mm×3 mm。

圖2 靜態(tài)應變測試儀

5) 石英玻璃片。石英玻璃是一種比較常用的參照材料，這種材料線膨脹系數(shù)小，僅為5.4×10-7/℃，而且重現(xiàn)性好，幾乎不隨溫度變化[6]，因此本試驗中選擇石英玻璃作為參考材料。作為參照的石英玻璃片尺寸為150 mm×15 mm×2 mm。

2.3 試件制作

本試驗試件種類為7組摻入不同量鎢酸鋯水泥砂漿(設計齡期為28 d)，每組3個試件，試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm。試驗前需要風干砂漿試件，待其風干后，利用砂紙將每組試件的長度方向上的兩個表面中軸處打磨平整以便貼上應變片[7]。

選取BX120-100AA型號應變片，每組3個試件作為測量件，在其打磨平整后的位置使用環(huán)氧膠將測量應變片粘貼在試件上，膠層要盡可能薄，以便消除膠粘劑熱敏性造成的影響。而且要將應變片與膠層中間的氣泡趕出，使應變片與試件充分接觸，測出值才能真實反映試件材料的應變隨溫度的變化。另外選取長150 mm、寬15 mm、厚2 mm的石英玻璃片作為參照材料，在其表面粘貼上與砂漿試件同規(guī)格的應變片。待測量件和石英玻璃表面的應變片固定后，在應變片表面涂上一層薄的環(huán)氧膠，以達到防水的目的。最后焊接導線，為保證除了鎢酸鋯摻入量不同之外的其他因素都相同，所有應變片的連接導線采取相同的長度[8]。

2.4 試驗過程

試驗前，焊接待測件和石英玻璃片表面上的應變片所附帶的引用導線，并用導線聯(lián)接到靜態(tài)應變測試儀上的相應通道。焊接具體操作為：先在砂漿試件上用502膠水粘貼一個接線端子(貼近應變片的引用導線)，采取小型手工電焊對導線端頭進行焊接，注意焊接時要形成一個回路。

試驗中的加熱設備采用烤箱，見圖3。

圖3 烤箱加熱過程

由于烤箱無法顯示內(nèi)部準確的溫度數(shù)據(jù)，因此選取一種帶有探頭的數(shù)顯溫度計對烤箱內(nèi)部進行測溫，即把探頭放到砂漿試件的表面上，隨著烤箱開關(guān)的啟動，整個烤箱內(nèi)部溫度升高，數(shù)顯溫度計上就可以準確顯示內(nèi)部的溫度[9]。試驗前，將每組已經(jīng)制作好的試件全部或是單個放入到烤箱內(nèi)部，同時也將數(shù)顯溫度計上的探頭放到砂漿表面，并開啟溫度計上的開關(guān)。試驗中，使用應變儀(圖4)讀取數(shù)據(jù)。

圖4 應變儀測量應變過程

最后檢測所用通道，再將應變儀在室溫狀態(tài)下調(diào)零，并記錄下整個試驗的初始溫度。打開烤箱開關(guān)，加熱30 min，使烤箱內(nèi)部的溫度升高，在整個試驗加熱過程中，記錄數(shù)顯溫度計上的溫度數(shù)據(jù)和對應的應變儀讀數(shù)，將其作為整個試件的溫度和在該溫度下的應變值[10]。

3 熱膨脹系數(shù)測定試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

摻入不同量的鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)采用應變片法測量，其數(shù)值等于砂漿試件的應變值比上溫度增量，即α=ε/ΔT。圖5(a)～圖5(g)分別對應為鎢酸鋯摻量是0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%的水泥砂漿應變值隨溫度增量(以室內(nèi)溫度為初始溫度)的變化過程。需要說明的是按試驗相關(guān)規(guī)程要求，超過平均值10%的測值屬于無效數(shù)據(jù)，不計入。故采用余下可計入的數(shù)據(jù)作為摻入不同量的鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)測定試驗結(jié)果。

圖5 各摻量下鎢酸鋯水泥砂漿試件溫度-應變過程線

3.2 結(jié)果分析

從圖5各圖的變化可知，對于一定摻量下的鎢酸鋯水泥砂漿試件，其熱應變值總是隨著溫度增量的增加而上升，這當然也符合熱膨脹系數(shù)的數(shù)學公式，但是比較圖5各圖的熱應變可以觀察到，一般情況下，隨著ZrW2O8的比例增加，其熱應變值逐漸從大約800×10-6降低至200×10-6。另外，從公式上來看，熱應變隨著溫度發(fā)展的曲線應該是一條通過坐標原點的直線，但是在相對較低水平的溫度增量下，不超過80℃，鎢酸鋯水泥砂漿的熱應變值保持穩(wěn)定上升。然而當溫度適度上升至100℃或者更高時，所有鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱應變值開始隨著ZrW2O8的摻入而迅速降低，并且摻入的比例越多，其熱應變降低的響應就越明顯。試驗結(jié)果表明，在溫度不超過80℃的情況下，摻入到水泥砂漿中的ZrW2O8并沒有發(fā)揮代替砂來降低砂漿熱膨脹系數(shù)的效果，在影響水泥砂漿復合材料的熱膨脹系數(shù)時，ZrW2O8和砂扮演著相同的角色。在此之后，當溫度繼續(xù)升高，超過80℃，摻入到水泥砂漿的ZrW2O8開始發(fā)生負熱膨脹(NTE)的補償效應，并且隨著鎢酸鋯摻量的不同，在同等溫度的增量下，其熱應變也表現(xiàn)出不同的增長效果。因此，摻入鎢酸鋯的水泥基復合材料的熱膨脹系數(shù)是一個關(guān)于環(huán)境溫度的函數(shù)，不是一個恒定常數(shù)。而在國內(nèi)土木工程實際應用中，大壩、橋梁、建筑等大多數(shù)環(huán)境溫度或者熱負荷都低于80℃，這對于鎢酸鋯被應用于土木工程中減少熱應力或熱變形還存在較大的困難。

根據(jù)圖5各圖的數(shù)據(jù)，選擇摻量相同鎢酸鋯水泥砂漿試件所測得的熱膨脹系數(shù)的平均值作為本組試驗的結(jié)果，見表1。

故標準水泥砂漿摻入不同量的鎢酸鋯后制備的鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)測試結(jié)果見圖6。

表1 28 d齡期下鎢酸鋯摻量對砂漿熱膨脹性能影響

圖6 28 d齡期下鎢酸鋯摻量對砂漿熱膨脹性能影響

由圖6可知，隨著添加相鎢酸鋯的顆粒含量的增加，鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)逐漸減低，當m(ZrW2O8)∶m(C)≥30∶100后，其熱膨脹系數(shù)曲線大致趨于平緩。

從表1和圖6可以看出，未摻入鎢酸鋯的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)最大，為8.64×10-6/℃。當摻入一定量的鎢酸鋯后，水泥砂漿材料的熱膨脹系數(shù)大大降低。故ZrW2O8與水泥按照質(zhì)量份比30∶100混合制備水泥砂漿時，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)達到最佳。

摻鎢酸鋯的水泥復合材料砂漿試件熱膨脹系數(shù)的降低，主要有兩方面的原因：一是由于ZrW2O8粉體本身具有負的熱膨脹系數(shù)，表現(xiàn)為負熱膨脹性。由于復合材料性能的相補效應，復合體系的線膨脹降低。二是在制備摻入鎢酸鋯水泥砂漿試件的過程中，由于鎢酸鋯本身的顆粒體積較小，平均粒徑僅為4～7 μm[32]，比水泥砂漿中各組成的成分粒徑都要小，ZrW2O8粉體能夠充分分散于水泥和標準砂及水化產(chǎn)物中，填充了水泥砂漿硬化過程中產(chǎn)生的孔隙，使得ZrW2O8粉體與水泥水化物結(jié)合緊密，從而有效阻止了水泥砂漿在受到外界熱荷載時的膨脹。

另外，隨著負熱膨脹材料ZrW2O8比例的增加，其填充體積增大，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)降低。當m(ZrW2O8)∶m(C)=30∶100時，摻入鎢酸鋯水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)由原來的8.64×10-6/℃降低至3.73×10-6/℃，與未摻入鎢酸鋯的水泥砂漿相比，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)降低了56.83%，相當于增加了30%的鎢酸鋯摻入量。同時考慮到使用鎢酸鋯的成本價格，選擇ZrW2O8與水泥按照質(zhì)量份比30∶100混合制備水泥砂漿，能夠有效降低其熱膨脹系數(shù)達57%左右。綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

1) 只有當環(huán)境溫度大于80℃時，ZrW2O8的負熱膨脹特性對水泥基復合材料中的正熱膨脹的補償作用才是有效的，否則ZrW2O8在熱響應中可以被看作是砂。

2) 通過改變添加ZrW2O8摻入量的比例，可以使水泥基復合材料具有可調(diào)的、極低的熱膨脹系數(shù)，從8.64×10-6/℃到2.48×10-6/℃。試驗研究表明，摻鎢酸鋯水泥復合材料砂漿試件熱膨脹系數(shù)降低的程度隨鎢酸鋯摻入比例的增加而逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定。

當然，僅僅考慮降低水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)這個熱學參數(shù)是不夠的，需要結(jié)合摻入鎢酸鋯水泥砂漿的力學性能(抗折強度和抗壓強度)來綜合考慮，選擇既能夠最大限度地降低水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，又能最低限度地影響水泥基復合材料力學性能的添加量[11]。

4 復合材料熱膨脹系數(shù)理論預測

對于摻入鎢酸鋯水泥砂漿試件，已經(jīng)通過應變片法測量水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)。但僅從實驗方面獲取水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的數(shù)值，并不能完全解決試驗數(shù)據(jù)是否準確可靠的疑問。所以本文根據(jù)混合律，從水泥基復合材料的組成成分出發(fā)，在理論上求出摻入鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的理論值，進而與實驗值進行對比，側(cè)面證明實驗值的準確性和可靠性。

根據(jù)混合律，鎢酸鋯水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)可近似用水泥石、砂和鎢酸鋯的熱膨脹系數(shù)的加權(quán)平均值表示：

(5)

1=Vp+Vs+Vg

(6)

式中：αp、αs、αg分別為水泥石、砂和鎢酸鋯的熱膨脹系數(shù)；Ep、Es、Eg分別為水泥石、砂和鎢酸鋯的彈性模量；Vp、Vs、Vg分別為水泥石、砂和鎢酸鋯的體積率。

由式(5)和式(6)可以推算出鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的理論預測值。通過查找相關(guān)文獻及資料發(fā)現(xiàn)，硬化水泥石的熱膨脹系數(shù)約在(15～20)×10-6/℃之間[12]，砂的熱膨脹系數(shù)為(11～12)×10-6/℃[13-14]，鎢酸鋯在本文第一章已介紹其熱膨脹系數(shù)為-8.7×10-6/℃。

當未摻入鎢酸鋯時，將水泥砂漿復合材料中各成分熱膨脹系數(shù)的常規(guī)數(shù)值代入上述公式，計算出其值為8.93×10-6/℃，當m(ZrW2O8)∶m(C)=30∶100時，其值為4.08×10-6/℃。研究發(fā)現(xiàn)，試驗測量值與理論預測值雖然存在一點偏差，但大致接近，可以證明試驗結(jié)果的可靠性。偏差大致產(chǎn)生的原因包括以下幾點：

1) 應變片法本身就有允許誤差。因為應變片測量的變形僅僅代表試件表面所粘貼長度的平均線應變，不能代替整個試件由于加熱所產(chǎn)生的熱應變。

2) 由于本試驗采取石英玻璃片作為補償材料，熱膨脹系數(shù)極小，與被測材料的熱膨脹系數(shù)之差越大，測量的結(jié)果將會越接近真實值。

3) 應變片的粘貼效果也能夠很好地反映材料的熱應變值，膠粘劑的熱敏性亦會引起誤差，本文采取的膠粘劑適用于高精度應變測量。但其本身會隨溫度變化產(chǎn)生一定的應變，對測量結(jié)果造成影響。