数显式电位位移计在混凝土静弹试验中的应用研究

贾春鑫，李新生

（苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011）

0 引言

在分析混凝土结构、预应力混凝土等结构体系的应力、变形和裂缝时，混凝土弹性模量是一个非常重要的参数，弹性模量测试结果的准确与否，直接影响分析结果，特别是对结构健康监测尤为重要。

千分表作为规范[1]中最早规定的混凝土弹性模量测试仪器，其经济适用、原理简单，易为试验人员掌握，在工程检测中应用普遍，但这种测定方法也存在安装定位繁杂、试验参与人员多、易引起人为误差等诸多问题。电阻应变片法[2]具有测试精度相对较高、测试结果稳定等特点，倍受高校、科研院所等机构青睐，但该法存在应变片不能重复利用、应变片需粘贴24 h后才能试验等缺点，在工程中难以推广使用。利用激光测长仪和位移传感器来测试混凝土的弹性模量，理论上可行，但目前真正应用于工程中却很少见，有关科研文献也不多。

基于以上原因，文章探讨了KDC-18型位移传感器与数显式仪表配合使用，测试标准养护条件下不同龄期C50混凝土的弹性模量，并与传统千分表法、电阻应变片法进行对比分析。测试结果表明，数显式电位位移计法测试方法简便、快速、测试结果准确，有较好的工程应用推广价值。

1 试验装置选配

为改进混凝土受压弹性模量测试方法，微变形测量仪器选用米诺KDC-18铰链式位移传感器，量程10 mm,内置可变电阻为1 000Ω，线性误差±0.05%，数字仪表选用2通道高精度自动数显仪表见图1。

图1 数显式弹性模量电位位移测量装置

该位移传感器可通过接触片位置的变化改变可变电阻两侧电阻值，使输出电压产生变化，而电阻变化与变形成正比，通过数据采集仪对输出电压进一步放大，测试精度可达±0.001 mm，满足弹性模量测试精度要求。

测试步骤：①在被测试块上采用专用固定架确定弹性模量的测试位置；②将专用螺丝用502胶水固定相应测试位置上；③将位移传感器固定在专用螺丝上；④被测试块放置于压力试验机上；⑤连接传感器与测试仪表。

2 模拟对比试验

2.1 试验概况

为验证数显式电位位移测量装置测试混凝土受压弹性模量的精准程度，探讨该设备装置在实际工程试验中应用的可行性，本试验借助苏州市城北路改建工程长浒大桥主桥箱梁混凝土（设计强度等级C50）及悬臂施工过程对混凝土不同龄期弹性模量要求，制作了标养条件下的6种龄期（分别为3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d）的混凝土棱柱体试件共18组，每组15个试件，共计270个试件。每一种龄期选用3个试件做轴心抗压强度，12个试件分别采用前述三种测试方法进行弹性模量同步对比试验。

2.2 试验材料

本试验采用南方牌P·O 42.5级水泥，S95级矿粉，细骨料为芜湖中砂，粗骨料为5~25 mm碎石，聚羧酸系高性能减水剂，以上材料均通过原材料的各种性能测试，测试结果为合格级。

2.3 混凝土配合比

本试验试件均采用室内拌合方式分批成型，配合比见表1。

表1 C50混凝土配合比

2.4 测试方法的试验效果分析

在混凝土弹性模量试验中由于试件尺寸偏差或微变形测量仪定位、安装误差等因素，导致在试验的对中阶段，常发生测读试件两侧变形值之差不满足标准要求、试验结果无效的情况。选取两种龄期（7 d、28 d）的混凝土弹性模量试验，分别用上述三种方法验证对中阶段测试结果的有效性，分析结果见表2。

表2 混凝土弹模对中试验阶段不同方法测试分析结果汇总

从表2可见：位移计法与千分表法、应变片法基本能取得一致的有效测试结果，且测试结果的稳定性、有效性好于千分表。表明该数显式电位位移计可用于混凝土弹性模量试验。

2.5 弹性模量测试结果与分析

对试验数据进行分析整理，分析结果见表3。根据分析结果绘制本工程中混凝土弹性模量随龄期的变化曲线，见图3。

表3 三种方法测得不同龄期混凝土弹性模量

图3 混凝土弹性模量随龄期发展对比

从表3可见：

（1）千分表法测得混凝土3 d、5 d、7 d、14 d和56 d弹性模量分别为28 d弹性模量的85.2%、89.6%、94.5%、98.1%和100.3%。

（2）位移计法测得混凝土3 d、5 d、7 d、14 d和56 d弹性模量分别为28 d弹性模量的85.6%、91.2%、95.5%、98.6%和100.8%。

（3）应变片法测得混凝土3 d、5 d、7 d、14 d和56 d弹性模量分别为28 d弹性模量的85.7%、90.2%、95.0%、98.3%和100.6%。

从图3可见混凝土早期弹性模量随龄期的增加而增长，基本以7 d为分界点，7 d之前增长速率较快，基本呈直线变化，7 d后增加速率渐缓，呈曲线变化，至28 d之后基本趋于稳定。同一龄期混凝土弹性模量分析值，三种方法分析结果相差不大，均可用于工程结构分析。

3 经济效益分析

混凝土弹性模量测试过程总体耗时较长，三种方法在整个试验阶段所耗用时间有较大差别。表4列取了7 d和28 d两种龄期弹性模量测试全程耗用时间及实验参与人员对比情况。

表4 三种弹性模量测试方法全程各阶段耗时及参与人员对比

根据表4结合三种方法的实际操作状况，可得以下结论：

（1）千分表法简单实用、相对成本较低，但安装定位较繁杂、劳动强度较大、参与试验人员相对较多，而且试件对中效果相对较差、仪器拆卸繁琐、耗时较长。

（2）应变片法测试中试件对中效果较好、数据自动采集、测试结果相对较稳定[3]，但应变片为一次性消耗品、粘贴工作一般要在正式试验前24 h完成，数据采集系统一般为专用设备、仪器,成本相对较高,该法一般在科研工作中采用,工程实用价值相对较低。

（3）位移计法操作简便，设备能重复利用，安装定位及拆卸时间短、试件对中效果良好，读数、记录方便，整个试验过程耗时最短，且只需1名试验人员就能完成全套试验，单位时间内完成的实验产值得到大大提高，工程实用价值相对较高，经济效益明显。

4 结语

数显式电位位移计是混凝土弹性模量测试的一种较理想的微变形测量仪，该套设备测试结果有效、省时省力、人为读数误差较小，经济效益显著，有较好的工程应用推广价值。