一种砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试仪与测试方法与流程

本发明涉及砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试，特别是涉及一种砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试仪与测试方法；属于建筑材料湿涨干缩检测技术领域。

背景技术：

吸湿膨胀实验作为研究建筑材料膨胀变形与含湿率关系的重要手段，目前国内未有吸湿膨胀的相关实验方法。欧盟有关建筑材料湿胀收缩的标准规范了建筑材料的湿膨胀系数定义和测定方法，采用低相对湿度到高相对湿度分段测量的方式分别测量各段湿度阶段内稳态下的膨胀值和含湿率，因数据量有限，膨胀值与含湿率间关系易受测量误差的影响。

国内研究建筑材料吸湿膨胀多参考相关的干燥收缩实验方法，是在某一恒定温度和相对湿度下手动测试膨胀值和含湿率。这种方法试件内部与表面的湿度梯度相差较大，无法准确反映膨胀值和含湿率的关系；且因数据量少、易受人为测量误差影响，如采用阶段吸湿的办法测量，因每阶段相对湿度变化小，建筑材料相应膨胀变形也较小，会放大相对测量误差，影响整个吸湿膨胀过程测量的准确性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试仪与测试方法。该方法利用建筑材料处于准静态膨胀条件下膨胀值与含湿率变化相适应的特点，用动态方式依次测量由低到高小范围变化相对湿度区间内的瞬时膨胀量和吸湿量。测量结果不受数据量和单个数据测量失误的影响，可直接获得等温状态下膨胀值与含湿率曲线，实现了砌墙砖吸湿膨胀过程的动态测量，并可计算砌墙砖的湿膨胀系数。

本发明所采用的技术方案是：

一种砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试仪，其特征在于：包括千分表、电子天平、玻璃千分表底座、石英管、第一螺纹杆、玻璃试件底座、转换梁、横梁、恒湿箱盖板、恒湿箱箱体、天平罩和电脑；恒湿箱箱体内设有玻璃千分表底座和玻璃试件底座；在试件的两侧，玻璃千分表底座和玻璃试件底座分别开孔，两石英管端头分别设置在两侧的开孔位置；每个石英管内分别设有第一螺纹杆，两根第一螺纹杆上均设第一螺母和第一弹簧垫圈以及第二螺母和第二弹簧垫圈，将第一螺纹杆连接在玻璃千分表底座和玻璃试件底座上；第一螺纹杆与第一螺母和第二螺母固定连接，第一弹簧垫圈、第二弹簧垫圈、石英管以及玻璃千分表底座和和玻璃试件底座之间均为活动连接；千分表固定在玻璃千分表底座中心位置上，千分表为凹锥型测头，玻璃试件底座中心设有凹锥型支点，试件的上端面和下端面中心分别预埋上收缩头和下收缩头，试件通过上收缩头和下收缩头与千分表凹锥型测头和玻璃试件底座凹锥型支点接触；玻璃千分表底座上端设有转换梁，第一螺纹杆穿过玻璃千分表底座与转换梁连接；

在恒湿箱盖板上放置电子天平，电子天平上方罩有天平罩，在电子天平托盘上放置横梁，横梁和转换梁通过穿过水箱盖板的第二螺纹杆连接，第三螺母与第二螺纹杆连接；

所述电子天平采用数据线连接电脑，所述千分表采用无线传输方式连接电脑；恒湿箱箱体下端设有小门，用于更换结晶皿，结晶皿内盛有饱和盐溶液。

为进一步实现本发明目的，优选地，玻璃千分表底座的材质为玻璃，选用8mm普通玻璃。

优选地，所述玻璃千分表底座和玻璃试件底座截面尺寸为12mm×12mm，于型心和距两对边向内1cm处，分别设有φ8孔。

优选地，所述玻璃千分表底座中心开有通孔，并粘结千分表夹具，夹具固定千分表。

优选地，所述千分表选用电子千分表，量程10mm以上，精度0.001mm。

优选地，所述电子天平的量程6000g以上，天平精度0.01g。

优选地，横梁为扁平状不锈钢结构，宽度不小于30mm，厚度5mm。

优选地，试件的上端面和下端面分别通过环氧树脂胶固定上收缩头和下收缩头，收缩头选用标准黄铜收缩头。

应用所述测试仪的砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试方法，包括如下步骤：

1)在20‐25℃恒温条件下，配制LiCl饱和盐溶液，把试件放入底部置有LiCl饱和盐溶液的恒湿箱箱体内，待试件在LiCl饱和盐溶液上方吸放湿至平衡含湿率，测量试件初始平衡质量m_eq和长度l_eq；

2)配制CH₃COOK饱和盐溶液，把试件装入测量框架，试件的上端面收缩头和下端面收缩头与千分表凹锥型测头和玻璃试件底座凹锥型支点接触；电子千分表和电子天平连接电脑，归零，设置膨胀量和吸湿量记录间隔，实验初始阶段采用5‐10min/次的记录间隔，1d之后记录间隔改为30min‐1h/次，开启自动记录，全程自动记录膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i，i＝1，等待试件在相对湿度(23.1±0.3)％的恒温环境中平衡，待试件平衡后，停止记录，膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i自动保存到文档；

3)配制MgCl₂饱和盐溶液，从恒湿箱底部小门取出CH₃COOK饱和盐溶液，换入MgCl₂饱和盐溶液，设置膨胀量和吸湿量记录间隔，实验初始阶段采用5‐10min/次的记录间隔，1d之后记录间隔改为30min‐1h/次，开启自动记录，全程自动记录膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i，i＝2，试件再次平衡后，停止记录，膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i自动保存到文档；

4)依次配制并换置K₂CO₃、Mg(NO₃)₂、KI、NaCl、KCl和K₂SO₄饱和盐溶液，重复3)操作步骤，记录到膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i；i分别为3，4，5，6，7和8；

5)完成所有阶段测量后，把试件从仪器上取下并放入烘干箱内烘干至恒重，测量试件绝干质量m₀；

6)电子千分表和电子天平分别采集的瞬时读数自动输出至电脑，把输出的四个阶段的全部膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i数据带入公式(1)和(2)分别计算试件空气吸湿膨胀过程中的膨胀值ε_t,i和含湿率σ_t,i，生成膨胀值ε_t,i和含湿率σ_t,i散点图，形成吸湿膨胀特征曲线；

式中，σ_t,i为试件的含湿率，％；

和m_t,i分别为t₀和t时刻吸湿量，是实验开始时刻t₀和实验第i阶段中t时刻试件、横梁和测量框架的整体质量的电子天平瞬时读数，g；i＝1,2,3,4，5，6，7，8，分别代表试件从LiCl至CH₃COOK，CH₃COOK至MgCl₂，MgCl₂至K₂CO₃，K₂CO₃至Mg(NO₃)₂，Mg(NO₃)₂至KI，KI至NaCl，NaCl至KCl，KCl至K₂SO₄的8个阶段；电子千分表归零后，m_t0＝0；

m₀为试件绝干质量，g；

m_eq为试件初始平衡质量，g；

ε_t为试件膨胀值，mm/m；

l_eq为实验前测量的试件长度，mm；

l₀和l_t,i分别为t₀和t时刻膨胀量，是电子千分表测试时t时刻读数和初始读数，mm；电子千分表归零后，l₀＝0；

l'和l″分别为试件两收缩头埋入试件长度，mm。

在每个吸湿阶段中，采用绘制膨胀量l_t,i‐时间t曲线判断该阶段吸湿膨胀过程是否结束，当膨胀量l_t,i‐时间t曲线达到其渐近线值时，判定该阶段的吸湿膨胀过程结束，即试件平衡。

测量框架由千分表、凹锥型测头、第一螺母、第二螺母、第一弹簧垫圈、第二弹簧垫圈、玻璃千分表底座、石英管、第一螺纹杆、玻璃试件底座、支点固定螺母、凹锥型支点组成。

结晶皿内盛有饱和盐溶液，饱和盐溶液用于控制恒湿箱内相对湿度，试件吸湿膨胀测量阶段需大体均分，如果无特殊要求，本发明采用LiCl，CH₃COOK，MgCl₂，K₂CO₃、Mg(NO₃)₂、KI、NaCl、KCl和K₂SO₄饱和盐溶液组成8个吸湿膨胀阶段，20℃时，9种饱和溶液对应相对湿度分别为(11.3±0.3)％，(23.1±0.3)％，(33.1±0.2)％，(43.2±0.4)％，(55.9±0.3)％，(69.9±0.3)％，(75.5±0.2)％，(85.1±0.3)％，(97.6±0.6)％；25℃时，9种饱和溶液对应相对湿度分别为(11.3±0.3)％，(22.5±0.4)％，(32.8±0.2)％，(43.2±0.4)％，(54.4±0.3)％，(68.9±0.3)％，(75.3±0.2)％，(84.3±0.3)％，(96.3±0.5)％；每种饱和盐溶液在换入恒湿箱前配制，饱和盐溶液应该保持有30％‐90％的盐未溶解于水，在给定温度下盐的重量应该比完全溶解的量大30％；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明以石英管抗温度变形特性为基础，建立标距定位系统，解决了膨胀发展过程连续动态测量中标距定位的关键问题，测量全程无需拆卸试件，实现了动态测量。

2)本发明结构合理，操作方便，通过营造准静态膨胀条件，用动态方式依次测量由低到高小范围变化相对湿度区间内的瞬时膨胀量和吸湿量。测量精度高，连续性好，测量结果不受数据量和单个数据测量失误的影响，生成的膨胀值和含湿率散点图即为等温状态下吸湿膨胀曲线，测量结果更为准确、直观。

附图说明

图1为本发明砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试仪的结构示意图；

图2为图1中的转换梁和横梁与第二螺纹杆连接示意图。

图3为图1中的测量框架连接示意图。

图4为图1中的试件示意图。

图中示出：千分表1、凹锥型测头1‐1、电子天平2、第一螺母3‐1、第二螺母3‐2、第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2、玻璃千分表底座5、石英管6、第一螺纹杆7、玻璃试件底座8、下收缩头9、支点固定螺母10、凹锥型支点11、上玻璃片12、转换梁13、横梁14、第二螺纹杆14‐1、第三螺母14‐2、恒湿箱盖板15、恒湿箱箱体16、天平罩17、小门18、结晶皿19、饱和盐溶液20、试件21、电脑22。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明进一步说明，但本发明的实施方式不限如此。

如图1‐4所示，一种砌墙砖吸湿膨胀变形动态测试仪，包括千分表1、电子天平2、玻璃千分表底座5、石英管6、第一螺纹杆7、第二螺纹杆14‐1、玻璃试件底座8、转换梁13、横梁14、恒湿箱盖板15、恒湿箱箱体16、天平罩17、结晶皿19和电脑22；恒湿箱箱体16内设有玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8；试件21的两侧分别设有玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8，玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8分别开孔，两石英管6端头分别设置在两侧的开孔位置；每个石英管6内分别设有第一螺纹杆7，两根第一螺纹杆7上均设第一螺母3‐1和第一弹簧垫圈4‐1以及第二螺母3‐2和第二弹簧垫圈4‐2，将第一螺纹杆7连接在玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8上；第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2、石英管6、玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8活动连接；千分表1固定在玻璃千分表底座5中心位置上，千分表下端设有凹锥型测头1‐1，玻璃试件底座中心设有凹锥型支点11，试件的上端面和下端面中心分别预埋上收缩头12和下收缩头9，试件通过上收缩头12和下收缩头9与千分表凹锥型测头1‐1和玻璃试件底座凹锥型支点11接触；玻璃千分表底座5上端设有转换梁13，第一螺纹杆7穿过玻璃千分表底座5与转换梁13连接。

在恒湿箱盖板15上放置电子天平2，在电子天平2上放置横梁14，横梁14和转换梁13通过穿过水箱盖板15的第二螺纹杆14‐1连接，采用第三螺母14‐2与第二螺纹杆14‐1连接。横梁14上方罩有天平罩17，减少箱体内部空气与箱体外环境空气湿度交换。

电子天平2采用数据线连接电脑22，千分表1采用无线传输方式连接电脑22；恒湿箱箱体16底部设有结晶皿19，结晶皿19内盛有饱和盐溶液20；恒湿箱箱体16下端设有小门18，用于更换结晶皿19。

测量框架由千分表1、凹锥型测头1‐1、第一螺母3‐1、第二螺母3‐2、第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2、玻璃千分表底座5、石英管6、第一螺纹杆7、玻璃试件底座8、支点固定螺母10和凹锥型支点11组成。

本发明中，千分表1选用电子千分表，优选量程10mm以上，精度0.001mm；采用无线传输数据，数据实现自动记录；以防止数据线对吸湿量测试产生影响。电子天平2的量程6000g以上，天平精度0.01g，具备数据传输功能。

玻璃千分表底座5的材质为玻璃，选用8mm普通玻璃，具有不吸水、常温下受弯不变形的特点，可有效减轻质量，玻璃千分表底座5用于固定千分表1。玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8截面尺寸优选12mm×12mm，于型心和距两对边向内1cm处，分别设有φ8孔。

横梁14为扁平状不锈钢结构，宽度不小于30mm，厚度5mm，可避免长时间受力弯曲，保证横梁14与天平托盘有效接触，并在外界环境震动时有效防止测量框架摆动而造成的测量误差。

电子天平2尺寸较大，横梁14两端两第二螺纹杆14‐1间距较大，连接玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8的两第一螺纹杆7的间距较小，两根第一螺纹杆7和两根第二螺纹杆14‐1无法直接连接，因此在中间加一道转换梁13。

试件21为标准尺寸的砌墙砖，尺寸为240mm*115mm*53mm，或长度为240mm的空心砖。

测量时为防止温度波动影响测量结果，玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8间的距离必须恒定不变，石英管6具有极小的温度线膨胀系数，可实现该功能，以减小测量误差。

第一螺纹杆7与第一螺母3‐1和第二螺母3‐2固定连接，第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2、石英管6以及玻璃千分表底座5和和玻璃试件底座8之间均为活动连接，构成弹性标距定位系统，能够有效消除第一螺纹杆7的蠕变和温变影响：玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8外侧的第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2始终能够保持对内侧石英管的轴向压力，当第一螺纹杆7产生蠕变欲增大玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8之间间距时，第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2会释放其内部弹性势能，维持石英管6处于受压状态，从而稳定玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8之间距离不会改变。当环境温度升高，第一螺纹杆7伸长，第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2就会释放弹性势能，作用于玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8外侧，保持石英管6两端的压力，稳定标距距离；而当环境温度下降，第一螺纹杆7收缩，第一弹簧垫圈4‐1、第二弹簧垫圈4‐2受压，弹性势能增加，玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8依然对石英管6两端施压，维持测量标距稳定。本发明石英管6实现了实时自校准，取代了传统干缩膨胀仪每次测量数据均需用标准杆手动校准的过程。

本发明的测试过程如下：

试件制作：如图4所示，在待测的试件21长轴方向的两端面中心位置用电钻钻直径6‐10mm、深约13mm的孔；清除孔内粉末，内灌环氧树脂胶，在试件长轴方向埋置下收缩头9和上收缩头12，下收缩头9和上收缩头12中心线应与试件21中心线重合，否则重装。

结晶皿内盛有饱和盐溶液，饱和盐溶液用于控制恒湿箱内相对湿度，试件吸湿膨胀测量阶段需大体均分，如果无特殊要求，本发明采用LiCl，CH₃COOK，MgCl₂，K₂CO₃、Mg(NO₃)₂、KI、NaCl、KCl和K₂SO₄饱和盐溶液组成8个吸湿膨胀阶段，20℃时，上述9种饱和溶液对应相对湿度分别为(11.3±0.3)％，(23.1±0.3)％，(33.1±0.2)％，(43.2±0.4)％，(55.9±0.3)％，(69.9±0.3)％，(75.5±0.2)％，(85.1±0.3)％，(97.6±0.6)％；每种饱和盐溶液在换入恒湿箱前配制，饱和盐溶液应该保持有30％‐90％的盐未溶解于水，在给定温度下盐的重量应该比完全溶解的量大30％；

配制LiCl饱和盐溶液20，把试件21放入底部置有LiCl饱和盐溶液20的恒湿箱内，待试件在LiCl饱和盐溶液20上方吸放湿至平衡含湿率，拿出试件21测量初始平衡质量m_eq和长度l_eq；

配制CH₃COOK饱和盐溶液20，把试件21(已换入CH₃COOK饱和盐溶液20)装入测量框架，试件21上收缩头12和下收缩头9与千分表凹锥型测头1‐1和玻璃试件底座凹锥型支点11接触；电子千分表1和电子天平2连接电脑22，设置膨胀量和吸湿量记录间隔，实验初始阶段采用5‐10min/次的记录间隔，1d之后记录间隔改为30min‐1h/次，开启自动记录，全程自动记录膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i，i＝1；等待试件21在相对湿度(23.1±0.3)％的恒温环境中平衡，当膨胀量l_t,1‐时间t曲线达到其渐近线值时，判定该阶段的吸湿膨胀过程结束，停止记录，膨胀量l_t,1和吸湿量m_t,1自动保存到文档；配制MgCl₂饱和盐溶液20，从恒湿箱箱体16底部小门18取出CH₃COOK饱和盐溶液，换入MgCl₂饱和盐溶液，设置膨胀量和吸湿量记录间隔，实验初始阶段采用5‐10min/次的记录间隔，1d之后记录间隔改为30min‐1h/次，开启自动记录，全程自动记录膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i，i＝2；当膨胀量l_t,2‐时间t曲线达到其渐近线值时，判定该阶段的吸湿膨胀过程结束，停止记录，膨胀量l_t,2和吸湿量m_t,2自动保存到文档；依次配制并换置K₂CO₃、Mg(NO₃)₂、KI、NaCl、KCl和K₂SO₄饱和盐溶液，无需取下试件，重复MgCl₂饱和盐溶液环境下的测量步骤，膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i，i分别为3，4，5，6，7和8；完成所有阶段测量后，把试件21从仪器上取下并放入烘干箱内烘干至恒重，测量试件绝干质量m₀；

在每个吸湿阶段中，采用绘制膨胀量l_t,i‐时间t曲线判断该阶段吸湿膨胀过程是否结束，当膨胀量l_t,i‐时间t曲线达到其渐近线值时，判定该阶段的吸湿膨胀过程结束。

电子千分表1和电子天平2分别采集的瞬时读数自动输出至电脑22，把输出的四个阶段的膨胀量l_t,i和吸湿量m_t,i数据带入公式(1)和(2)分别计算试件空气吸湿膨胀过程中的膨胀值ε_t,i和含湿率σ_t,i，生成膨胀值ε_t,i和含湿率σ_t,i散点图，形成吸湿膨胀特征曲线。

试件21的含湿率σ_t由公式表示：

式中，σ_t,i为试件的含湿率，％；分别为t₀和t时刻吸湿量，是实验开始时刻t₀和实验第i阶段中t时刻试件、横梁和测量框架的整体质量的电子天平瞬时读数，g；i＝1,2,3,4，5，6，7，8，分别代表试件从LiCl至CH₃COOK，CH₃COOK至MgCl₂，MgCl₂至K₂CO₃，K₂CO₃至Mg(NO₃)₂，Mg(NO₃)₂至KI，KI至NaCl，NaCl至KCl，KCl至K₂SO₄的8个阶段；电子千分表归零后，m₀为试件绝干质量，g；m_eq为试件初始平衡质量，g；

千分表变化值即为试件21的吸湿膨胀量，公式如下：

式中，ε_t,i为试件膨胀值，mm/m；l_eq为实验前测量的试件长度，mm；l₀和l_t,i分别为t₀和t时刻膨胀量，是电子千分表测试时t时刻读数和初始读数，mm；电子千分表归零后，l₀＝0；

把试件放在水中通过电子千分表1和电子天平2自动测量试件的吸水量和膨胀量，干燥后要测量的是干燥的质量；数据测量间隔最小可设置为1s/次。

目前国内未有吸湿膨胀的相关实验方法，建筑材料吸湿膨胀特性研究多是在某一恒定温度和相对湿度下手动测试膨胀值和含湿率。这种测试方法试件内部与表面的湿度梯度相差较大，无法准确反映膨胀值和含湿率的关系；如采用多相对湿度阶段连续吸湿的方法测量，因每阶段相对湿度变化小，建筑材料相应膨胀变形也较小，放大了相对测量误差，影响整个吸湿膨胀过程测量的准确性。

欧盟有关建筑材料湿胀收缩的标准规范了建筑材料的湿膨胀系数定义和测定方法，采用低相对湿度到高相对湿度分阶段测量的方式测量各湿度区间内稳态下的膨胀值和含湿率，因数据量有限，膨胀值与含湿率间关系易受测量误差的影响。

本发明装置和方法利用建筑材料在准静态膨胀条件下膨胀值与含湿率变化相适应的特点，用动态方式依次、同步测量由低到高小范围变化相对湿度区间内的瞬时膨胀量和吸湿量。测量结果不受数据量和单个数据测量失误的影响，可直接获得等温状态下膨胀值与含湿率曲线，实现了砌墙砖吸湿膨胀过程的动态测量。