一种砌墙砖吸水膨胀变形动态测试仪与测试方法与流程

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

背景技术：

现阶段，砌墙砖的吸水膨胀规律可采用装有千分表的砌墙砖收缩膨胀仪手动方法测量。现有砌墙砖收缩膨胀仪由底座、试件架、测量框架、千分表、标准杆等组成，试件架固定在底座上方，试件放在试件架上，测量框架下方固定有千分表，测量框架非固定在试件架上，只需实施测量时套在标准杆或试件两端测点上即可。测量砌墙砖吸水膨胀时，在试件浸水前先用砌墙砖收缩膨胀仪的标准杆调整仪表原点，然后测量试件初始长度，并用电子天平测量试件初始质量，然后把试件浸入水中，每隔一段时间，从水中将试件取出擦拭至面干状态(或者对试件进行固定时间沥水，如1min)，用砌墙砖收缩膨胀仪和电子天平重复浸水前的测量步骤手动测量试件膨胀量和质量，计算得到当前状态下膨胀值和含水率；如此反复测量，直至实验结束，然后根据测量膨胀值和含水率绘制吸水膨胀特性曲线。

由于试件在测量初期吸水迅速，需频繁将其取出水面测量膨胀量和吸水量，严重打破了试件的吸水膨胀过程，加之吸水量测量时试件饱和面干状态不易掌握，无法提高膨胀值和含水率测量的准确性，绘制的吸水膨胀特性曲线也非常粗糙，规律性不明显。

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水膨胀变形动态测试仪与测试方法；实现吸水膨胀过程的连续、自动、精确的测量，消除了人工测量误差，避免了传统实验中由试件频繁出入水中导致的吸水过程不连续，以及在实验初期吸水膨胀过快导致的测量不准确等难题。

本发明所采用的技术方案是：

一种砌墙砖吸水膨胀变形动态测试仪，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、水箱盖板、水箱箱体和电脑；水箱箱体设有水箱盖板，设置在水箱箱体内的试件的上端面和下端面分别设有上玻璃片和下玻璃垫片；试件的上端和下端分别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；试件下端面中心钻垂直孔，预埋试件固定螺杆和中心穿孔的下玻璃垫片，试件固定螺杆通过试件固定螺母固定在玻璃试件底座上；千分表固定在玻璃千分表底座上，千分表的千分表头与试件的上玻璃片接触；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；

在水箱盖板上放置电子天平，在电子天平上放置横梁，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；水箱箱体的底部设有放水阀门。

测量框架由千分表、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、玻璃试件底座组成。

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玻璃片和下玻璃垫片。

应用所述测试仪的砌墙砖吸水膨胀变形动态测试方法，包括如下步骤：

1)将试件放置实验环境中调节至平衡含水率,测量试件的表观体积V_s,0和长度l；

2)拉动千分表至最大量程处，把试件底部的试件固定螺杆插入玻璃试件底座中心孔中，旋紧试件固定螺母固定试件；电子千分表和电子天平连接电脑，设置膨胀量和吸水量记录间隔，开启自动记录，全程自动记录；

3)向水箱内加水至玻璃千分表底座下方1cm水位处；实验后通过阀门排净水箱箱体内的水；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；

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，根据公式(1)和(2)分别计算试件整个吸水膨胀过程中的膨胀值ε和含水率W_V,t，并生成膨胀值和含水率散点图，形成吸水膨胀特征曲线；

式中，W_V,t为试件的含水率，％；

V_s,0为试件的表观体积，实验前测试计算所得，cm³；

m_tp,0为试件浸水前吊装状态下的试件、横梁、测量框架的整体质量的电子天平初始读数，g；

m_tp,t为实验中试件、横梁和测量框架受到浮力后的整体质量的电子天平瞬时读数，g；

V_j表示测量框架的排水体积，为未装试件实验状态下测量框架的排水体积的三次平均值，是常数，cm³；

m_eq和m_s,0分别为试件在空气中的平衡状态质量和烘干后质量，g；

ε为试件吸水膨胀值，mm/m；

Δl为试件吸水的膨胀量，为电子千分表测试时的瞬时读数l_t和初始读数l_eq之差，mm；

l为实验前测量的试件长度，mm；

l_t和l_eq分别为测试时瞬时读数和电子千分表初始读数，mm。

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，用于动态测量砌墙砖浸入水中后试件的实时吸水膨胀变形量和吸水量，解决砌墙砖吸水膨胀测量和吸水量测量时需反复拿出水面测量的难题，实现了吸水膨胀发展过程的高精度连续测量。

2)本发明结构合理，操作方便，实现了在水中对砌墙砖膨胀量和吸水量的全自动动态测量，测试精度高，连续性好，生成的含水率和膨胀率散点图即为吸水膨胀特性曲线，无需绘制数据点间连接线，测量结果更为准确、直观。

附图说明

图1为本发明砌墙砖吸水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、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、下玻璃片9、试件固定螺杆10、试件固定螺母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、水箱盖板15、水箱箱体16、阀门17、水位18、试件19、电脑20。

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，一种砌墙砖吸水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、玻璃试件底座8、转换梁13、横梁14、水箱盖板15、水箱箱体16和电脑20；水箱箱体16设有水箱盖板15，设置在水箱箱体16内的试件19的上端面和下端面分别设有上玻璃片12和下玻璃垫片9；试件19的上端和下端分别设有玻璃千分表底座5和玻璃试件底座8；在试件19的两侧，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和第二弹簧垫圈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；试件19下端面中心钻垂直孔，预埋试件固定螺杆10和中心穿孔的下玻璃垫片9，试件固定螺杆10通过试件固定螺母11固定在玻璃试件底座8上。千分表1固定在玻璃千分表底座5上，千分表1的千分表头与试件19的上玻璃片12接触；具体是玻璃千分表底座5中心开有通孔，并粘结千分表夹具，夹具固定千分表1。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。

在水箱盖板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。

电子天平2采用数据线连接电脑20，千分表1采用无线传输方式连接电脑20。

水箱箱体16底部设有防水阀门17。

测量框架由千分表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。以防止数据线对吸水质量测试产生影响。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，各钻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19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，解决了吸水膨胀实验中试件在水中膨胀量的连续测量难题。

本发明的测试过程如下：

试件制作：如图3所示，在待测的试件19长轴方向的下端面中心位置用电钻钻直径8mm、深约15mm的孔；清除孔内粉末，内灌环氧树脂胶，在试件长轴方向埋入37mm长试件固定螺杆10；待粘牢后，用环氧树脂胶分别在上下端面中心位置粘结下玻璃片9、上玻璃片12。

试件19放置实验环境(例如温度20℃，相对湿度65％环境)中调节至平衡含水率；测量试件19的尺寸和平衡状态质量；拉动千分表1至最大量程处，把试件19底部的试件固定螺杆10插入玻璃试件底座8中心孔中，旋紧试件固定螺母11固定试件19；千分表1和电子天平2连接电脑20设置膨胀量和吸水量记录间隔(如表1)，开启自动记录，并全程自动记录；向水箱内加水至水位18(玻璃千分表底座5下方1cm)处；实验后通过阀门17排净水箱箱体16内的水。为计算试件含水率，把试件从仪器上取下并放入(105±5)℃烘干箱内烘干至恒重，测量试件绝干质量。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20，可根据实验前测量的试件19尺寸计算出整个吸水膨胀过程中的膨胀值ε和含水率W_V,t，并生成膨胀值和含水率散点图，形成吸水膨胀特征曲线。

基于多孔材料吸水时液态水仅替代孔隙内部原有的空气，其排开水体积的变化量即为多孔材料内部空气体积变化量的假设推导了含水率瞬态计算公式(W_V,t)，在每次测量吸水量数据时无需再把试件19拿出水，用天平进行手动测量，试件19发生膨胀和质量变化时，千分表1和电子天平2将自动记录试件19的膨胀和质量变化，实现了吸水膨胀发展过程中试件在水中吸水量的同步高精度测量难题。试件19的含水率W_V,t由公式表示：

式中，W_V,t为试件19的含水率，％；V_s,0为试件19的表观体积，根据实验前钢直尺测量数据计算，cm³；m_tp,0为试件浸水前吊装状态下的试件、横梁、测量框架的整体质量的电子天平初始读数，g；m_tp,t为实验中试件、横梁和测量框架受到浮力后的整体质量的电子天平瞬时读数，g；V_j表示测量框架的排水体积，为未装试件实验状态下测量框架的排水体积的三次平均值，是常数，cm³；m_eq和m_s,0分别为试件19在空气中的平衡状态质量和烘干质量，g。

千分表变化值即为整砖吸水膨胀量，公式如下：

式中，ε为试件吸水膨胀值，mm/m；Δl为试件吸水的膨胀量，为电子千分表测试时的瞬时读数l_t和初始读数l_eq之差，mm；l为试件长度，实验前用钢直尺测量，mm；l_t和l_eq分别为测试时瞬时读数和电子千分表初始读数，与试件实际长度无关，mm。

表1记录时间间隔及数据量

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；测量全过程试件均处于水中完成膨胀量和吸水量的自动测量，数据测量间隔最小可设置为1s/次。

现有干缩仪测试中，因为实验初期墙体材料吸水膨胀迅速，试件需频繁出入水中测量，擦拭面干状态产生的质量误差也较大，严重打破了试件的正常吸水膨胀过程，影响了吸水膨胀规律，无法提高测量的准确性。现有技术采用人工吸水膨胀实验方法测量的膨胀过程均极为粗糙，远达不到对其规律进行精确描述的程度。现有干缩仪均只有测量变形量的单一功能。测量吸水膨胀试件质量变化时，必须从干缩测量仪器卸下试件采用天平测量，无法满足墙体材料吸水膨胀实验动态测量和记录的要求。

而本发明装置具备同步动态测量膨胀量和吸水量的功能。整个测量过程无需频繁地拆卸试件，实现了在水中自动、连续地记录试件的实时吸水量和膨胀值，消除了人工测量误差，避免了测量导致的试件吸水过程不连续，也解决了实验初期因试件吸水膨胀过快而造成的测量难题。

本发明试件的吸水膨胀过程与吸水量和膨胀量的同步测量记录过程完全同步，保证了吸水膨胀过程数据的连续完整性和准确性。