高摻粉煤灰大壩混凝土絕熱溫升試驗(yàn)研究

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；3.浙江傳媒學(xué)院 新媒體學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1985年，加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心(CANCET)的Malhotra等對(duì)大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行深入研究，通過(guò)高效減水劑將水膠比降到0.3左右，成功配制出粉煤灰摻量高達(dá)50%及以上的高摻量粉煤灰混凝土。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)佛羅里達(dá)州建成一座跨海橋梁——陽(yáng)光高架橋，在該橋建設(shè)過(guò)程中，對(duì)原來(lái)隨意使用粉煤灰的規(guī)定進(jìn)行了修訂，規(guī)定大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18%～50%。在日本，大體積混凝土中粉煤灰的摻量甚至高達(dá)70%。我國(guó)是粉煤灰工業(yè)原料的高產(chǎn)國(guó)，自20世紀(jì)50年代就開始研究在混凝土中摻用粉煤灰的技術(shù)，先后在黃河三門峽、劉家峽等水工工程中應(yīng)用，取得了減少水化熱、改善性能、節(jié)約水泥的良好效果。1987年起，我國(guó)大力倡導(dǎo)對(duì)粉煤灰進(jìn)行綜合利用并明確了相應(yīng)的優(yōu)惠政策，但粉煤灰摻量變大后會(huì)影響混凝土的早期強(qiáng)度，所以通常摻量在30%以下。近幾年修建的向家壩、錦屏、大崗山等工程中，常態(tài)混凝土中也都廣泛采用了摻量不超過(guò)40%的粉煤灰混凝土。2011年葛洲壩集團(tuán)公司和浙江工業(yè)大學(xué)依托我國(guó)新建的某雙曲高拱壩，研制摻量達(dá)到80%的高摻量粉煤灰混凝土[1]，研究結(jié)果表明，這是一種有發(fā)展前景的綠色高性能大壩混凝土[2-3]。

由大量的工程實(shí)踐可知：水化熱導(dǎo)致熱裂縫產(chǎn)生，大體積混凝土早齡期開裂問(wèn)題嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量[4]。為防止混凝土因水化熱而開裂，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)的“混凝土實(shí)踐手冊(cè)”(MCP)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(BS)、阿拉伯半島混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南等對(duì)混凝土早期最高溫度和內(nèi)外部最大溫差作了規(guī)定[5-8]。絕熱溫升對(duì)混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算很重要，是大體積混凝土的一項(xiàng)重要性能[9]。大體積混凝土水化放熱是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，進(jìn)行混凝土絕熱溫升試驗(yàn)，建立絕熱溫升模型，可對(duì)反映大體積混凝土水化放熱能力的絕熱溫升發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化溫控設(shè)計(jì)，降低大體積混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。20世紀(jì)80年代，日本Sumitomo水泥公司研發(fā)了以水和空氣作為隔熱介質(zhì)的商業(yè)化供應(yīng)的絕熱溫升試驗(yàn)儀[10]。意大利米蘭ENEL spa公司研制了精密度更高的第二種商業(yè)化供應(yīng)絕熱溫升儀，使用了鋁制保溫水套[11]。英國(guó)Coole研制出了一種比較小型但具有多種功能的量熱計(jì)[12]。國(guó)內(nèi)研究者[13]對(duì)原有的絕熱溫升儀器進(jìn)行改進(jìn)，可對(duì)試驗(yàn)箱的溫度進(jìn)行調(diào)控，提高了試驗(yàn)精度。絕熱溫升試驗(yàn)有恒溫、絕熱、半絕熱三種試驗(yàn)?zāi)Ｊ絒14]。由于恒溫試驗(yàn)沒(méi)有考慮水泥的反應(yīng)活性在不同溫度中的變化，其試驗(yàn)結(jié)果難以預(yù)測(cè)混凝土的溫升。絕熱和半絕熱模式相對(duì)較好，它們是將新拌混凝土試樣放入量熱計(jì)中并測(cè)量試樣溫度。絕熱模式試驗(yàn)在測(cè)試中保證環(huán)境溫度等于混凝土試件溫度。這就要求必須從外部引入額外的熱量，試件溫度損失控制在某一很小數(shù)值。半絕熱模式試驗(yàn)僅依賴于試件周圍某種形式的絕熱，以減慢熱損失速率，試件最大熱損失控制在某一數(shù)值。筆者以粉煤灰摻量為80%的高摻粉煤灰混凝土和粉煤灰摻量為35%的基準(zhǔn)混凝土為研究對(duì)象，進(jìn)行兩種模式的大壩混凝土絕熱溫升試驗(yàn)研究，并得到適用于大壩溫度場(chǎng)仿真分析的兩種大壩混凝土的絕熱溫升模型。

1 絕熱溫升試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用材料為與某新建高拱壩實(shí)際施工原材料一致的材料：華新P.O-42.5普通硅酸鹽水泥，荊門Ⅲ級(jí)粉煤灰，基準(zhǔn)混凝土FAC35使用萘系減水劑，高摻量粉煤灰混凝土HVFAC80使用聚羧酸高效減水劑，引氣劑均采用山東銀凱NOF-AE型引氣劑。細(xì)骨料為砂率34.5%的人工砂，粗骨料為最大粒徑40 mm的人工碎石。

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)中基準(zhǔn)混凝土FAC35的配合比與實(shí)際工程一致，高摻混凝土的配合比采用等漿體體積法設(shè)計(jì)[15]，得到的混凝土配合比如表1所示。通過(guò)測(cè)試，得到兩種混凝土的和易性如下：FAC35的坍落度為50 mm，HVFAC80的坍落度為120 mm。

表1 兩種混凝土的配合比Table1 Mix proportions of the two kinds of concretes

1.3 絕熱溫升試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

半絕熱試驗(yàn)采用HR-3型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀，絕熱試驗(yàn)采用HR-2型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀。HR-2型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀的溫度跟蹤精度比HR-3型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀高，可以達(dá)到0.01 ℃，HR-3型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀的跟蹤精度為0.05 ℃。每種模式的絕熱溫升試驗(yàn)各采用一個(gè)試件測(cè)試每種混凝土的絕熱溫升曲線，共4 個(gè)試件。試件尺寸與試驗(yàn)具體操作詳見《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150—2001)[16]。

如圖1所示，測(cè)試獲得絕熱與半絕熱兩種模式下的兩種不同粉煤灰摻量(35%，80%)的混凝土絕熱溫升曲線。半絕熱模式下，F(xiàn)AC35的溫峰值比HVFAC80的溫峰值高11.1 ℃；絕熱模式下，F(xiàn)AC35的溫峰值比HVFAC80的溫峰值高10.6 ℃。即兩種模式下，HVFAC80與FAC35的溫峰差值相差不大。試驗(yàn)結(jié)果表明高摻量粉煤灰混凝土的水化熱比基準(zhǔn)混凝土低。原因是在摻入粉煤灰的混凝土中，粉煤灰取代波特蘭水泥，從而降低混凝土的絕熱溫升。不同的絕熱方式對(duì)高摻粉煤灰混凝土與基準(zhǔn)粉煤灰混凝土的溫峰差值影響不明顯。絕熱模式下，HVFAC80在23 d到達(dá)溫峰,FAC35在8 d到達(dá)溫峰，說(shuō)明HVFAC80到達(dá)溫峰的時(shí)間比FAC35長(zhǎng)，這是由于高摻量粉煤灰混凝土水化放熱速率較慢。半絕熱模式下，F(xiàn)AC35在23 d到達(dá)溫峰，HVFAC80在8 d時(shí)到達(dá)溫峰，說(shuō)明HVFAC80到達(dá)溫峰的時(shí)間比FAC35短，與絕熱模式下的測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)不同。這是由于HVFAC80混凝土，發(fā)熱過(guò)程緩慢，除了最初幾天發(fā)熱較快，后面很慢，半絕熱模式的絕熱溫升儀的傳感器感覺不到發(fā)熱，就不再跟蹤測(cè)試，所以到達(dá)溫峰的時(shí)候，混凝土實(shí)際上還在發(fā)熱，測(cè)試不到真實(shí)的溫峰到達(dá)時(shí)間。

圖1 不同試驗(yàn)?zāi)Ｊ较聝煞N混凝土的絕熱溫升曲線Fig.1 Adiabatic temperature rise curves of two kinds of concretes under different methods

圖2為絕熱與半絕熱兩種模式下FAC35和HVFAC80的絕熱溫升速率(℃/d)曲線對(duì)比圖，由圖2可見兩種模式下基準(zhǔn)混凝土的溫度變化速率與溫升速率峰值都大于高摻粉煤灰混凝土。FAC35比HVFAC80更早達(dá)到最大升溫峰值速率。

2 大壩混凝土絕熱溫升模型

混凝土的絕熱溫升是影響混凝土溫度應(yīng)力的一個(gè)重要因素。采用絕熱溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出適用于兩種大壩混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算的絕熱溫升模型。目前國(guó)內(nèi)外采用3 種表達(dá)式[17]為

1) 指數(shù)式

θ(τ)=θ0(1-e-mτ)

(1)

式中：θ(τ)為混凝土絕熱溫升；θ0為最終絕熱溫升；τ為混凝土齡期；m為常數(shù)。

2) 雙曲線式

θ(τ)=θ0τ/(n+τ)

(2)

式中n為常數(shù)。

3) 雙指數(shù)式

θ(τ)=θ0[1-exp(-ατb)]

(3)

式中：a，b為常數(shù)。

結(jié)合兩種大壩混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合分析3 種混凝土絕熱溫升模型，應(yīng)用相關(guān)系數(shù)R和標(biāo)準(zhǔn)方差S進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表2。

表2 絕熱溫升模型對(duì)比分析Table 2 Comparison and analysis of the adiabatic temperature rise models

由表2可知：不論在半絕熱模式還是絕熱模式下，兩種混凝土采用雙指數(shù)式絕熱溫升模型表達(dá)式與試驗(yàn)結(jié)果擬合效果好，優(yōu)于其他兩種絕熱溫升模型表達(dá)式。

基于半絕熱和絕熱模式下兩種大壩混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)值，對(duì)3 種絕熱溫升模型進(jìn)行擬合，將擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3～6所示。由圖3～6可見：指數(shù)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較差，雙指數(shù)絕熱溫升模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合最好，溫升峰值的擬合值與實(shí)際峰值幾乎一致，而雙曲線模型擬合的溫升峰值與實(shí)際值相差大，且雙曲線模型不便于數(shù)學(xué)運(yùn)算，說(shuō)明雙指數(shù)絕熱溫升模型更適合用于大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，可對(duì)大體積混凝土的溫度歷程進(jìn)行更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

圖3 半絕熱模式下FAC35絕熱溫升曲線擬合Fig.3 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of FAC35 under semi-adiabatic mode

圖4 半絕熱模式下HVFAC80絕熱溫升曲線擬合Fig.4 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of HVFAC80 under semi-adiabatic mode

圖5 絕熱模式下FAC35絕熱溫升曲線擬合Fig.5 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of FAC35 under adiabatic mode

圖6 絕熱模式下HVFAC80絕熱溫升曲線擬合Fig.6 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of HVFAC80 under adiabatic mode

兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉伎纱_定混凝土的絕熱溫升，半絕熱模式試驗(yàn)費(fèi)用低，更易于操作，絕熱模式試驗(yàn)得出的絕熱溫升曲線更精確。建議根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)混凝土水化應(yīng)達(dá)到的精確度選擇絕熱溫升試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。?duì)于預(yù)期有熱損失且尺寸較小的結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或預(yù)期溫度損失估算預(yù)測(cè)溫升。該情況下，可選擇半絕熱模式，試驗(yàn)結(jié)果更接近于結(jié)構(gòu)實(shí)際的水化發(fā)展，誤差更小。對(duì)預(yù)期溫升接近于絕熱狀態(tài)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，或者需要評(píng)價(jià)水泥水化速率時(shí)，可選擇絕熱模式的絕熱溫升試驗(yàn)。所以對(duì)大壩混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析中，應(yīng)采用絕熱模式下的雙指數(shù)絕熱溫升模型進(jìn)行運(yùn)算。

3 結(jié) 論

通過(guò)絕熱模式和半絕熱模式下的基準(zhǔn)混凝土與高摻粉煤灰大壩混凝土的試驗(yàn)研究可得：兩種模式下兩種混凝土的絕熱溫升溫峰差大致相同、絕熱溫升曲線變化規(guī)律一致，但到達(dá)溫峰的時(shí)間規(guī)律兩種模式試驗(yàn)所得結(jié)果不同。粉煤灰的摻入可降低混凝土的絕熱溫升與早期放熱速率，且隨著粉煤灰摻量的增加，降低幅度越明顯。高摻量粉煤灰能夠降低大壩混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。基于兩種大壩混凝土的不同絕熱模式下的絕熱溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用三種絕熱溫升模型表達(dá)式進(jìn)行擬合和對(duì)比，提出大壩混凝土的絕熱溫升模型。建議絕熱模式下的雙指數(shù)絕熱溫升模型適用于大壩混凝土溫度場(chǎng)有限元仿真分析。