粉煤灰摻量對(duì)大體積水工混凝土絕熱溫升影響的數(shù)值模擬研究

吳修練

(巴州天寶水利工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 研究背景

混凝土作為重要的現(xiàn)代建筑材料，憑借其強(qiáng)度高、耐久性好等諸多優(yōu)勢(shì)，在各種水利工程建設(shè)中獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的水利事業(yè)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，這也對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)技術(shù)提出了更高的要求。在大體積水工混凝土結(jié)構(gòu)施工建設(shè)過(guò)程中，內(nèi)部水化熱大、收縮比例大的問(wèn)題日漸突出，成為影響水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的重要因素[2]。水泥作為混凝土的主要膠凝材料，在水化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，由于水工混凝土結(jié)構(gòu)往往體積較大，內(nèi)部的水化熱不易散失，進(jìn)而導(dǎo)致其內(nèi)部溫度的大幅增長(zhǎng)，并成為混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的主要原因[3]。相關(guān)研究表明，在水工大體積混凝土施工過(guò)程中，外部荷載導(dǎo)致的開(kāi)裂僅占20%左右，溫度變化和材料收縮開(kāi)裂大約占80%。因此，展開(kāi)大體積水工混凝土熱學(xué)性能對(duì)工程建設(shè)過(guò)程中的溫控防裂具有十分重要的意義和作用。

為了減少混凝土的水泥水化熱，經(jīng)常會(huì)在混凝土中摻入一定量的摻合料，其中最常用的的是粉煤灰。在水工混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，利用粉煤灰替代部分水泥，不僅可以降低水化熱，還可以減緩其放熱速率，延長(zhǎng)放熱時(shí)間，造成最高溫度延后[4]。因此，粉煤灰混凝土的發(fā)熱特點(diǎn)和溫度變化與常態(tài)混凝土存在較大的差異。另一方面，受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響，大體積混凝土絕熱溫升室內(nèi)試驗(yàn)并不方便，而數(shù)值模擬研究可以在該領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng)。基于此，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討粉煤灰摻量對(duì)大體積水工混凝土溫度場(chǎng)的影響，以便為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供有益的借鑒和思考。

2 ANSYS有限元模型

2.1 模型的構(gòu)建

針對(duì)大體積混凝土的溫度變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以在瞬態(tài)傳熱理論的指導(dǎo)下，以絕熱溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用有限元軟件對(duì)大體積混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在模型建構(gòu)和分析的過(guò)程中，將混凝土結(jié)構(gòu)視為各向同性材料，首先進(jìn)行模型的熱分析，然后再施加溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度分析。在此次研究中，假定大體積混凝土為20 m×10 m×10 m的長(zhǎng)方體塊體結(jié)構(gòu)，其下表面與基礎(chǔ)土體接觸，四周為支護(hù)模板，上表面為自由邊界，可以和周?chē)目諝膺M(jìn)行熱交換。綜合考慮計(jì)算過(guò)程的簡(jiǎn)潔性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，基礎(chǔ)土體的尺寸為50 m×30 m×10 m。根據(jù)研究需要，利用Solid70單元進(jìn)行模型單元剖分，最終獲得1 037個(gè)網(wǎng)格單元，1 164個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

由于混凝土的組成材料較為復(fù)雜，同時(shí)具有顯著的離散性特點(diǎn)。研究中結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)確定混凝土材料的計(jì)算參數(shù)。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)，混凝土的密度為2420 kg/m3，比熱容設(shè)置為955 J/kgK，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為280 W/mK，混凝土和空氣接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)為1500W/m2K，混凝土和模板的導(dǎo)熱系數(shù)為400 W/m2K?；A(chǔ)土體的密度設(shè)置為2 000 kg/m3，比熱容設(shè)置1 050 J/kgK，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為267 W/mK。

模擬計(jì)算過(guò)程中，將外界環(huán)境的氣溫以表格的形式加載至模型，具體如表1所示。處于研究需要，設(shè)置0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%等7種不同的粉煤灰替代率，根據(jù)粉煤灰摻量對(duì)混凝土水化熱的影響研究成果，對(duì)不同粉煤灰摻量條件下的混凝土的內(nèi)部熱源影響利用熱生成函數(shù)描述，并將其加載至模型中。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同粉煤灰替代率方案下大體積混凝土的絕熱溫升進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為28d。從計(jì)算結(jié)果中提取出每種替代率方案的每天的絕熱溫升值，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的絕熱溫升呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，這也與相關(guān)理論和試驗(yàn)的結(jié)果一致，說(shuō)明模擬計(jì)算結(jié)果具有科學(xué)性與可信性。同時(shí)，不同粉煤灰替代率的混凝土絕熱溫升值存在比較顯著的差異，說(shuō)明粉煤灰替代率是絕熱溫升值的重要影響因素。由于粉煤灰的摻入代替了混凝土中的部分水泥，因此混凝土凝固過(guò)程中的水化熱有所降低，因此絕熱溫升值也有所下降。從表中的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)粉煤灰摻量為0%的情況下，其絕熱溫升值為34.18 ℃。粉煤灰替代率為10%、20%、30%、40%、50%和60%情況下的絕熱溫升值分別為30.78 ℃、26.42 ℃、23.78 ℃、20.80 ℃、18.72 ℃和18.69 ℃。與粉煤灰摻量為0%相比，絕熱溫升值分別下降了約9.95%、22.70%、30.42%、39.15%、45.23%、45.32%。由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加粉煤灰可以有效控制混凝土的絕熱溫升，但是控制效果隨著取代率的增加而減弱，當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)50%時(shí)，提高取代率對(duì)降低混凝土絕熱溫升的效果極為有限。

表2 不同粉煤灰替代率方案絕熱溫升計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步分析粉煤灰替代率對(duì)混凝土絕熱溫升的影響，以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，繪制出不同粉煤灰替代率下的絕熱溫升值隨齡期的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同粉煤灰替代率下的絕熱溫升值隨齡期的變化曲線

由圖2可以看出，各種不同計(jì)算方案下混凝土前期的溫升值上升較快，但是溫升的變化速率逐漸變小，最終趨于穩(wěn)定。究其原因，主要是澆筑前期混凝土中的水泥會(huì)產(chǎn)生比較劇烈的水化反應(yīng)，并釋放出大量的熱量，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度以較快的速度上升，隨著時(shí)間的推移，水泥的水化反應(yīng)不斷減弱并趨于停止，因此溫度上升量逐漸變小并最終保持穩(wěn)定。同時(shí)，不同粉煤灰摻量的溫升變化特征也存在一定的差異。在粉煤灰摻量為0%的情況下，僅需要4 d即可達(dá)到絕熱溫升值的90%；隨著粉煤灰摻量的增大，這一時(shí)間逐漸拉長(zhǎng)，當(dāng)粉煤灰摻量為50%時(shí)，這一時(shí)間為10 d。由此可見(jiàn)，摻加粉煤灰可以有效延緩混凝土的早期溫升，對(duì)控制溫度裂縫較為有利。

為了進(jìn)一步對(duì)比和分析不同粉煤灰取代率方案的前期溫升速率，研究中以3d齡期的數(shù)據(jù)為例，計(jì)算獲取絕熱溫升值和最終絕熱溫升值的比值，結(jié)果如表3所示。

表3 3d齡期絕熱溫升值和最終絕熱溫升值的關(guān)系

由表中的結(jié)果可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的前期溫升速率趨緩，溫度的上升速率明顯下降，需要更長(zhǎng)的實(shí)踐才能達(dá)到最終的絕熱溫升值。另一方面，當(dāng)粉煤灰摻量<40%時(shí)，混凝土前期溫升的降低幅度較大，當(dāng)摻量達(dá)到和超過(guò)40%時(shí)，其降低的速率較為有限。總體來(lái)看，在水工大體積混凝土澆筑施工過(guò)程中，摻入一定量的粉煤灰取代水泥，可以減少混凝土前期的水化熱，混凝土的放熱速率也可以得到有效控制，從而延遲混凝土的放熱高峰，時(shí)放熱過(guò)程更為均勻，這對(duì)于施工過(guò)程中的溫度控制，預(yù)防溫度裂縫較為有利。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究通過(guò)有限元模型計(jì)算分析的方式，探討了粉煤灰取代率對(duì)水工大體積混凝土絕熱溫升的影響。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的絕熱溫升值不斷減小，試驗(yàn)前期的溫升速率也呈現(xiàn)出減小的變化特征。這對(duì)于大體積水工混凝土施工中的溫度控制，預(yù)防溫度裂縫的產(chǎn)生較為有利。但是，當(dāng)粉煤灰的取代率超過(guò)40%時(shí)，再增加粉煤灰摻量并不能取得顯著的絕熱溫升控制效果，而混凝土的強(qiáng)度等其他物理力學(xué)參數(shù)也將受到顯著的影響。因此，建議在施工過(guò)程中按照不超過(guò)40%的取代率摻加粉煤灰。當(dāng)然，在具體的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)該綜合考慮工程需求和經(jīng)濟(jì)性選擇合適的粉煤灰摻量水平。