大体积混凝土绝热温升试验新方法.pdf

水利水电技术第 4 1卷2 O 1 0年第 3期 大体积混凝土绝热温升试验新方法 朱 伯 芳 ( 中国水利水 电科学研究院，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：现有大体积混凝 土绝热温升试验仪 器只能进行 2 8 d试验 ，由于掺 用粉煤灰较 多，实际上在 2 8 d以后，混凝土温度还将继续上升，故有必要延长绝热温升测试时间。本文建议一种新的试验方 法，试件表面包裹保温层 ，试验时间可延长至 1 8 0 d 。 关键词 ：大体积混凝土；绝热温升 ；试验方法 中图分类号：T V 3 1 5 文献标识码：A 文章编号 ：1 0 0 0 ． 0 8 6 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 — 0 0 3 7 — 0 3 A ne w t e s t me t ho d f o r d e t e r mi n i ng t he a d i a ba t i c t e m p e r a t ur e r i s e of ma s s c o nc r e t e ZHU Bo f a n g ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p r e s e n t t e s t me t h o d f o r d e t e r mi n i n g t h e a d i a b a ti c t e mp e r a t u r e r i s e o f ma s s c o n c r e t e c a n b e u s e d o n l y f o r t h e e arl y 2 8 d c o n c r e t e a g e ．Be c a u s e b i g a mo u n t o f fl y a s h i s mi x e d i n t h e ma s s c o n c r e t e ，t h e a d i ab a t i c t e mp e r a t u r e w i l l r i s e a p p r e c i ab l y a f t e r t h e age o f 2 8 d ．A n e w t e s t me t h o d i s s u g g e s t e d i n t h i s p a p e r ．T h e t e s t s p e c i me n i s c o v e r e d w i t h t h e rm a l i n s u l a t i n g l a y e ~ T h e t e s t t i me ma y b e a s l o n g a s 1 8 0 d ． Ke y wo r d s：ma s s c o n c r e t e ；a d i a b a t i c t e mpe r a t u r e r i s e；n e w t e s t me t h o d 1 引言 绝热温升关系到大坝施 工 中的温度 控制 ，是大 体积混凝土的一项重要性能，目前一般只进行 2 8 d 龄期的绝热温升试验。现在常态混凝土坝掺用粉煤 灰达到 3 0 ％ ，碾压混凝土掺量达到 5 0 ％ 一 6 0 ％ ，因 此混凝土水化作用推迟了。例如，目前施工中的某特 高拱坝 ，混凝土掺粉煤灰 3 0 ％ ，根据实 际观测资料 反分析 ，在 2 8 d以后 ，混凝土绝热温升还有 6～8℃ 之多 ，这一部分温升在温控设计 中没有考 虑到 ，以 致在实际工程 中造成一 定被动。因此 ，绝热温升试 验只进行 2 8 d显然是不够 的，最好进行 9 0～1 8 0 d 。 但现有仪器进行 2 8 d以上的试验存在一定困难，后 期混凝土 温度 上升 速度 降低 ，试验 精度难 以保 证 。 本文建议 一 种新 的试 验 方法 ，试 验 时 间可 延 长 到 1 8 0 d。 试件表面是裸露 的，试件内部温度 ( t ) ，试件外面 试验箱内气温为 ( t ) ，当混凝土内部温度 ( t ) 上 升时 ，调节试验箱 内气 温 ( t ) ，使 它跟着 ( t ) 而 上升 ( t )=T 1 ( t )+ 7 1 ( 1 ) 目前要求误差 l 6 I≤0 ． 1 oC，当误差很小时， 可以认为 ( t )=T ( t ) ，即混凝土处于绝热状态， ( t ) 即为绝热温升。当龄期 ≤2 8 d时， ( t ) 上升较 快 ，试验可顺利进 行 ；当 丁>2 8 d时 ， ( t ) 上 升很 慢 ，难 以保证试验精 度 ，另外 占用试 验设备 时问太 长，也存在一些实际困难。 笔者建议一种新 的试验方法如下 ：如 图 1 ( b ) 所 示 ，在混凝土试件 外面包 裹保 温层 ( 泡 沫塑料 制成 的保温被 、保温 板或保 温涂 层 ) ，试验 箱 内温 度仍 按式 ( 1 ) 控制 ，但 由于有 了保温层 ，即使 8 T稍大一 2 混凝土绝热温升新的试验方法 收 稿 日 期 ： 2 0 0 9 - 1 2 - 2 8 基金项 目：国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B AB 2 9 B 0 5) 。 如图 1 ( a ) 所示 ，目前采用的绝热温升试验方法 ， 作者简介： 朱伯芳( 1 9 2 8 一) ， 男，中国 工程院院 士。 W a t e r Re s o u r ce s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g V o 1． 41 No ． 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 朱伯芳∥大体积混凝土绝热温升试验新方法 ( a ) 老方法 ( b ) 新方法 图 1 绝热温升试验 方法 些 ，对混凝土温升 ( t ) 的影响也小得多。 为了进一步提高试验精度，可用计算方法消除误 差如下 ： 如图 2所示 ，设试件第 i 个侧面的面积为 A ，在 正交方向通过 的单位面积热阻为 1 h R = 音 +∑ + 。 ( 2 ) P A 式中， ／ 3 为保温层外表面放热系数；R 。 为保温层 内表 面与试件 间隙的热 阻；设保温层 由若干层材料组成 ， h 和 A 分别为其第 i 层的厚度和导热系数。 图 2 试件 由于 侏温 层 ，试 件 内邵温 度 T 1 ( t ) 必 然 十分 援 近于均匀分布，故通过第 i 个侧面A 的热流量为 ( 3 ) 从 t = O开始 ，到时I； - I t 流出试件总热量为 Q ( z ) = 2 1i 上 [ T l ( ) 一 ( f ) ] d t ( 4 ) 由于热量 Q ( t ) 的流失而引起的温度变化为 At ( 1 [ ) l d 2 1i [ ( )一 ( ) ] ( 5 ) 式中，C 、 P 、V 分别为试件的比热、容重和体积。 如 图 3所示 ．混 凝 十实际 的绝热 温升 为 图 3 温度过程线 采用上述方法，试验精度得到极大提高 ，试验时 间可根据需要适当延长。 具体方法有以下两种 ：方法 A，利用现有绝热 温升试 验 仪 ，试件 外 面加 以保 温 ，试 验箱 内温 度 控制精 度 0 ． 1℃ ；方法 B，试 件 成 型后 ，放 置 于 保温箱 内，箱 内温度 自动控制 ，温度控制精度放 宽 到 1℃ ，为保证 试 验精 度 ，可 加大 试件 外保 温 层 的厚度 。 以上两种试验方法都是可行的，考虑设备周转率 等实际问题 ，方法 A可用 于常规试验 ，试验周期 以 不超过 9 0 d为宜 ；方法 B用于重要的碾压混凝土坝 ， 试验周期可达半年。 3 试验方法讨论 A T 是补偿试验过程中所散失热量的温差，可称 为补偿温差。 骤然一看 ，似乎只要试 验过程 中 ， ( t )一 ( t ) ≤0 ． 1 oC，即有试验误差 ≤0 ． 1℃，其实不然。如 果计算中不考虑热量损失，直接以 ( t ) 作为绝热 温升 0 ( t ) ，那么试验误差不是 ( t )一 ( t ) ，而是 △ 。 。( t )一 ( t ) 是瞬问温差 ，而 △ 代表试验过程 中累积损失的热量 ，当试验时间 t 较长时，其值可能 很大，远远超过 ( t )一 ( ) 。 为了减小误差 ，从式 ( 5 ) 、式 ( 6 ) 可 以看 出，有 以下途径 ：( 1 ) 减小 ( t )一 ( t ) ；( 2 ) 增加试件表 面热阻，即加强保温 ；( 3 ) 加大试件尺寸。 ( t ) 一 ( t ) 实际为时间 t 的函数 ，设在时间坐 标上的平均值为 ( 一 ) ，则 0 ( t )=T 1 ( t )+A T ( t ) ( 6 ) 同， A T= b ( T 1 一 ) t ( 7 ) 其中 6= ∑ 尺A／ ( 8 ) 设试件直径为D，高度也为D，且各侧面热阻相 即 R =R，则 ZA ／ V：( ．r r D +耵 D ／ 2 ) ／ ( w D ／ 4 ) 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第3期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m = 6 ／ D，故 ． 6 ⋯ 6 —q o D — R c D l d I ~ ( 9) 算例 1 ：试 件 4 , 4 o e m x 4 0 e m，c=0 ． 9 8 0 k J ／ ( k g℃) ，p= 2 4 5 0 k g ／ m ，裸露表面放热系数 = 2 0 k J ／ ( m h o C) ，分 5种情况 ：( 1 ) 试件 表面裸 露 ，R=1 ，b=6 W q o D =6 X 2 O ／ ( 0 ． 9 8 X 2 4 5 0 X 0 ． 4 0 )=0 ． 1 2 4 9 ( 1 ／ h )= 3 ． O 0 ( 1 ／ d ) ；( 2 ) 试件外面包 裹聚乙烯保温被 ，厚度 h= 1 ． 5 e m，A= 0 ． 1 6 0 k J ／ ( m h o C) ，R=1 ／ 2 0 ． 0+ Q 0 1 5 ／ 0 ． 1 6 0= Q 1 4 3 7 5 ( m 2 h ~ C ／ k J ) ，b=6 ／ ( 0 ． 9 8 X 2 4 5 00 ． 4 00 ． 1 4 3 7 5)= 0 ． 0 4 3 5 ( 1 ／ h )=1 ． 0 4 3 ( 1 ／ d ) ；( 3 ) 试件外包挤塑型聚 苯乙烯泡 沫保温板 ，厚 度 3 e m，A=0 ． 1 0 8 k J ／ ( m h o C) ，R=1 ／ 2 0+0 ． 0 3 ／ 0 ． 1 0 8=0 ． 3 2 8 ( m h ℃／ k J ) ，6= 6 ／ ( 0 ． 9 82 4 5 0 X 0 ． 4 0 X 0 ． 3 2 8 )=0 ． 0 1 9 0 5 ( 1 ／ h )= 0 ． 4 5 7 ( 1 ／ d ) ；( 4 ) 试件外包挤塑型聚苯乙烯 泡沫保 温板 ，厚 度 1 0 e m，A=0 ． 1 0 8 k J ／ ( m h o C) ，R =1 ／ 2 0+0 ． 1 0 ／ 0 ． 1 0 8=0 ． 9 7 6( m h ~ C ／ k J ) ，b= 6 ／ ( 0 ． 9 8 X 2 4 5 00 ． 4 00 ． 9 7 6 )=0 ． 0 0 6 4 0 ( 1 ／ h )= 0 ． 1 5 3 6 ( 1 ／ d ) ；( 5 ) 试件外包挤塑型 聚苯 乙 烯泡 沫板 ，厚 度 h=2 0 e m，A=0 ． 1 0 8 k J ／ ( m h o C) ，R=1 ． 9 0 2 ( m h o C ／ k J ) ，b=0 ． 0 0 3 2 8 ( 1 ／ h ) = 0 ． 0 7 8 8 ( 1 ／ d ) 。计算结果见表 1 。 表 1 算例 1 ，补偿温度 △7 - ℃ 试件表面 b ( T l一 ) 试验时问 t ／ d 状态 ( 1 ／ d ) ／ ℃ 7 2 8 5 6 9 0 l 8 O 0 ． 1 0 2 ． 1 O 8 ． 4 0 l 6 ． 8 O 2 7 ． O 5 4． 0 裸露 3 ． 0 o 0 ． O 5 1 ． 0 5 4 ． 2 O 8 ． 4 0 1 3 ． 5 O 2 7 ． O 0． O 3 O． 6 3 2 ． 5 2 5． 0 4 8 ． 1 O 1 6 ． 2 O ． 1 O 0 ． 7 3 2 ． 9 2 5 ． 8 4 9 ． 3 9 1 8 ． 7 7 外 包 1 ． 5 e m 1 ．O 4 3 聚乙烯被 O ．0 5 0． 3 7 1 ． 4 6 2． 9 2 4． 6 9 9 ． 3 9 0 ．1 O O． 3 2 1 ． 2 8 2． 5 6 4． 1 l 8 ． 2 3 外包 3(2 m聚 0 ．4 5 7 O ． O 5 O ． 1 6 0 ． 6 4 1 ． 2 8 2 ． 0 6 4 ． 1 l 苯 乙烯被 0 ． 3 O O． 9 6 3． 8 3 7． 6 8 1 2 ． 3 3 2 4 ． 6 8 O ．1 0 0 ．1 l 0 ． 4 3 O ． 8 6 1 ． 3 8 2． 7 6 0 ． 2 0 0 ． 2 2 0 ． 8 6 1 ． 7 2 2 ． 7 6 5 ． 5 3 外 包 1 0 c m 0 ．1 5 3 6 聚苯 乙烯板 O ．3 0 O ． 3 2 1 ． 2 9 2 ． 5 8 4 ．1 5 8 ． 2 9 O ． 5 O 0 ． 5 4 2 ．1 5 4 ． 3 O 6 ． 9 1 1 3 ． 8 2 O ． 3 O 0 ． 1 7 O ． 6 6 1 ． 3 2 2 ． 1 3 4 ． 2 6 外 包 2 0 e m 0 ．0 7 8 8 聚苯乙烯板 O ．5 O O ． 2 8 1 ． 1 O 2 ． 2 1 3 ． 5 4 7 ． O 9 作为试验方法 ，在式 ( 6 ) 中直接测量的混凝土温 度 ( t ) 应占主导地位，补偿温差 △ 只能占很小比 重。例如 ，在结 束试 验时 ，宜有 A T ／ T 。 ( t ) ≤0 ． 1 5 ， 即△ 应大致小于 4℃，根据这一要求，从表 l 可 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第 3期 朱伯芳∥大体积混凝土绝热温升试验新方法 知 ，对于表面裸露 的试件 ，只能进 行 2 8 d试验 ，而 且当( 一 ) ：0 ． 0 3 o C时，2 8 d的补偿温差 △ ? 1 仍有 2 ． 5 2℃。可见为了保证试验结果的精度 ，对 于裸露试件，最好按式 ( 6 ) 计算绝热温升，只有当 补偿温差 △ ≤0 ． 2 o C时 ，才可以忽略 △ 。 如果试 件外包 1 ． 5 e m 聚 乙烯保 温被，当( 一 ) ≤0 ． 0 5 o C时 ，可以做 5 6 d试验 ，9 0 d试验也勉强 可以做，当然应按式( 6 ) 计算 O ( t ) ，如果试件外包3 e m 聚苯乙烯板，( 一 ) ≤ 0 ． 0 5 o C， 可做 1 8 0 d 试验。 用现有设备进行 长龄期绝 热温升试 验 ，占用仪 器时间太长，也可用简化设备进行试验，试件外包 2 0 e m聚苯 乙烯泡沫板 ，若 ( 。 一 ) ≤0 ． 5 0 o C， 可进行 9 0 d 试验 ；若( 。 一 ) ≤O ． 3 0 o C，可进行 1 8 0 d试验 。 试验早期，尤其是前 3 d ，混凝土绝热温升上升 很快 ，控制温差 ( t )一 ( t ) 难度大一些 。到 了后 期 ，绝热温升上升较慢 ，控制 ( t )一 ( t ) 难度较 小 ，不同时 间，平均 温差 ( 7 1 。一 ) 数 值不 同，式 ( 7 ) 可改写为 A T = b∑( 一 ) A t ( 1 0 ) 算例 2 ：试件外包 2 0 e m聚苯乙烯板 ，6 = 0 ． 0 7 8 8 ( 1 ／ d ) ；当 t = O～ 2 d时，( 一 ) = 2 o C；当t = 3～ 4 d时 ，( 一 ) =1 o C；当 t =5～7 d时，( 一 ) = O ． 5 0 o C；当 t >7 d时，( 一 ) =0 ． 3℃。 由式 ( 1 0 ) ，当 t = 9 0 d时 ，A T= 2 ． 5 5 o C；当 t =1 8 0 d 时，AT= 4 ． 6 8 o C。试验可行 。 从以上分析可见，当试验时间较长时，保持试验 精度难度较大 ，但在试件外 面进 行保温后 ，进 行 9 0 ～ 1 8 0 d试验是可行的 ，对于 1 8 0 d以后 的绝热温升 ， 其数值已较小，必要时可用化学方法测定。 4 结语 ( 1 )目前混凝土掺用粉煤灰较多 ，绝热温升试验 只进行 2 8 d是不够 的。 ( 2 ) 本文建议的绝热温升试验方法 ，试验时间可 以延长到 2 8 d以上 ，以便 测 出完 整 的温升过程 线。 例如 ，粉煤灰掺量 3 0 ％ 的常态混凝土 可用 9 0 d ，掺 量达 5 0 ％ ～ 6 0 ％ 的碾压混凝土可用 1 8 0 d 。 ( 3 ) 试验精度可大大提高。 ( 4 ) 目前采用 的试验方法 ，只能进行 2 8 d试验 ， 而且试验误差可能较大 ，建议按 照本文式 ( 6 ) 进行验 算和修正 。 ( 责任编辑陈小敏 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m