双掺粉煤灰和矿粉大体积混凝土水化放热规律研究.pdf

2 0 1 0年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0l 0 ( To t a l No 2 43) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 0 8 双掺粉煤灰和矿粉大体积混凝土水化放热规律研究 刘沐字 ，汪峰 ，丁庆军 ( 武汉理工大学 a 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室 ；b 硅酸盐材料工程教育部重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 结合广州东沙大桥承台混凝土水化热温度监控实测， 选取粉煤灰和矿粉双掺大体积混凝土水化放热规律， 运用 A N S Y S软件建 立承台有限元模型， 进行了粉煤灰和矿粉双掺大体积混凝土水化热瞬态温度场计算： 并与监控实测结果对比分析， 给出了粉煤灰和矿粉双 掺混凝土水化速率系数的取值范围。为相类似的工程数值计算分析提供 了可靠 的数学模 型。 关键词 ： 双掺混凝土 ；水化热 ；有 限元 ；水化速率系数 中图分类号： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) O 1 0 0 2 1 0 4 St ud y on t he h y dr o t h er mal di s s i pa t i o n l aw o f ma s s i ve c onc r e t e mi xi ng wi t h s l ag p owde r and f l y a sh L I UMu - y u ， WANGF e n g , D I NGQ i n g -j u n ( a Hu be i Ke y La b o r a t o r y of Ro a d wa y Brid g e& S t r uc t u r e En g i n e e rin g； b E d u c a t i o nDe p a r t me s Ke yL a b o r a t o r y o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， Wu h a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Wu h an 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o nmo n i mri n gt e s t o f t h e c o n c r e t e h y d r a t i o nh e a t i nt h e g u a n g z b o u e a s t s a n dp i l e b r i Re h y d r o th e r ma l d i s s i p a t i o nl a wo f ma s s i v e c o n c r e t e mi x i n g wi t h S l a g Po wd e r a n d fly a s h i s e l e c t e d， t he fin i t e e l e me nt mo d e l o f p i l e i s e s t a b l i s h e d b y ANS YS s o ft wa r e， t r an s i e n t t e mp e r - a tur e fie l d i s a n a l y z e d， a n d an a l y s i s r e s u l t i s c o n tr a s t e d wi th mo n i t o rin g， h y d r a t i o n r a t e c o e ffi c i e n t i s p r o p o s e d， wh i c h p r o v i d e s a r e l i a b l e ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r s i mi l e n g i n e e rin g n u m e ric an a l y s i s Ke y w or ds ： d o u b l e d o pe dma s s i v e c o n c r e t e； t e mp e r a tur efie l d； fi n i t e e l e me n t me t h o d； h y d r a t i o nve l o c i t y 0 引言 粉煤灰 和矿粉双掺大体 积混凝土在 大跨 度桥梁基 础建设 中的应用 越来越广泛 。由于采用 了粉煤 灰和矿粉替代 部分水 泥， 这种混凝土的水化放热规律不同于其他混凝土， 其放热规 律的研究 若套用其 他混凝土 的规律则不符合工程实际 。因此 ， 监测与控制粉煤灰和矿粉双掺大体积混凝土水化温度场 、 应力 场， 确定粉煤灰和矿粉双掺大体积混凝土水化放热规律， 是桥 用大体积混凝土设计者和施工者研究的热点。 目前， 水化规律研 究主要针对的是大坝混凝土、 高强混凝土。其中， 朱伯芳对大坝 混凝土水化放热规律进行了研究， 且给出了水化速率系数的取 值范 围 0 2 9 5 - - 4 3 4 0 6 ； 王铁梦在 工程结 构裂缝控制 中提 出水 化 速率系数范围为 O 3 o 5 2 J ； 李东研究 了基础结构中混凝上水化 热瞬态温度场数值计算过程中的水化放热规律及水化速率问 题四 ； 向敏中进行了高强混凝土水化放热规律研究， 并给出高强 混凝土水化速率系数范围为 1 0 - 1 3 。本文以广州东沙大桥承 台水化热温升实测为基础 ， 进行了承台有限元模拟分析 ， 给出 了粉煤灰和矿粉双掺混凝土水化放热规律表达式的参数取值 范围， 即水化速率系数取 1 5 2 0 ， 为粉煤灰和矿粉双掺大体积 混凝土放热规律的确定提供理论依据。 1 双掺 大体积 混凝土 配合 比和温度监测 为研究双掺混凝土水化放热速率以及温度分布特性， 对广 州东沙大桥主塔承台进行了水化热温度场的现场监测实测， 东 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 9 - 0 9 沙大桥为整体箱花瓶式独塔双索面斜拉桥 ， 全桥长为2 9 3 3 1T I ， 宽 4 0 1 T I ， 双 向六车道 ， 最大跨径 3 3 8 m， 承台长 2 8 0 m， 宽 1 9 0 m， 高 6 0 m， 设计混凝土强度等级为C 3 0 ， 浇筑方量为3 0 9 2 m 。 承 台分 2 层 浇筑 ， 施工时要求承台与周 围间的温差不超过 2 5 ， 控制水化热、 日照 、 降温等因素对承台的不良影响。 承台混凝土采用了大量粉煤灰和矿粉替代部分水泥， 同时 选择合适的化学外加剂， 形成复合胶凝材料， 制备了低热高性 能的双掺混凝土。混凝土原材料 ： 水泥为 P 0 4 2 5 级硅酸盐水 泥； 粉煤灰为广州电厂 级灰； 矿粉是矿渣粉 ； 砂采用中砂， 含 泥量1 ， 细度模数 2 6 3 0 ； 碎石为 5 2 5i n l n连续级配， 针片 状含量 8 ， 压碎值 9 ， 含泥量 0 4 ； 外加剂为 F D N 4 4 0 ， 减水 率为 1 8 。承 台 C 3 0混凝土配合 比见表 1 。 表 1 承台 C 3 0混凝土配合比表 k ed m 1 1 测 点布 置 根据外密内疏的布点原则， 在承台中共布置 6 层测温面， 每 层 1 0个测点 ， 共计 6 O个温度测点 ， 测点布置如图 1 、 2 。在监测 混凝土温度变化的同时， 还对气温、 冷却水管进出口水温、 t 昆 凝 土的出机温度、 人仓温度、 浇筑温度等进行了监测。各项监测项 目在混凝土浇筑后立即进行， 连续不断。混凝土的温度监测， 要 求在升温阶段每2 h巡回监测各点温度一次。到达温度峰值后 同样每 2 h监测一次， 持续 5 d 。 随着混凝土温差变化减少， 逐渐 延长监测问隔时间， 直到温度变化基本稳定。 2l 寸 0 0 n 0 0 _ n 7 5 0 3 0 9 2 0 0 1 0 0 4 5 5 0 上 l 上 上 上 2 800 图 1 承 台测温点平面布置图( 单位 ： o m) 第 六层测 温面 第 五层测 温面 第四层测 温面 0 0 、 。 第 三层测 温面 第 二层测 温面 第一层测 温面 一 1 4 0 0 1 4 0 0 一 图 2 承 台测温点立面布置图( 单位 ： G i ft) 1 2实测数据及分析 温度传感器为P N节温度传感器， 温度检测仪采用 J D 2 1 8型 多路数据巡检记录控制器， 水泥水化热温升是在混凝土浇筑后 开始记录的， 实测监测时间共为2 4 2 h 。环境温度曲线图3 所示， 实测的部分数据见表 2所示。 、 赙 0 2 4 4 8 7 2 9 6 1 2 0 1 4 4 1 6 8 l 9 2 2l 6 2 4 0 时 间， h 图 3水 化 过 程环 境 温 度 曲线 由表 2可知 ： 该工程所用的粉煤灰和矿粉双掺混凝土浇 筑后 5 5 ,- -6 0 h左右， 混凝土温度升到最大值 5 7 3， 最高温度 持续时间为4 - 8 h 。 表明粉煤灰和矿粉有效降低了混凝土的水 化热； 混凝土降温速度较慢， 温度从 5 7 3降到4 3 3历时 1 8 0 h ， 降温速率小于 2 d ， 表明粉煤灰和矿粉有效延缓了混 凝土的温降速率。 2 有限元分析 双掺混凝土充分利用了矿粉的填充效应和良好的活性， 粉 煤灰的玻璃球状形貌及其火山灰效应和微集料效应， 充分发挥 了两者之间的综合功能。其水化放热规律不同于普通混凝土， 通过有限元分析 ， 并与实测结果进行对比， 可获得双掺粉煤灰 和矿粉大体积混凝土的水化放热速率系数的取值范围， 为相类 似的工程数值计算分析提供了可靠的数学模型。 2 1 水化放热规律选取 混凝土在水化热作用下， 可以看成是有内部热源强度， 且具 有瞬态温度场的连续均匀介质。 其瞬态温度场的计算实质是三 维非稳态导热方程在特定边界条件和初始条件的求解。 其导热 方程为 ： 2 2 表 2 第二层测温面水化热监测温度部分数据表 注： 表 中测 1表示温度传感器在点与图 1对应 ， 其余依此类 推。 A ( + + y 式 中： 卜混凝土的瞬时温度 ； A 混凝土的导热系数； c 混凝土的质量热容； r混凝 土的密度 ； a 混凝土单位体积 内水化热生热率 。 若要计算确定混凝土内部温度场， 首先应确定水泥水化放 热规律。本文借鉴大坝混凝土的水化放热规律， 来给出该放热规 律对粉煤灰和矿粉双掺大体积混凝土来说水化系数 m_ l l 的取值 情况 。根据文献 1 4 取水化放热规律为 ： Q ( ) = Q o ( 1 - e ) ( 2 ) 式 中： Q ( t ) 在龄期 t 时产生的水 化热 ， k J k g ； p r 一 龄期内( 通常为 2 8 d ) 水 泥单位质量水化放热总量； ” t 一水泥水化速率系数 ， 决定水泥水化放热速率 。 2 2 计算模型 为了提高模拟分析的效率 ， 同时便于查 看承台内部温度分 布特性 ， 根据对称性取 承台 1 4 ， 利用 A NS YS软件建立有 限元 分析模型如图4 。模型单元选为三维 S O I L D7 0 热单元 ， 承台共 划分为 1 1 8 0 9个 8节点6面体单元 ， 2 1 2 0 0 个节点。承台混凝 土和地基的密度、 质量热容、 导热系数和放热系数如表 3 。 图 4 承台网格划分 2 3 水化热加载处理及边界施加 在 A NS YS分析时通过生热率 HG E N来施加混凝土的水 表 3 混凝土材料热特性表 化热。生热率是单位时间内混凝土的生热量， 即所产生的热量 对时间的导数 ， 用表达式表示为 ： HG E N = d Q d t ( 3 ) 式中 ： Q 混凝土 中产生的热量 ； 日G ， v 一混凝土生热率。 将式( 2 ) 代入式( 3 ) 得： HG E N = d Q d t = mQ 0 e ( 4 ) 则单位体积混凝土在单位时间内产生的水化热可以表示为 9 o e ， 其 中 代表每立方米混凝土中水泥的实际用量 ， k g m ； 龄期为t 时， 水化热为Mo Q ； 龄期为 1 时， 水化热为M Q c e 。 定义水化热值， 其计算表达式为： 。 ： = 幔 e 一 Mo Q 。 e 。设 定水泥的热生成率后，将生热率作为体荷载施加于单元上， 模 拟水泥的化学反应生热 。 边界的施加方法为： 根据施工时的时间和天气情况设定浇筑温 变化， 按第 1 类边界处理， 取为当地平均气温2 O ； 中问对称面按 第2 类边界处理， 为绝热边界； 因混凝土浇筑完毕后即覆盖养护， 承 台与空气接触面按第 3 类边界处理， 按第 3 类边界条件处理， 即： 一n ) 】 ， = 一 l _一 ( 5 ) 帆 ( 1 )+ f 等 L 几 J 式中： 晟 等效放热系数； 放热系数 ； 保温层厚度； A 保温材料导热系数 。 在具体计算的过程中主要通过运用单元的生与死和宏命 令来实现各项参数即边界条件和初始条件的变化。 2 4 结果分析和 I T I 的确定 选取水泥水化生热计算式为式( 2 ) ， 由于粉煤灰和矿粉双 掺混凝土水化速率受各种因素的影响， 本文水化速率 m分别取 0 4 、 1 5 、 2 0 、 2 5 进行分析。 确定荷载步和其他选项， 计算时间为 2 4 2 h ， 步长为 1 h ， 其他选项按瞬态热分析进行选定。 限于篇幅， 本文仅列出第二层测温面的最高温度计算值和 测点 1 、 测点 2 、 测点 6 相应的温度历时曲线 ， 并与实测值对 比 度( 模型的初始温度) 为 2 8 ； 基岩位于土层中， 温度基本不随气温 分析， 见表 4 、 图 5 7 。 表 4 第二层测温面温度计算值与实测值对比表 注： 温峰到达时间为混凝土从浇筑时起到最高温度出现的时间。 由表 4 、 图 5 7可 以得 出 ： 水化 速 率 m = O 4 、 1 0时 ， 最 高温度计算值与实测值误差在 0 3 3 3 之间， 且混凝土温度峰 值到达时间均比实测值高， 当 m = O 4时， 温峰到达时间相差最 大为 5 4 h ； m取 2 5时各测点的最高温度计算值与实测值误差 在 O 5 2 5之间， 而混凝土温峰到达时间均比实测值低4 1 6 h ； m取值 1 5 、 2 0之间时， 计算最高温度与实测值最高温度误差 绝对值在 0 2 2 -3之间， 计算温度历时曲线和实测的温度曲线 较好的吻合 ， 温峰到达时间与实测值接近， 最大误差仅为 1 0 h ， 其一说明此种粉煤灰和矿粉双掺水泥水化放热规律不同于其他 混凝土， 其放热速率较快 ， 但温度峰值较低； 其二表明采用式( 2 ) 作为双掺混凝土的放热温升函数时， 水化速率系数 m取 1 5 2 0 时进行温度模拟计算值接近实测值。 为验证以上分析， 选取 m = 1 7 5 进行混凝土浇筑后水化热温 度场有限元计算。第五层测温面各测点的实测值和计算值的最 高温度对比见表 5 ， 测点 1的实测值和计算值的温度历程曲线 见图 8 。 可以看 出， 选取式 ( 2 ) 的混凝土放热规律 ， 水化速率系数 取 1 5 2 0 时， 由有限元计算分析的粉煤灰和矿粉双掺混凝土温 度场与实测温度场比较吻合。 2 3 60 5 0 4O 魁 3 0 赠 2O 1 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 l 8 0 2 1 0 2 4 0 时间， h 图 5 测点 1温度历程 曲线 6 0 5 0 40 3 O 赠 2 O 1 O 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 21 0 2 4 0 时间， h 图 6 测点 2温度历程 曲线 6O 5O 40 越 3 0 赠 2 O l O 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 时问， h 图 7 测点 6温度历程 曲线 3结 语 ( 1 ) 整个承台所使用的粉煤灰和矿粉双掺混凝土浇筑后 5 5 6 0 h左右 ， 混凝土温度 升到最大值 5 7 3 5 8 6 ， 最高温度 持续时间为4 8 h ， 混凝土降温速率小于 2 C d 。 ( 2 ) 水化速率系数的正确取值决定了大体积混凝土水化热 p 60 5O 40 30 赠 20 1 0 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 测 点 图 8 m- - 1 7 5时第 5层测温面温度对 比图 表 5第五层测温面温度计算值与实测值 的比较( m= 1 7 5) 温度场的计算准确。工程中粉煤灰和矿粉双掺大体积混凝土的 水化速率和放热量不同于普通混凝土 ，其水化速率系数取 1 5 2 0时， 温度场计算值和实测值吻合的较好。 ( 3 ) 粉煤灰和矿粉混凝土水化是一个较为复杂的化学反应 过程， 较难从化学反应方程式中得到水化放热规律， 本文通过 实测温度和理论模拟对比分析， 获得了粉煤灰和矿粉双掺大体 积混凝土水化放热规律的数值模型， 为类似大体积混凝土施工 前的温控模拟计算提供有益的参考。 参考文献 ： 1 】 朱伯芳 大体积混凝土的温度应力和温度控制 M 】 E 京： 中国电力出 版社 ， 1 9 9 8 2 J2 王铁梦 工程结构裂缝控制 MJ - E 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 3 】李东， 潘育耕混凝上水化热瞬态温度场数值计算过程中的水化放热 规律及水化速率问题【 J J 西安建筑科技大学学报， 1 9 9 9 ， 3 1 ( 3 ) ： 2 7 2 9 【 4 】 向敏， 杨从娟 高强混凝土水化放热规律研究 J 1 混凝土， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 2 7 3 0 5 王勖成 有限单元法基本原理和数值方法【 M _ _ E 京： 清华大学出版 社 ， 1 9 9 7 作者简 介 单位地 址 联 系电话 ： 刘沐宇( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 教授 ， 研究方向 ： 桥梁与隧道工程 。 武 汉理工大 学道 路桥梁 与结构 工程湖 北省重点 实验 室 ( 4 3 0 0 7 0 ) l 3 9 0 7 1 7 69 9 7 盔翻圈 由中国建筑科学研究院负责修订的国家标准 GB T 1 4 9 0 2 预拌混凝土 获得立项 国家标准化管理委员会以 关于下达 2 0 0 9年第二批国家标准制修订计划的通知 ( 国标委综合 2 0 0 9 9 3号) 文件， Ti T 2 0 0 9 年 第二批国家标准制修订计划， 原标准号 G B T l 4 9 0 2 2 0 0 3 预拌混凝土 被列为修订项 目， 完成时间为 2 0 1 1 年， 主编单位为中国建 筑科学研究院。该标准由全国混凝土标准化技术委员( S A C T C 4 5 8 ) 归口管理。 墨四圃 瓦 克 化学 荣 膺中 国 杰出 雇主 2 0 0 9年 1 2月 1 7日， 瓦克化学公司经国际杰出雇主鉴定机构 C R F ( C o r p o r a t e R e s e a r c h F o u n d a t i 0 n ) 评估 ， 荣膺 2 0 1 0上海地区中 国杰出雇主。在此次评选中， C R F通过包括问卷调查、 采访以及一项针对公司领导力 、 战略和人力资源管理水平调查在内的综合评 选流程， 最终认可了瓦克对员工的长期承诺， 宣布瓦克为中国杰出雇主之一。 2 4