骨料特性对混凝土温度场的影响.pdf

1概 述 骨料特性对混凝土温度场的影响 海 燕 朱岳明 黄灵芝 f 1 陕西水环境 工程勘测设计研究院 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 ； 2 河海大学 水利水电学院 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 3 陕西省水利 宣传 中心 陕西 西安 7 1 0 0 0 4 ) 摘 要 基于考虑混凝土构造上的随机性、 非均质性的细观有限元模型， 模拟混凝土的绝热温升过程， 研 究混凝土细观结构的温度分布， 重点讨论骨料特性如品种、 分布、 数量、 尺寸等对两者的影响。 结果表明， 骨料品种对混凝土试件的宏观绝热温升过程影响明显， 基于细观尺度的混凝土绝热 温升预测需考虑该影响； 混凝土内部存在温度差异， 其非均匀性程度与骨料特性密切相关， 但该 种不均匀表现随龄期增长将逐渐消失。 关键词 细观； 骨料； 绝热温升； 温度场 中图分类号： T V 4 2 + 2 文献标识码： A 混凝 土的水化放热 特性对混凝 土结构 开 裂影响越来越 受到人们 的重视 ， 研 究混 凝 土 的绝 热 温升 是关 键 。混 凝 土材 料实 际 上是 靠水泥砂浆把随机配置的骨料结合成非均 质复合材料 ，深入探讨其不连续 的几何分 布特 性 和非 均 质的 物理 力 学特 性 ，将 有助 于发 展 人 们 对 混凝 土 变形 特性 及其 开裂机 理的认识 观。 从混凝土 的细 观组 成看 ，只有 水泥是放 热 源 ， 骨料则成 为吸热源 ， 绝热 条件下混凝土 内部各点的温度并不相同，这与以往的宏观 认识 是有区别 的，可见 混凝土 的细 观温度场 的分 布规律是 比较 复杂的 ，且与骨料 的存在 有着 直接关系 。本 文从 混凝土 的热学 性能和 细观组成出发， 模拟混凝土的绝热温升过程， 研究混凝土细观结构的温度分布，重点讨论 骨料 特性 如品种 、 分布 、 数量 、 尺 寸等对 两者 的影响 。 2混凝 土细观 结构的有限 元模型 实现 建 立能 够考 虑混凝 土构 造上 的随 机性 、 非均质性的计算机模拟系统，是混凝土材料 细观结构研究的前提，计算模型要求骨料的 形状 、尺寸 以及分 布都要同真实 的混 凝土在 统计意义 上一致 。笔者首先基 于蒙 特卡罗方 法 的随机 抽样原理 编制了随机骨料模 型的生 成程序 ， 形 成较为真 实的混凝土细 观结 构 ， 然 后借助商业软件 A N S Y S 对其网格化，为进行 混凝土非线性有限元分析提供细观计算模型。 相关算例表明， 按照上述方法建立的混凝土细 观结构的有限元模型是可靠的。具体可参见 文 1】 ， 这里不再赘述 。 3基 于细 观尺度 的混凝土绝热 温 升估算 基于细观尺度的混凝 土绝热温 升预测是 一 个 比较新 的课题 ， 通过建立混凝 土绝热温升 与水泥水化程度关系的数学模型， 在掌握混凝 土配合比和水泥水化程度曲线的情况下， 就可 估计混凝土绝热温升的发展过程。笔者基于 前 人 建立 的混凝 土绝 热温 升与水 泥水 化程 度关系的数学模型开展研究， 估算方法简要介 绍 如下 ： 假定某混凝土试件质量为 I n ，比热为 c ， 主要由水泥、 水 、 骨料组成 ， 其中水泥用量为 ，所采用水泥品种的单位最大水化热为 q ， 则水泥全部水化产生的最大热量 Q 等 于n 一。绝热条件下， 试件与外界无热量交 换 ， 这些热量将全部 用于混凝土 自身的加热 ， 温度最多可升高 Q ,r C m 。实际上 ， 混凝土中的 水 泥一般难 以完全水化 ， 试件最大 温升值取决 于水泥的水化程度 ( t ) ， 故混凝土的绝热温 升可表示为 0(T) ： lm d( T) 。 4骨料对 混凝土绝 热温升和 温度 场的影响 考 虑某 混凝 土 试件 1 0 0 m m1 0 0 ra m 水 ： 水泥 ： 砂 ： 石子( 骨料， 取石灰石) 的重量 百分比为 1 8： 3 4： 2 0： 2 8 ，水泥砂浆的水化 反应过程满足 0( 下) = ， 根据文嘲 的 方法可知 ， 骨料体积 比( 因本文的研究对 象为 二维平面问题 ， 这里 的骨料体积 比实际为骨料 面积比)为 2 5 的混凝土绝热温升的理论值 为 。 ( 下) = 。将混凝土看作是骨料 和砂浆组成的， 模拟该试件的绝热温升过程， 考虑以下两种正四边形 骨料投放情形 ： 粒径 为 5 0 m m的单个骨料，粒径为 l O m m的 2 5 个骨 料 ， 见图 1 。 4 1 混凝土绝热温升 从图 2 可以看出， 细观有限元数值模拟的 绝热温升 过程与理论值符合 较好 ， 文I2 1 提 出的 基于细观 尺度和水泥水化反 应过程 的有 限元 模拟方法， 可以预测混凝土绝热温升的大致过 程， 但随着计算时间的增加 ， 误差不断累积， 计 算误差也将有所增大。如图2 f a ) 所示 ， 当骨料 体积 比一定 时 ， 对 于 同种 骨料 ， 粒径 由 5 0 ra m 减小为 1 0 m m ， 数量由 1 个增至 2 5 个 ， 对混凝 土试件的宏观绝热温升过程基本没有影 响； 如 图 2 ( b ) 所示， 当骨料体积比定时， 对于相同 粒径不 同骨料 ， 因各 自导温系数 的不 同( 石灰 石 、花 岗岩 、玄武岩 的导温 系数 分别为 0 0 0 6 9 m Z h 、 0 O 0 5 5 m2 fl a 、 0 O 0 3 4 m Z h ) ， 混凝土试 件的宏观绝热温升过程也不同， 对本次研究试 件而言 ， 导温系数越小的骨料， 其组成的混凝 土的绝热温升曲线越接近理论值。 4 2混凝土温度场 前面提到，由于骨料并不参与水化反应， 只有水泥是放热源， 骨料则成为吸热源 ， 绝热 菩 ： ： 一 。 t料 艘径为5 啪 量料粒强 为 1 0 n 1 图 1骨料体 积比为 2 5 混凝土细观模型及有 限元模型 不f 刚盘 程石荚石辩簿垮热量丹的黟_ I 秭 帽 图 2 骨料体积比为 2 5 混凝土试件 绝热温升 曲线 ( I ) 1 2 h 蛉婀 0 2 4 h 龄辫一 图 3混凝土温度场( 骨料体积比为 2 5 。 骨料粒径为5 0 ram) 1 2 h龄耀 2 4 h 龄搠一 图4混凝土温度场( 骨料体积比为 2 5 。 骨料粒径为 1 0 mm) l 一 0 8 p 0 6 凄 o l4 0 2 O 2 O 3 O 4 0 5 O 龄期 图 5相同粒径不同骨料对混凝土内部温差过程的影响 条件下混凝土内部各点存在温度差异 ， 图3和 图 4所示结果也真实 的反映 了这一点 。 经对 比 不难发现，混凝土内部温度分布并无明显规 律 ， 但最低温度出现在骨料内部， 随着龄期的 不断增长， 这种内部温度差异逐渐消失； 在骨 料体 积比一定 的情况下 ， 尽管 同种骨料 的粒径 和数 量对混凝 土试 件的宏 观绝热温 升过程影 响很小， 但相同龄期混凝土内部温度差异并不 相同， 随着骨料数量的增加 ， 骨料在混凝土试 件内的分布变得更加“ 均匀” ， 骨料和砂浆间的 温度差异随之减小 。 骨料导温 系数 的不 同会 对混凝 土温度场 的非均匀性产生影响， 骨料导温系数越小， 混 凝 土的非均匀性 越明显 ，但 骨料和砂 浆中 的 温度差异开始和结束的时间几乎没有变化， 如 图 5所示 。 5结语 本文基于细观尺度模拟混凝土的构造， 重 点讨 论 了部分 骨料 特性对混凝 土绝热 温升过 程和温 度场分布 的影响 ， 认为混凝土的绝热温 升过程可以通过水泥的水化程度曲线预测， 但 须考 虑降低 累积误 差和其他影 响 因素 如骨料 品种， 同时指出混凝土内部温度场的非均匀性 与混凝土的细观结构有直接关系。获 水 参考文献 【 1 】 海燕 混凝土热力学与收缩特性宏细观研 究及水闸结构防裂分析p】 南京： 河海大学博 士学位 论文。2 0 1 0 【 2 1 宋智通混凝 土温度与 温度 应力的 多尺度 研究【 D 南京： 河海大学博士学位论文， 2 0 0 8 ( 责 任 编 辑 ： 周蓓 ) C -一 _-J G C 一乜瓷疆