大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(3):440-446VOL.54 NO.3 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.03.015大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟孙建恒,陈若妤*,袁 敬河北农业大学城乡建设学院,河北 保定 071001摘摘 要要:为了研究铁尾矿粉作为掺合料对大体积混凝土水化热的影响，对比研究了铁尾矿粉-水泥复合胶凝材料（MITC）、粉煤灰-水泥复合胶凝材料（MFAC）的水化放热特点。制作了 C40 强度等级，边长为 1 100 mm 的大体积铁尾矿粉混凝土（ITPC）以及粉煤灰混凝土（FAC）立方体试块，每一试块内部埋设 15 个温度传感器，对不同龄期混凝土温度变化进行了试验研究。并通过 ANSYS 软件模拟了试验试块的温度场。研究结果表明粉煤灰对复合胶凝材料水化放热速率及峰值出现时间的延缓效果优于铁尾矿粉，但大体积 ITPC 与 FAC 的温升峰值分别为 61.9、63；中层降温速率分别为 0.46/h，0.51/h；最大里表温差分别为 18.5，20.4，大体积 FAC 的温升峰值、中层降温速率、最大里表温差均高于大体积铁尾矿粉混凝土。从对大体积混凝土温度降低效果来看，铁尾矿粉优于粉煤灰。ANSYS 软件数值模拟结果与试验实测结果吻合良好，ITPC 试块与 FAC 试块中心点相对误差分别为 0.65%，1.43%。可以较好的模拟出大体积 ITPC 内部的温度变化，为实际工程的现场施工及温控措施提供指导。关键词关键词:铁尾矿粉混凝土;水化热;数值模拟中图中图法法分类号分类号:TV544文献文献标识码标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)03-0440-07Experimental Study and Numerical Simulation on HydrationHeat of Large-volume Iron Tailings ConcreteSUN Jian-heng,CHEN Ruo-yu*,YUAN JingCollege of Urban and Rural Construction/Hebei Agriculture University,Baoding 071001,ChinaAbstract:To study the influence of iron tailings powder as an admixture on the hydration heat of mass concrete,thehydration exothermic characteristics of iron tailings powder cement composite cementitious material(MITC)and fly ashcement composite cementitious material(MFAC)were compared.The C40 strength grade test cubes of mass iron tailingspowder concrete(ITPC)and fly ash concrete(FAC)with side length of 1 100 mm were made,15 temperature sensors wereburied inside each test block，and the temperature changes of concrete at different ages were tested.The temperature field ofthe test block is simulated by ANSYS software.The research results show that the retarding effect of fly ash on the hydrationexothermic rate and peak time of composite cementitious materials is better than that of iron tailing powder,However,thepeak temperature rise of mass ITPC and FAC are 61.9 and 63 respectively;The cooling rates of the middle layer are0.46/h and 0.51/h respectively;The maximum internal surface temperature difference is 18.5 and 20.4 respectively,The peak value of temperature rise,cooling rate of middle layer and maximum temperature difference betweeninterior and exterior of mass FAC are higher than that of mass ITPC.From the perspective of temperature reduction effect ofmassconcrete,iron tailings powder is superior to fly ash.The numerical simulation results of ANSYS software are in goodagreement with the test results,The relative error of the center point of ITPC test block and FAC test block is 0.65%and1.43%respectively,which can better simulate the internal temperature change of mass ITPC,and provide guidance for theon-site construction and temperature control measures of actual projects.Keywords:Iron tailings concrete;heat hydration;numerical simulation大体积混凝土被广泛应用于水利大坝、高层建筑深基础底板、大型设备基础等。我国每年仅水工建筑中大体积混凝土的浇筑量就在 1 000 万 m3以上，因此大体积混凝土的温控防裂极为重要，为了降低建筑结构的温度应力，减少开裂风险，一般在混凝土中加入粉煤灰以降低混凝土的水化热。K 坝工程1中为减少混凝土水化热的产生，在混凝土中加大了粉煤灰的用量；三峡大坝工程各部位混凝土中，粉煤灰的最大掺量达到 40%2。但如今“双碳”背景下，粉煤灰的排放量及堆存量日益减少且价格不断上升，寻求新的掺合料替代粉煤灰迫在眉睫。铁尾矿作为铁矿在生产开发过程中所产收稿日期收稿日期:2022-11-12修回日期修回日期:2022-12-23基金项目基金项目:河北省重点研发计划项目(19211502D)第第 1 作者简介作者简介:孙建恒(1962-),博士研究生,教授,博士生导师,主要研究方向为混凝土材料与钢结构.E-mail:*通讯作者通讯作者:Author for correspondence.E-mail:第 3 期孙建恒等:大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟441生的主要废弃物，不仅让大片土地被占用导致资源浪费，而且造成环境污染。研究铁尾矿粉对大体积混凝土水化放热量的影响，推进铁尾矿粉在大体积混凝土中的应用，不仅能够解决粉煤灰的供应问题，降低工程材料成本，同时可以消耗铁尾矿的堆存，缓解环境压力。为了探究铁尾矿粉能否代替粉煤灰应用于大体积混凝土中，本文对比研究了铁尾矿粉-水泥复合胶凝(MITC)、粉煤灰-水泥复合胶凝材料（MFAC）的水化放热速率及累计放热量，并通过浇筑两个边长 1 100 mm 的大体积立方体混凝土试块，研究铁尾矿粉对大体积混凝土温度场的影响，并以粉煤灰为掺合料的普通混凝土作为对照组，对大体积铁尾矿粉混凝土（ITPC）与大体积粉煤灰混凝土（FAC）的水化热性能进行了对比研究。同时通过与 ANSYS 软件数值模拟分析结果对比，为铁尾矿粉混凝土在实际工程中的应用提供参考。1材料与材料与方法方法1.1原材料与配合比原材料与配合比复合胶凝材料水化热试验采用抚顺水泥股份有限公司生产的 P42.5 基准水泥，比表面积 390m2/kg；大体积混凝土水化热试验采用京兰牌 PO42.5 级水泥，比表面积 349.6 m2/kg。铁尾矿粉选用唐山市迁安蔡园镇的铁尾矿粉，经粉磨后比表面积 480 m2/kg，根据规范 GB/T 2847-20053进行测定，无火山灰活性4；粉煤灰为级粉煤灰，比表面积 418 m2/kg，化学成分如表 1 所示。细骨料选用天然河砂，细度模数 2.70；粗骨料选用普通碎石，粒径为 5 mm25 mm 的连续级配。减水剂采用伟合科技生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为 30%，拌和及养护用水均为自来水。本试验所用两种材料混凝土的设计强度均为 C40，为了对比两组试块的水化放热量，采用同水胶比，具体配合比设计如表 2 所示。表表 1 化学成分化学成分Table 1 Chemical composition原料MaterialCaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3其他OthersP42.562.32%20.96%2.15%4.13%3.03%0.42%PO42.560.12%20.72%2.99%7.75%3.19%2.6%铁尾矿粉4.8%68.2%6.8%5.1%12.5%2.6%粉煤灰14.6%34.5%2.7%26.4%5.7%16.1%表表 2 混凝土配合比混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio类别Category水胶比Water-binderratio水/(kgm-3)Water水泥/(kgm-3)Cement掺合料Admixture河砂/(kgm-3)River sand碎石/(kgm-3)Macadam减水剂/(kgm-3)Water reducer铁尾矿粉/(kgm-3)Iron tailings powder粉煤灰/(kgm-3)Coal ashITPC0.42170283.3121.4-821.41 003.90.994FAC0.42170283.3-121.4821.41 003.91.871.2试验试验方法及步骤方法及步骤1.2.1 复合胶凝材料水化热试验 为保证浆体良好的流动性，采取 0.4 的水灰比，制作铁尾矿粉、粉煤灰掺量 30%的 MITC、MFAC 浆体，并采用 TAMAIR 八通道等温量热仪连续测量 MITC、MFAC样品 168 h 的水化放热速率以及累计水化放热量。1.2.2 大体积混凝土水化热试验 浇筑边长为 1 100 mm 立方体试块，每一试块布置测温点 15 个，底层、中层、表层分别沿对角线布置 5 个测点（A1E3），具体测温点布置如图 1 所示。浇筑后开始采集混凝土试块内部各测温点温度数据，同时预留一个温度传感器采集环境温度。数据采集使用HD-HNTC 型大体积混凝土温度测试仪，温度传感器使用 18B20 数字型传感器，采集间隔 30 min，442山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷连续测量 672 h。（a）测温点平面布置图(b)测温点立面布置图图图 1 测点布置图测点布置图Fig.1 Layout of temperature measuring points1.2.3 大体积混凝土温度场有限元模拟 本文利用 ANSYS APDL 有限元软件对混凝土进行模拟计算。模型尺寸与现场试验尺寸保持一致，同时取 0.5 m 厚地基基础结构进行分析，如图 2 所示，混凝土的初始温度与地基初始温度分别取试验现场浇筑的混凝土入模温度、地基基础温度进行计算。混凝土热性能参数根据大体积混凝土温度应力与温度控制5计算得出，具体参数选取如表 3 所示。边界条件采用第三类边界条件6-7，环境温度选取 28 d 的实测值，如图 3 所示，水泥水化放热公式采用朱芳院士的复合指数式6-8。图图 2 模型示意图模型示意图图图 3 环境温度环境温度Fig.2 Model schematic diagramFig.3 Ambient temperature表表 3 模型参数选取模型参数选取Table 3 Model parameter selection类型Category比热容/kJ(kg)-1Specific heat密度/(kgm-3)Density导热系数/kJ(mh)-1Heat conductivity coefficient对流系数/kJ(h)-1Convection coefficient初始温度/Initial temperatureITPC0.9382 4009.12237.7325.3FAC0.9572 4008.88037.7325.7地基基础0.972 45010.2-33第 3 期孙建恒等:大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟4432结果与分析结果与分析2.1混凝土的工作性能及强度混凝土的工作性能及强度表 4 为 ITPC 及 FAC 的工作性能及强度，从表中可以看出，两种不同掺合料的混凝土 28 d 立方体抗压强度均达到了 C40 强度等级，其工作性能都达到了泵送混凝土的要求。由于铁尾矿粉不具备火山灰活性4，ITPC 的 7 d 及 28 d 立方体抗压强度均低于 FAC 的相应值，但其坍落度及扩展度大于FAC 的相应值。表表 4 混凝土性能指标混凝土性能指标Table 4 Concrete performance index类别Category坍扩度/mmSlump expansion扩展度/mmDivergence立方体抗压强度/MPaCompressive strength of cube7 d28 dITPC19548533.842.5FAC18040538.948.82.2复合胶凝材料水化热试验结果分析复合胶凝材料水化热试验结果分析纯水泥及 MITC 与 MFAC 浆体累计放热量及水化放热速率如图 4、图 5 所示。复合胶凝材料的早期水化进程可分为初始水解期、诱导期、加速期、衰退期以及稳定期。其中纯水泥浆体水化热数据引用自论文9。图图 4 水化放热速率水化放热速率图图 5 累积水化热累积水化热Fig.4 Hydration heat evolution rateFig.5 Cumulative hydration heat由图 4 可知铁尾矿粉以及粉煤灰的加入均有效降低了胶凝材料的水化放热速率，延长了水泥水化诱导期及水化加速期放热峰值的出现时间，且 MFAC 的延长效果优于 MITC。这主要是因为在水化早期粉煤灰基本不发生水化反应，与铁尾矿粉相同发挥微集料填充效应，但在同等掺量下粉煤灰的吸水量高于铁尾矿粉，使得参与水泥水化的水量有所减少，一定程度上抑制了水泥的水化反应，延缓了水化放热峰值的出现，故粉煤灰的延迟效果优于铁尾矿粉。图 5 中采用 30%掺量的掺合料取代水泥后，MITC 浆体及 MFAC 浆体累积水化放热量较纯水泥有明显降低，MITC、MFAC 3 d 水化放热量分别为 214.4 J/g、210.5 J/g；7 d 水化放热量 258.7 J/g、256.4 J/g，两者相差不大。但相比纯水泥 3 d 和 7 d 放热量 255.5 J/g、281.1 J/g 有较大幅度的降低，特别是 3 d 放热量 MITC 和 MFAC 分别降低了 16.1%和 17.6%。由于 MITC 和 MFAC 两者的水化放热量差异很小，铁尾矿粉在大体积混凝土中作掺和料时，铁尾矿粉的水化热调整系数可以采用大体积混凝土施工规范中相同掺量粉煤灰的水化热调整系数10。444山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷2.3大体积混凝土水化热试验结果分析大体积混凝土水化热试验结果分析取两组试块中的底层特征点 E1，中层特征点 C2 以及表层特征点 A3 的试验结果进行对比分析，如图 6 所示；各测温点的温控指标分析如表 5 所示。试验过程中两试块均未发现明显裂缝。(a)E1 测点(b)C2 测点(c)A3 测点图图 6 测温点温度对比测温点温度对比Fig.6 Temperature comparison of temperature measurement points表表 5 测温点温控指标测温点温控指标Table 5 Temperature control index of measuring point测点Site铁尾矿粉混凝土 ITPC粉煤灰混凝土 FAC最高温度/Best T升温持续时间/hDurtion温升速率/(h-1)Rising T rate降温速率/(h-1)Flowing T rate最高温度/Best T升温持续时间/hDurtion温升速率/(h-1)Rising T rate降温速率/(h-1)Flowing T rate底层点A145.914.51.420.3246.316.51.250.34B152.621.01.3052.424.01.11C154.023.51.2254.124.51.16D151.321.01.2451.522.51.15E145.017.01.1645.015.01.33中层点A252.016.51.620.4653.517.51.590.51B260.221.01.6661.422.51.59C261.921.01.7463.024.01.55D259.621.01.6359.822.51.52E2-52.016.51.59表层点A351.516.01.690.4853.317.01.670.48B356.318.01.7257.520.51.55C358.720.01.6759.222.51.49D356.818.51.7156.920.51.52E352.315.51.7452.016.01.64最大里表温差/18.520.4最大表外温差/30.230.8由图 6 及表 5 还可以看出：除个别点由于大体积混凝土水化反应不均匀导致测点温度偏低外，FAC 试块整体温度高于 ITPC 试块，FAC 试块中心点最高温度比 ITPC 高了 1.1。两种试块水泥用量相同、掺合料用量相同，混凝土温升值的差异来源于掺合料的种类差异。由于粉煤灰具有火山灰性，在同龄期等掺量的条件下，粉煤灰会发生缓慢的二次水化反应，释放少量热量。升温阶段 ITPC 试块温升峰值出现时间为 21.0 h，早于 FAC 试块的 24 h，温升速率大于 FAC 试块，这一方面这是由于铁尾矿粉的掺入会对水泥颗粒起到一定的分散作用，增加水泥与水的接触面第 3 期孙建恒等:大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟445积，促进水泥水化，另一方面铁尾矿粉是一种惰性掺合料，不具有火山灰性，不参与水化反应，使可供水泥水化的水量增加，改善水化环境，促进水泥水化。这一规律也与 MITC 和 MFAC 水化放热规律相吻合。降温阶段ITPC试块各层的降温速率低于FAC试块，中层点的降温速率比FAC试块降低了6.3%。但降温速率均大于 2/d 的温控指标11，结构易产生开裂风险，故在实际工程中，可考虑采取在混凝土表面增加保温层厚度、混凝土内部加设冷却水管等措施来降低混凝土降温速率，减少开裂风险。大体积混凝土的里表温度差是引起混凝土开裂的主要因数，ITPC 试块最大里表温差 18.5 小于FAC 试块的最大里表温差 20.4，均符合里表温差不超过 25的温控指标，但 ITPC 试块的里表温度差比 FAC 试块降低了 9.3%。考虑试验模型较小，混凝土总体放热量较少，且热量易于散失，在实际工程中混凝土浇筑量大，里表温差增大，结构的温度梯度增大，产生的温度应力随之增大，因此在实际的大体积混凝土工程中 FAC 结构表面的开裂风险要高于 ITPC 结构。2.4数值模拟结果分析数值模拟结果分析ITPC 与 FAC 试块达到温升峰值时，各部位温度分布如图 7 所示。(a)ITPC 试块温度云图(b)FAC 试块温度云图图图 7 温升峰值时温度云图温升峰值时温度云图Fig.7 Temperature nephogram at peak value of temperature rise由图 7 可知，混凝土内部的最高温度出现在距各个边界最远的混凝土中心处，这是由于混凝土的散热主要通过裸露在空气中的混凝土表面进行散热，而大体积混凝土截面较厚，表面系数相对较小，所以水泥水化放出的热量聚集在混凝土内部中心处不易散失。选取两组对称轴一侧测点 A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3 九个测点的试验结果与有限元计算结果进行对比分析，特征点温控指标表 6 所示。表表 6 特征点温控指标特征点温控指标Table 6 Characteristic point temperature control index特征点Site铁尾矿粉混凝土ITPC粉煤灰混凝土FAC温升峰值/Rising Tpeak相对误差/%Rative error峰值出现时间/hPeak time峰值出现时间差值/hPeak time difference温升峰值/Rising Tpeak相对误差/%Rative error峰值出现时间/hPeak time峰值出现时间差值/hPeak time differenceA142.57.4116+1.542.88.6416-0.5B149.16.6522+1.049.55.5318+1.5C152.62.5923-0.553.02.0326+1.5A248.95.9617-0.551.14.4918+0.5B256.85.6520-1.057.85.8621-1.5C261.50.6521062.11.43240A348.26.4115-1.049.96.38170B352.86.3318054.84.7020-0.5C356.43.9220056.84.0522-0.5注：+表示峰值出现时间滞后，-表示峰值出现时间提前。Note:+means the peak appears time lag,-means the peak appears time advance.过试验结果与数值模拟结果对比分析可知，中心点实测值与模拟值温度吻合良好，ITPC 试块温446山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷升峰值相对误差 0.65%，温升峰值出现时间相同，FAC 试块温升峰值相对误差 1.43%，温升峰值出现时间相同。表层与底层实测值与数值模拟值相差稍大一些，最大误差发生在底层角点 A1 处，ITPC和 FAC 的最大误差分别为 7.14%和 8.64%。采用 ANSYS 软件模拟大体积铁尾矿粉混凝土温度场具有较高精度，可以用来对实际工程中的大体 ITPC 水化热温度场进行分析预测。表层与底层实测值与数值模拟值相差稍大一些，这是由于在实际试验中边界条件构成较为复杂，而在数值模拟中进行了适当简化，均按第三类边界条件进行处理。在试验试块中，混凝土表面由于混凝土试块钢筋吊钩的存在，保温层不能与混凝土上表面紧密贴合，中间有大量空隙；在试块底面有塑料薄膜与混凝土地面隔离。这些都与数值模拟的边界条件存在差异，造成表层与底层实测值与数值模拟值的误差较大。3结结 论论（1）相比纯水泥 3 d 和 7 d 放热量，MITC、MFAC 有较大幅度的降低，特别是 3 d 放热量 MITC和 MFAC 分别降低了 16.1%和 17.6%。由于 MITC 和 MFAC 两者的水化放热量差异很小，在大体积混凝土配合比设计中，铁尾矿粉的水化热调整系数可以采用大体积混凝土施工规范中相同掺量粉煤灰的水化热调整系数；（2）ITPC 试块的温升峰值、降温速率、最大里表温差均低于 FAC 试块，特别是 ITPC 的最大里表温差较 FAC 降低了 9.3%。综合降温效果铁尾矿粉优于粉煤灰。利用铁尾矿粉代替粉煤灰作为掺合料不仅降低大体积混凝土的水化热，还可以降低大体积混凝土成本，减少铁尾矿的存积对环境的影响；（3）ITPC 试块数值模拟结果与试验结果相比，中心最高温度与试验结果相对误差小于 1%；最大误差发生在底层角点 A1 处，为 7.14%。在实际工程中可用数值模拟指导工程施工。但如何使数值模拟的边界条件更接近实际的边界条件，需进一步研究。参考文献参考文献1杨 坤,刘永杰.高温大体积混凝土防裂技术在 K 坝施工的应用J.云南水力发电,2019,35(S1):83-852李文伟,郑 丹,陈文耀.三峡工程大坝混凝土长龄期性能试验研究J.水利发电,2009,35(12):76-783中国建筑材料工业协会.用于水泥中的火山灰质混合材料:GB/T 2847-2005S.北京:中国标准出版社,20054Yang MJ,Sun JH,Dun CY,et al.Cementitious activity optimization studies of iron tailings powderas a concrete admixture J.Construction and Building 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