水化热控制（共7篇）
水化热控制 篇1
0 引言
现如今大体积混凝土水化热控制是否得当几乎成为衡量整个桥梁质量的重要因素之一。大体积混凝土是桥梁的重要支撑结构, 承担起整个桥梁的重量。如果对其水化热控制不力, 则会引起混凝土不同程度的裂缝, 影响工程质量。大体积混凝土的温度裂缝是源于大体积混凝土中的水泥在早期硬化阶段发生水化反应, 在这过程中散发出大量的热量, 由于混凝土的绝缘性能, 因而会在混凝土内外表面产生温差, 引起温度变形产生混凝土裂缝。所以为了确保桥梁整体质量, 需要我们对大体积混凝土的施工控制进行研究, 尤其控制大体积混凝土的水化热, 避免产生较大的温度裂缝。在桥梁施工中严格按照我国最新JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范中的要求, 控制水化热引起的温度不超过25℃。
1 大体积混凝土的概念及特点
1.1 大体积混凝土的概念
1) JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范认为如果混凝土结构在浇筑时, 结构的最小截面尺寸在1 m~3 m以内, 并需要采取措施控制水化热引起的温差在25℃以内的混凝土, 称其为大体积混凝土。
2) JGJ 55—2000普通混凝土配合比设计规程关于大体积混凝土概念:混凝土结构的最小截面尺寸不小于1 m或者由于混凝土产生热量致使混凝土内外表面温差超过25℃而产生裂缝的混凝土称之为大体积混凝土。
3) 中国冶金建筑研究院总院的王铁梦教授经过多年的研究, 是这样定义大体积混凝土的:在土木工程中的一些混凝土结构, 受到温度应力的作用后结构自身不能抵抗收缩拉应力而出现裂缝的混凝土结构。
4) 日本建筑学会经过多年的研究总结出, 当混凝土结构在浇筑时, 受到混凝土中水泥水化热的影响, 内外温度差大于25℃, 并且结构的最小断面尺寸大于0.8 m的混凝土称之为大体积混凝土。
5) 美国混凝土学会认为如果混凝土结构截面最小尺寸足够大, 大到必须采取措施来解决水化热以及水化热导致的结构体积变形, 并且还需要现场浇筑的混凝土结构称之为大体积混凝土。
到现在为止专家们对于如何定义大体积混凝土这一问题还未达成一致看法。因为仅仅通过结构断面的尺寸来确定是不是大体积混凝土是不够全面不够确切的, 水化热对结构的影响需要综合考虑结构断面水泥材料、环境温度、大气环境、结构尺寸等等一系列因素的影响[2]。
1.2 大体积混凝土的特点
大体积混凝土具有以下4个重要的特征:
1) 混凝土是由粗骨料 (碎石、卵石等) 、细骨料 (河砂等) 、水等按照一定的配比, 经过均匀搅拌、碾压、养护等阶段形成。现在混凝土是最普遍的土木工程材料之一。它的抗拉强度一般约为极限抗压强度的1/10左右, 属于抗拉强度非常低的脆性胶凝材料。短期荷载下拉伸变形能力只有温降8℃左右变形能力。
2) 大体积混凝土结构一般都是暴露在空气或者水中, 周围大气气温或者水中水温会对结构产生很大的拉应力。
3) 由于结构截面最小尺寸比较大, 表面积相对于体积来说比较小 (体表比较大) , 混凝土中的水泥在水化反应中产生大量的热量, 使混凝土内外表面产生温差, 引起混凝土的温度应力, 但是混凝土的抗拉强度非常低, 只有抗拉强度的1/10 (如C30混凝土的抗拉强度为1.43 MPa) , 所以如此大的温度应力就会导致混凝土结构出现裂缝。
4) 由于钢筋抗拉强度非常高, 一般来讲, 配筋率高的结构不容易出现裂缝, 而大体积混凝土如桥梁中的大体积承台结构配筋率很低, 相对于较大的断面尺寸, 结构的含钢率是非常低的。在水化热等作用下产生的温度应力大部分只能由混凝土来抵抗[2]。
2 大体积混凝土的常用温度计算公式
在大体积混凝土施工前, 必须对混凝土结构可能会产生的水化热进行预测计算, 只有这样才能对结构采取相应有效的措施, 控制水化热产生的温度, 进而控制大体积混凝土产生的温度裂缝。
水泥水化热的计算公式:
其中, τ为龄期, d;Q (τ) 为对应龄期的累计水化热, k J/kg;Q0为最终水化热, k J/kg;m为常数, 对应水泥的品种、比表面积以及浇筑温度[3]。
混凝土绝热温升计算公式[4]为:
其中, θ (τ) 为龄期τ时混凝土的绝热温升, ℃;Q0为1 kg水泥的最终水化热, k J/kg;c为混凝土的比热, k J/ (kg·℃) ;W为1 m3混凝土中的水泥用量, kg/m3;ρ为混凝土的密度, kg/m3;m为常数, 见表1;F为混合材用量, kg/m3;k为折减系数, 可取k=0.25。
3 大体积混凝土水化热控制施工技术
3.1 大体积混凝土结构水化热的控制标准
我国GB 50496—2009大体积混凝土施工规范对于大体积混凝土温度指标规定:1) 混凝土浇筑体入模温度温升值不宜大于50℃;2) 大体积混凝土浇筑体内外温差不得大于25℃;3) 大体积混凝土结构的降温速率不得大于2.0℃/d;4) 大体积混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃。
在大体积混凝土施工前, 必须对我国关于大体积混凝土水化热控制标准有所了解, 这样才能在施工中严格按照规范要求进行作业管理。
3.2 水泥混凝土的优化配比设计
1) 采用水化热相对较低的水泥。在一般的情况下水泥中的铝酸三钙含量越高, 水泥的水化热也就越高, 因此针对大体积混凝土结构中水泥的选择上应该避免选择水化热较高的早强水泥, 尽量选择使用矿渣水泥或者是普通硅酸盐水泥。
2) 减小水泥的用量。水化热的主要来源就是水泥的水化反应, 因此在水泥混凝土的配比设计过程中, 应确保在满足施工设计要求的前提下, 降低水泥混凝土中的水泥用量, 或采用外加剂以降低水泥用量, 防止混凝土的温度变形。
3) 对水泥混凝土的集料级配进行优化。调整优化水泥混凝土的集料级配, 减少胶凝材料的用量。因此在水泥混凝土的集料级配的确定上, 尽可能采取大骨料, 但必须保证混凝土的强度满足要求, 而且便于进行泵送施工作业。
4) 适当掺加粉煤灰以及矿渣粉等混合材料。粉煤灰中含有较高的活性二氧化硅, 所以在水泥混凝土中可以取代部分水泥, 并能提高混凝土的和易性。矿渣粉则可以起到提高混凝土抗负荷能力的作用。因此, 在水泥混凝土的级配设计中, 应当适当掺加这些混合料, 以改善混凝土的水化热效应。
5) 采用外掺剂。在桥梁大体积混凝土施工中, 常用的外掺剂主要有减水剂、混凝剂以及膨胀剂。其中减水剂由于具有减水和增塑的作用, 因此可以在确保水泥混凝土强度的前提下降低水泥水化热。缓凝剂有抑制水泥水化以及延长混凝土凝结时间的作用, 还可以放慢混凝土的放热速率, 并降低其最高温度。膨胀剂则能抵消混凝土内部的温差收缩应力。所以在水泥混凝土配比设计中, 可采用这些外掺剂, 提高混凝土施工质量。
3.3 预埋冷却水管
预埋冷却水管是最直接的降低水泥混凝土内部水化热的措施, 通过冷却水与循环管之间的热交换, 降低水化热造成的温升。对于冷却水管的布置, 一般选择便于操作的矩形排列方式, 冷却水管一般选择15 mm~25 mm的薄壁钢管, 流量一般控制在0.6 m3/h~2.8 m3/h。对于冷却水温度, 按规范要求控制在20℃以内。冷却水管的间距控制在0.8 m~1.5 m。在完成大体积混凝土浇筑以后应该及时通水冷却, 并确保通水冷却的连续性, 以达到降低水泥混凝土内部温度的目的。
3.4 大体积水泥混凝土的浇筑
如果要采取最有效的方法控制大体积混凝土的水化热, 则必须结合大体积混凝土结构的现实情况采取分层、分块的浇筑施工作业方式, 对大体积混凝土的每一块采取薄层浇筑技术, 以使水泥混凝土内部的水化热得到有效的散失, 减少外应力和温度应力, 降低混凝土内部温度, 对于各块之间可以采用后浇带的方式进行连接[4]。在分层浇筑的时候尽可能缩短间歇的时间, 这样可以避免由于间隙时间不当造成裂缝问题的发生, 同时分层浇筑以适应桥梁大体积混凝土结构体积大、结构复杂的特点, 要求斜面的坡度不大于1/3。通常在水泥混凝土的振捣时, 采用“快插慢拔, 逐点移动, 顺序进行”的方法, 并确保与侧模保持5 cm~10 cm的距离, 直到混凝土无气泡冒出、表面平整不泛浆、完全密实为止。
3.5 大体积混凝土的养护
大体积混凝土的养护, 既要满足混凝土本身强度增长的需要, 也要采取人工温度控制, 避免引起混凝土温度裂缝的出现。对于大体积混凝土的养护, 一般分为保温和保湿两道程序。
1) 保温:把大体积混凝土露在大气中的部分覆盖上保温材料, 一般材料有锯木、湿砂、麻袋等。对大体积混凝土进行保温可减小混凝土表面热量散失速率, 使混凝土获得必要的强度。
2) 保湿:在保证混凝土强度的前提下在大体积混凝土表面按时喷洒自来水, 保持混凝土表面的湿润, 防范发生干缩裂缝, 同时确保水泥水化反应以及混凝土强度的提升。
4 结语
在桥梁施工过程中, 控制大体积混凝土水化热对于避免大体积混凝土的开裂具有非常重要的作用。因此我们应当对大体积混凝土的水化热进行研究控制, 了解水化热规律, 根据水化规律可以在施工各个阶段采取相应有效措施, 例如:水泥混凝土配比阶段、预埋冷却水管阶段、混凝土浇筑阶段以及混凝土养护阶段。进行有效的大体积混凝土水化热控制技术研究对提高大体积混凝土结构的施工质量有重要作用。
摘要：分析总结了大体积混凝土的概念及其结构特点, 列举出大体积混凝土一般的温度计算方法, 并概括了大体积混凝土水化热的施工控制技术, 经过对大体积水化热的控制技术研究可为大体积混凝土的施工提供技术参考。
关键词：桥梁工程,大体积混凝土,水化热,控制技术
参考文献
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[4]刘琳莉.桥梁大体积混凝土水化热施工控制研究[D].成都:西南交通大学硕士论文, 2012.
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水化热控制 篇2
结合哈大铁路客运专线TJ-3标伊通河特大桥钻孔灌注桩冬期浇注后的温度测控, 初步研究了严寒地区钻孔灌注桩混凝土的水化热——温度规律。
1 工程概况
伊通河特大桥, 位于吉林省长春市境内, 全长57.982km, 为哈大铁路客运专线最长的桥梁。下部结构采用钻孔桩基础, 桩径分φ1.00m、φ1.25m、φ1.5m三种, 试验桩径为φ1.00m, 桩长46m。
桩混凝土设计强度等级为C30, 每立方混凝土材料用量为:水泥280kg, 粉煤灰110kg, 砂830kg, 碎石1065kg, 水117kg, 外加剂3.63kg。
实验日期为11月15日至12月1日, 期间环境温度为-17.94℃~4.12℃。
2 试验方法
温度测试采用航源平洋HYTM-Ⅱ混凝土测温传输系统, 传感器连接温度集线盒, 无线发送盒再将传感器采集的信号发送出, 无线接收盒接收信号, 传输到计算机, 再通过Labview平台开发的温控软件, 显示、记录温度数据, 每隔10分钟自动保存一次温度数据。无线温度传感器测量值范围为-20℃~100℃, 测量距离为300m~5000m。
3 测试结果与分析
3.1 钻孔灌注桩混凝土温度
图1显示, 钻孔灌注桩混凝土浇筑后温度变化规律。拌合混凝土的水、砂石料采取冬期施工措施, 混凝土入模平均温度为12℃, 此时桩基所处环境 (土层) 温度为9~10℃。
为观测、分析方便, 将整个观测过程分为4个阶段:a.入模后0~5h, 此时间段内钻孔灌注桩温度逐渐下降、趋近于桩基所处环境温度, 并在5h后达到温度的极小值9.69℃。b.入模后5~25h, 此时间段内水化反应加剧, 混凝土温度快速上升。c.入模后25~65h, 此时间段内混凝土温度进入相对稳定的阶段, 稳定在24℃±1.5℃, 极大值25.06℃。d.入模后65h~此时水化反映速度逐渐减缓, 混凝土温度逐渐缓慢下降。
3.2 理论计算温度
3.2.1 混凝土芯部假设处于绝热环境
由于混凝土为热的不良导体, 所以试作出混凝土芯部处于绝热环境的假设。
最大绝热升温:
Th——混凝土最大绝热升温
mc——混凝土中水泥用量280kg/m3
κ——掺合料折减系数, 粉煤灰取0.26
F——混凝土中粉煤灰用量110kg
Q——水泥28d水化热375k J/kg
c——混凝土比热容0.96k J/ (kg·k)
ρ——混凝土密度2400kg/m3
代入数据, Th=50.23℃
在绝热的假设下混凝土芯部温度计算值T1 (t) =50.23+12=62.23℃
3.2.2 由实测混凝土温度推算混凝土芯部温度
由于传感器绑扎在钢筋笼上, 桩基保护层厚度为10cm, 传感器接近桩基混凝土表层, 所以, 做出传感器在混凝土表层的假设, 理论推算混凝土芯部温度值。
传感器处混凝土温度上升值=实测极大值25.06℃-土层温度值9.5℃=15.56℃
Th′——传感器处混凝土温度上升值15.56℃
h′——h′=κλ/βκ为折减系数, 取2/3, λ为混凝土导热系数, 取2.33W/ (m·K) , β为土层导热系数, 取2.2 W/ (m·K) , h′取0.706
h——混凝土实际厚度, h取桩直径1.0 m
H——混凝土计算厚度, H=h+2h′=2.412
T1 (t) ′——由实测混凝土温度推算出的混凝土芯部温度值
Tq——土层温度值, 取9.5℃
代入数据解方程得:
T1 (t) 与T1 (t) ′相比较, 差值33.94℃。把混凝土芯部假设为绝热环境不合理的, 主要有以下原因:a.桩径为1m, 尺寸较小, 芯部散热较快。b.水化热的释放, 是一个长时间的、连续的放热过程, 持续时间在28d以上, 28d中混凝土与周围环境热交换量不能忽视。
综上, 混凝土芯部温度取由实测混凝土温度推算混凝土芯部温度较合理。
3.3 结果分析
a.混凝土外部温度低, 内部温度高的状态会引起温度应力, 如果超过混凝土抗拉强度, 将导致混凝土开裂。桩基混凝土的实测最高温度出现在混凝土浇筑45h后, 为25.06℃, 最大升温为15.37℃。推算混凝土芯部温度最高温度为28.29℃, 最大升温18.79℃。内外温差为3.23℃。从本试验结果看, 内外温差不大, 因混凝土内外温差引起的应力不会造成桩基混凝土危害。
b.温度上升段曲线斜率较大, 而在温度下降段曲线斜率较小, 这样的温度变化便会在桩身表面留下残余温度拉应力, 这种残余温度拉应力如果超过临界值, 会引起桩基表层混凝土早期开裂。
从本次试验的混凝土配合比来分析:
a.掺入了大量的粉煤灰, 粉煤灰占胶凝材料的28.2%, 减少了水泥用量, 减少了水化放热。
b.掺入了黄河牌高效减水剂, 提高混凝土强度, 减缓水化热释放速率。
4 结论
a.冬期, 严寒地区钻孔灌注桩在保证入模温度的情况下, 可以进行施工。设计桩顶标高在地面2m以下, 钻孔灌注桩的环境温度满足混凝土的抗冻临界值, 能够保证混泥土的抗拉强度和耐久性。
b.桩基混凝土放热量较大, 但由于桩基混凝土所处环境导热速率较快, 所以, 桩基内温度并不是很高, 不会对混凝土的抗拉强度和耐久性造成影响;桩基混凝土径向尺寸不是很大, 混凝土内部、外部温差也不大, 混凝土内外温差引起的应力不会造成桩基混凝土危害;粉煤灰与减水剂的掺入, 减少了混凝土的放热量, 减缓了混凝土水化热的释放速率, 较好地控制了墩身表面残余温度拉应力。
参考文献
[1]马宗磊.客运专线箱梁混凝土水化热温度测控研究[J].铁道建筑, 2008, 6.
[2]冯德飞, 卢文良.混凝土箱梁水化热温度试验研究[J].铁道工程学报, 2006, 11 (第8期) .
[3]吴伯芳.大休积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社, 1999
混凝土水化热试验研究 篇3
混凝土在凝结硬化期间水泥发生水化反应放出大量热量, 根据传导原理, 较大体积混凝土内部的热量散发是一个漫长的过程, 水化放热在混凝土内部聚集, 导致混凝土的温度不断上升, 而混凝土表面的温度由于空气的热交换要比内部混凝土多得多, 特别是遇到寒流或气温显著变化时, 内外温差将在混凝土表面引起很大的拉应力;后期的降温冷却过程中, 由于基础或老混凝土的约束, 又会在混凝土内部引起拉应力。当这些拉应力超过混凝土的抗拉强度时, 即会产生裂缝。因此, 实现对于大体积混凝土施工, 减少水化温升的技术途径可以是: (1) 减少水泥总用量, 以便降低混凝土由于水泥水化引起的温度升高; (2) 掺加矿物外加剂, 如掺加矿粉、粉煤灰等, 在降低混凝土水化温升的同时, 改善混凝土耐久性能, 满足工程施工要求; (3) 降低混凝土在生产过程中原材料入搅拌设备初始温度, 然而在生产中操作难度较大; (4) 加强施工养护, 如采取降温、保温法。
本实验主要研究前两条措施, 采用不同化学外加剂、矿物外加剂并改变其掺量, 试验对比水泥水化放热温升规律, 分析其影响水化放热的因素。
1 粉煤灰对水化热的影响
从图1可以看出, 降低水化热的数量和延长温峰出现时间与粉煤灰的掺量有关, 粉煤灰的掺量越大, 水化热降低的越多, 延长温峰出现的时间越长。这是由于粉煤灰部分取代了水泥, 减少了水泥用量。在水泥水化初期, 粉煤灰并没有参与水化反应。水泥中的粉煤灰颗粒在水泥水化初期是水化生成物的成长场所。随水泥水化的进行, 由于介质中CH浓度加大和向空隙的渗透能力的增强, CH开始与粉煤灰颗粒开始频繁地接触并进行水化反应, 生成CSH凝胶。生成CSH凝胶所放出的热量远远小于C3A和C3S水化反应的放热量, 并且生成CSH凝胶的反应较为缓慢, 需要经历较长一段时间。所以随着粉煤灰掺量的增加水化热降低的也就越大。但是粉煤灰掺量的线性增加并没有引起水化热的线性降低, 而是比线性值更低, 这是因为粉煤灰起到一定的扩散作用, 分散了水泥颗粒, 一定程度上减缓了水化反应, 降低了水化热。
当加入减水剂后, 减水剂的憎水基团定向吸附于水泥质点表面, 亲水基团指向水溶液, 组成了单分子或多分子吸附膜。这就起到以下三方面的作用: (1) 定向吸附使水泥质点表面带上相同电荷, 于是水泥质点分散开来: (2) 由于极性分子吸附在亲水基团使水泥质点的溶剂化层显著增厚, 增加了质点间的滑动能力, 使质点更易于分散; (3) 加入减水剂显著降低水的表面张力和界面张力, 使表面积相应增加, 质点和水溶液的分散度显著增长。由于以上几方面的作用, 加入减水剂抑制延缓水泥水化, 使水泥的早期水化速率减慢, 水化温升降低, 如图1中1#、2#曲线所示。
随粉煤灰掺量增加水化放热规律如图1, 相对不掺粉煤灰, 掺加30% (4#) 粉煤灰放热峰出现时间延长约2h, 最高温度降低10℃左右;掺量达到50% (6#) 最高温度与不掺粉煤灰1#降低约15℃, 但放热峰值出现时间明显滞后达6h。可以看出, 粉煤灰在混凝土中掺量在30%以内能够明显降低混凝土水化热, 此时对混凝土强度及凝结时间影响不大;但掺量达到50%时, 虽然能进一步降低最高温度, 且使放热峰出现时间大幅度滞后, 但由于水化速率过慢, 对混凝土凝结时间及早期强度有较大的负面影响, 在实际施工中不建议采用。
2 矿粉对水化热的影响
从图2可以看出, 随矿粉掺量增加, 水化速率逐渐降低, 水化放热量减小:当矿粉掺量在40%以内时, 如7#、8#最高温峰及出现时间相差不大, 其水化放热量相差无几:当掺量到达60% (9#) 最高温峰出现时间与掺加40%相比相差不大, 但水化最高温峰明显降低, 总放热量进一步减少;当掺量达到80%, 由于取代水泥量过高, 其最高温峰及出现时间明显落后于掺量为60%的拌合料。由以上水化放热规律可以得出, 相对不掺加任何矿物外加剂, 掺加矿粉会降低水泥水化放热量, 减少由于水化温升造成的温度裂缝;矿粉掺量为40%~60%会明显降低混凝土水化热;当掺量达到80%时, 虽然能够大幅度降低混凝土水化热, 但由于过于延长最高温峰出现时间, 会对混凝土凝结时间及早期强度带来不利影响。
3 粉煤灰、矿粉双掺对水化热的影响
⑴当粉煤灰与矿粉掺量相同时, 放热曲线如5#和8#, 我们发现明显掺矿粉的水泥水化速率要高于掺粉煤灰, 出现最高温峰时间矿粉早于粉煤灰, 最高温峰也较粉煤灰高, 说明矿粉发生二次水化反应早于粉煤灰, 即:水化活性SG
⑵当二者复掺取代水泥量为40%时, 与粉煤灰、矿粉各单掺40%比较, 如曲线5、8、12#, 由于粉煤灰水化活性较矿粉差, 矿粉复掺粉煤灰相对单掺矿粉能够降低拌合物水化速率, 然而对于出现最高温峰时间延长较小 (在2h以内) 。
⑶在矿粉取代水泥60%时, 可以看出相对取代水泥40% (单掺或双掺) , 水化最高温峰要明显较低, 然而出现最高温峰时间比单掺40%矿粉略长, 比单掺粉煤灰及复掺要短, 即单掺60%矿粉不会较长时间延长拌合物水化放热时间见曲线8、9#。
⑷当粉煤灰、矿粉双掺达到60%时, 如曲线l3#, 明显看出相比单掺60%矿粉9#, 水化最高温峰基本相同, 但出现最高温峰时间明显延长达5h, 即当取代水泥量达60%时, 掺加20%的粉煤灰能够明显延长拌合物水化放热时间。
综上所述, 在粉煤灰、矿粉双掺取代水泥60%时, 不会降低二次水化反应, 但可以明显延长水化放热时间, 减小拌合物早期集中放热, 在体积较大工程施工中便于热量散发, 减小了由于内部温升较外部过高而产生温度裂缝的几率。
4 缓凝剂对水化热的影响
从图4可以看出, 随着缓凝剂的掺量增加, 水泥的水化热显著降低。这是由于葡萄糖酸钠属于有机类的缓凝剂, 是一种表面活性剂, 对水泥颗粒表面具有较强的活性作用, 能改变水泥颗粒的表面性质。由于水泥颗粒表面的吸附作用, 使水泥悬浮体的稳定程度提高并抑制水泥颗粒凝聚, 因而延缓了水泥的水化和结构的形成过程。表面活性剂除了在水泥颗粒表面被吸附外, 并同样也能吸附在新相的晶体表面上。这种作用必将阻止水泥的进一步水化。整个体系中缓凝剂的掺量越大, 减缓水化的作用越强。葡萄糖酸钠具有较强的缓凝作用, 当掺量从0.02%增加到0.06%时, 最高温升值相差不大, 但缓凝时间明显延长, 在我们做混凝土试验时, 根据适当配合比, 当掺量达到0.06%凝结时间长达3天, 试验得出葡萄糖酸钠最佳掺量为0.03%~0.04%。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997
大体积混凝土水化热分析 篇4
水泥水化过程中释放的水化热引起的温度变化和混凝土收缩产生的温度应力和收缩应力会使大体积混凝土产生裂缝,这些裂缝给工程带来不同程度的危害。因而,搞好大体积混凝土施工的温度控制是防止温差裂缝、保证施工质量的关键环节。
1 工程概况
本文以保阜高速公路黑崖沟2号特大桥为研究背景,其主桥采用(70+3×127+70)m预应力混凝土连续刚构桥,引桥采用5孔 一联跨径40 m的装配式预应力混凝土T形连续梁桥。主桥7号墩为最高墩,高度为120.5 m,其左右幅承台为整体式,尺寸为28.5 m×16.5 m×5 m,采用C30混凝土,浇筑方法采用“分区、多点、斜面分层浇筑”。为防止因水化热造成内外温差过大导致混凝土开裂,欲采用内散外蓄的施工方法,即内部布置冷却管散热,外部洒水覆盖保温。
2 Midas/Civil模型的建立
本文运用大型有限元结构分析软件Midas/Civil建立模型,共建节点4 920个,单元3 948个。将7号墩承台简化为28.5 m×16.5 m×5 m的立方体实体单元,选用C30的混凝土材质,比热为0.25 kcal/(kg·℃),热传导率为2.3 kcal/(m·hr·℃)。
将地基简化为34.5 m×22.5 m×6.15 m立方体实体单元,选用比热为0.2 kcal/(kg·℃),热传导率为1.7 kcal/(m·hr·℃)的材料模拟。通过约束地基下表面和侧面的节点移动来模拟地基与地下土层的接触。
设置外界环境温度为20 ℃,冷却管管径为0.04 m,对于浇筑混凝土后的1 000 h进行了水化热分析,其中冷却管作用于前100 h。具体模型见图1。
3 水化热分析
3.1 拟定方案
由于大体积混凝土施工阶段温度裂缝的产生主要原因是:
1)混凝土由于内外温差产生应力和应变;
2)结构的外约束和混凝土各质点的约束(内约束)阻止这种应变,一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度就会产生裂缝。因此,本文通过如下几方面来研究:a.承台不布置冷却管时温度及其应力随时间的变化。b.承台混凝土中布置冷却管层数的改变对温度及其应力的影响。c.承台中冷却管内流量的改变对温度及其应力的影响。d.承台中冷却管内的流入温度的改变对温度及其应力的影响。
3.2 分析结果
3.2.1 不布置冷却管时对承台温度及其应力的影响
由图2可知,承台浇筑后其内部的温度随时间上升,在170 h后内部温度达到最大值,最高温度为67.65 ℃,而后逐渐降低。
由图3可知,水化热初期最大温度应力随时间的推移急剧增加,在130 h时最大温度应力达到最大,其值为5.46 MPa,之后逐渐降低。
综上所述,承台不采取任何降低水化热措施时,其内部最高温度为67.65 ℃,设计要求混凝土内部温度不得超过51 ℃,因而承台不满足设计要求。温度导致最大拉应力为5.46 MPa,又因为承台采用C30的钢筋混凝土,抗拉强度为2.01 MPa<5.46 MPa,若不采用有效措施降低水化热产生的温度应力,势必会产生裂缝,为结构带来安全隐患,本文通过设置冷却管的方式来解决这一问题。
3.2.2 布置冷却管层数对承台温度及其应力的影响
设定冷却管的流量为1.2 m3/h,流入温度为15 ℃。通过改变冷却管层数(1层～4层)来分析其对水化热效应的影响,具体分析结果见图4,图5。
由图4,图5可得,承台中冷却管布置层数越多,温度及其应力越低,抗裂效果越好。但考虑到布置过多冷却管会影响混凝土本身的承载能力,且工程成本相应提高,当布置4层冷却管时水化热产生的应力已从5.46 MPa降低到2.51 MPa,其内部最高温度也从67.65 ℃降低到54.38 ℃,则应综合其他方式调节冷却管作用效果。
3.2.3 冷却管内流量对承台温度及其应力的影响
承台中布置4层冷却管,流入温度为15 ℃,通过以下4组方案来对比分析流量对水化热效应产生的温度应力的影响:
方案1:流量为1.2 m3/h;方案2:流量为2.4 m3/h;方案3:流量为3.6 m3/h;方案4:流量为4.8 m3/h。
具体分析结果见图6,图7。
由图6,图7可看出,水化热反应初期流量的变化对承台水化热影响基本相同,中后期差异较大。冷却管内流量越大,温度及其产生的应力越小。方案3和方案4的最大温度应力变化基本相同。由于承台的抗拉强度为2.01 MPa,方案2～方案4皆可满足强度要求,考虑结构安全性,经济适用性,则可采用方案3来降低水化热效应。又因为方案3的混凝土内部最高温度为52.07 ℃,不满足混凝土内部温度不得超过51 ℃的设计要求。因此还需通过调整管内流入温度来控制混凝土内部温度。
3.2.4 冷却管内的流入温度对承台温度及其应力的影响
承台中布置4层冷却管,冷却管流量为3.6 m3/h,选择4组温度进行比较分析:5 ℃,10 ℃,15 ℃,20 ℃,具体分析结果见图8,图9。
由图8,图9可知,随着冷却管流入温度的降低,承台内部的温度也随之降低。但冷却管的流入温度的高低对承台内的最大温度应力的影响成不规律变化。流入温度较高或较低皆会导致承台内部产生很大的温度应力,且在水化热后期其最大温度应力随着温度的降低而呈上升趋势。
针对这一现象,在设计冷却管流入温度时需格外注意其对温度应力的影响,选择冷却管的流入温度为10 ℃时既可满足温度要求又可满足强度要求。
4 结语
大体积混凝土不采取任何措施时,水化热作用会使其产生裂缝。当其内部布置冷却管时,布置层数增多,流量变大,会导致混凝土内的温度及其产生的应力随之降低。管内流入温度越低,混凝土内的温度也越低,但管内流入温度的变化对温度应力的影响无明显规律可循,流入温度过高或过低都会导致较大的温度应力。因此,在设计大体积混凝土中冷却管时,其流入温度需格外注意。
通过以上的计算分析可看出,在采用冷却管后,有效的降低了大体积混凝土的温度及其产生的应力,防止了混凝土因水化热作用引起的裂缝。同时结合现场实测结果,通过理论与实践的对比,也表明了运用有限元结构分析软件Midas/Civil对桥梁结构中大体积混凝土进行的水化热分析是可行的,分析结果是可靠的。该分析过程简洁明了,对同类分析和设计有着一定的参考意义。
摘要：对大体积混凝土在不同施工阶段水化热作用产生的温度及其应力的变化进行了分析,提出了设置冷却管的方法以达到降低水化热作用效果,并对其各种控制因素的作用效果进行了对比,为控制裂缝的发展提出了优化方案,以指导工程监理和施工实践。
关键词：大体积混凝土,水化热,温度,应力,冷却管
参考文献
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[4]邹仁华.大体积混凝土裂缝控制方法的研究[J].西安科技学院学报,2001(3):27-29.
水化热控制 篇5
随着工程技术的发展, 现在国内很多大中型工程项目都需要构筑大体积混凝土, 在大体积混凝土工程中, 往往由于水泥水化热在混凝土内外形成巨大的温差, 引起温度应力造成混凝土产生裂缝, 给工程带来不同程度的危害。使用较低水化热的水泥是保证大体积混凝土质量的主要途径之一, 而其前提是要准确测定水泥的水化热。本文结合实际检测中遇到的问题, 主要阐述了溶解热法 (水泥水化热基准法) 测定水泥水化热时的操作技巧和注意事项。
1 试验准备阶段的注意事项
1.1 温度计的选用
(1) 按照GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》的要求, 检测可以选用贝克曼差示温度计或量热温度计, 由于贝克曼差示温度计使用前需用量热温度计调整零点, 而量热温度计可以直接读数, 所以建议选用量热温度计检测。
(2) 试验还需要分度值为0.1℃的温度计至少3支:一支插在恒温水槽内校正控温器温度, 一支挂在试验室内用于测量室内气温, 一支用于测量酸液温度。
1.2 温度计保护膜的选用
由于试验使用的氢氟酸对玻璃有强腐蚀性, 所以GB/T 12959—2008第3.3.1.4要求贝克曼差示温度计或量热温度计“插入酸液部分需涂以石蜡或其他耐氢氟酸的材料”。由于每次试验时温度计都需要插入、拔出, 在此过程中极易磨损或划伤涂覆材料, 而重新涂覆耐酸涂料需要重新标定热容量, 严重影响工作效率。因此建议使用与温度计相应大小且耐氢氟酸腐蚀的薄塑料袋, 套在温度计与酸液接触的部位, 并用透明胶布将其固定好, 这样既防止了温度计被腐蚀, 又延长了保护膜的寿命, 避免了频繁标定, 提高了工作效率。每次使用前还应仔细检查耐酸薄膜是否完好。
1.3 标定热量计热容量用氧化锌的制备
由于标定热量计热容量用的基准试剂氧化锌需先在900~950℃下灼烧一小时, 灼烧冷却后氧化锌基本都已经结块, 较难研磨。根据实际操作经验建议研磨时先将大块碾碎过筛, 然后采用“少量多份、及时过筛”的方法研磨, 即每次取少量氧化锌在玛瑙研钵研磨, 每遍分多份研磨, 研磨时间不用过长, 研磨一遍后及时过筛, 这样既避免了氧化锌暴露时间过长而吸附空气中的杂质, 又省时省力, 按此方法一般过3遍过筛就可以将氧化锌都研磨至全部通过0.15mm方孔筛。氧化锌制备完成需要将其放置在密封容器中备用。
1.4 水化热测定仪的准备
严禁在水槽内没有加水的情况下接通电源, 以防发生意外。在向水槽内注水时, 应先将试验内筒的筒盖盖好密封, 并移至筒座底部的位置放好, 防止加满水后再放入试验内筒时, 溢流管来不及排水, 大量的水从水槽上面外溢。此外, 使用前还需将冷却水管的进、出水管、水槽的溢流出水管按仪器说明书要求连接好。
量热温度计、塑料内筒、酸液搅拌棒和保温瓶应配套使用, 为了避免混淆, 需要在各器具上贴上标签或做上标记。
试验前24h需将检测用的整套内筒放入20±0.1℃恒温水槽中, 同时还应该将空调打开设置到20℃, 以帮助水化热测定仪在较短的时间内将温度控制到试验温度, 并使试验室温湿度较稳定的保持在试验所需范围内。
2 检测过程中的注意事项
2.1 酸液温度的调整和控制
因GB/T 12959—2008要求的酸液温度为13.5±0.5℃, 试验前需提前将标定好的硝酸溶液分到两个容器内, 一个放置于冰箱冷藏至13℃以下, 一个放置于试验室环境下, 试验时先将冷藏的硝酸溶液倒入塑料耐酸称量容器内, 根据其实际温度加环境温度的硝酸溶液调整至要求温度。
在标定热量计热容量时, 需要将酸液温度调整至温度要求下限13℃, 因为标定整个过程时间比较长, 量热温度计的最大量程为20℃, 如果酸液温度偏高, 在经过20min初始搅拌期和至少15min初测期, 再经过120 min测读期时, 很有可能就超过了量热温度计的量程, 造成标定数据采集不完整。同样, 在测定测读时间较长的火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥水化热时, 也需将酸液温度调整至13℃或接近13℃。
2.2 酸液搅拌棒的使用
从主轴夹头上装卸酸液搅拌棒时应小心操作, 防止酸液搅拌棒从高处跌落至真空瓶内, 损坏真空瓶, 而且酸液搅拌棒的下落会致使酸液面上升, 可能造成酸液与软木塞接触, 腐蚀木塞。
从倒入酸液开始启动酸液搅拌棒, 到测读结束停止搅拌, 中间酸液搅拌棒应连续开启, 试验期间还要经常观察带动酸液搅拌棒的皮带运行情况, 如有异常及时调整或更换。
2.3 测定部分水化水泥溶解热的注意事项
由于GB/T 12959—2008要求将达到试验龄期的试样在10min内捣碎、研磨、过筛、混合均匀并放入磨口称量瓶中, 在实际操作中很难在规定时间完成, 至少需要两个人默契配合、统筹安排才能达到要求。
下面以常用的双筒水化热测定仪为例, 介绍此试验阶段的正常顺序:
(1) 将符合试验要求的酸液分别通过直径漏斗加入两塑料内筒, 并插入量热温度计, 同时开动酸液搅拌棒搅拌并开始计时;
(2) 从水中取出达到试验龄期的塑料试样瓶, 直接将塑料试样瓶捣坏, 从中取出水化水泥试样;
(3) 将试样在金属研钵里捣碎、过筛, 在玛瑙研钵上研磨, 直至得到所需的大于25.2g (四份试验样品加两份备用灼烧样品的质量) 的部分水化水泥即可, 不需要将所有的试样都研磨至通过0.6mm方孔筛;
(4) 将得到的试样混合均匀并放入磨口称量瓶;
(5) 之后一名检测员将试样拿去称取试样, 另一名检测员去水化热测定仪前准备读取初测期读数。
在此过程中还需注意, 一定要将过筛的部分水化水泥试样充分混合均匀, 否则很容易造成两试样灼烧质量结果之差超过0.003g, 此时需要重新补做灼烧质量。
2.4 试样结束后的清洁整理
试验结束后需按GB/T 12959—2008第3.5.3.8要求倒出酸液, 清洗并擦干内筒和量热温度计, 还需检查量热温度计的耐酸薄膜是否完好。
试验完毕还要把金属研钵内和研体上粘着的样品仔细清理干净, 以防试样残留在研钵体内壁和研体上影响之后试验的准确性。
3 数据记录和结果计算的注意事项
3.1 试验数据的读取与记录
在读取数据时一定要根据秒表将时间节点卡准, 因为如果读取数据的时间不精确会影响到整个试验结果。另外读取量热温度计度数时, 一定要将放大镜中心对准读数位置, 视线与水银柱上表面在同一水平面上, 以减少人为误差。
在向热量计内加料时, 一定要记录当时的室温, 这个室温计算时需要用到, 通常由于此试验时间要求比较严格, 很多不太熟练的检测员容易在试验中忘记记录此室温, 从而影响到整个试验的准确性。
3.2 试验结果的计算
在计算时需要用到未水化水泥试样溶解期第一次测度数ta′, 在计算未水化水泥和部分水化水泥溶解热时, 在同一量热计上检测的水泥取同一ta′值;在最终计算水泥的水化热时, 由于未水化水泥和部分水化水泥溶解热结果均为两次试验计算结果的平均值, 所以此时ta′应取两次试验读数的平均值。
由于整个水泥水化热试验过程的计算比较繁琐, 如果其中某一环节计算错误都会影响最终的计算结果, 所以建议在电脑上利用Excel表格将计算过程和公式录入电脑。计算时直接将试验读数输入电脑就可以得到最终结果, 这样既可以提高工作效率, 又可以避免计算过程产生错误。
4 结束语
水化热控制 篇6
1 方法比较
目前,对水泥水化热的测定有2种试验方法,分别为直接法和溶解热法。我国大多数试验单位仍沿用直接法测定水泥的水化热,而世界上美国、英国、日本等许多发达国家大多采用溶解热法来测定水泥水化热。溶解热法与直接法相比具有明显的优势。溶解热法测定水泥水化热历时短、工作量小,省时省力。但是,一般的水泥厂都不会配备熔解热法所用的仪器,即使有些水泥厂添置了水泥水化热测定仪,也没能很好使用,这是因为使用熔解热法测定水泥水化热对仪器的操作要求很高,一般的工人难以掌握该项技术。故本文主要探讨溶解热法测定水泥水化热操作过程中一些容易被忽略的细节,旨在减少试验中的误差,提高试验结果的准确性,提升操作者的试验水平。
2 方法原理[2]
依据热化学的盖斯定律,即化学反应的热效应只与体系的初态和终态有关,而与反应的途径无关。它是在热量计周围温度一定的条件下,用未水化的水泥与水化一定龄期的水泥分别在一定浓度的标准酸中溶解,测得的溶解热之差,即为该水泥在规定龄期内所放出的水化热。
3 操作中容易忽略的几个细节
水化热试验操作要求非常严格,每一个步骤都紧紧相扣,若是对某个环节稍不注意,就会导致试验结果无效。下面主要对使用熔解热法测定水泥水化热的整个试验操作步骤中容易忽略的几个细节进行分析,以期提高水化热测定结果的准确性。
3.1 硝酸的配制
水化热试验对硝酸的消耗量比较大,试验过程往往需要配制大量的硝酸溶液。配制大量的硝酸时必须注意反复搅拌均匀,以免造成上下层浓度不一致而引起错误试验。建议将配制好的硝酸最好放置一昼夜使其混合均匀后再标定使用。
3.2 环境温度的控制
水化热试验,从开始试验到试验结束,整个过程都与温度息息相关。CB/T 12959—2008规定,水化热的环境条件设置为:
(1)室温应保持在20±1℃,相对湿度不低于50%,室内配有通风设备。
(2)试验期间恒温水槽的温度保持在20±0.1℃。所以必须把室温20±1℃、水温20±0.1℃这2个条件严格按标准控制好。如果试验环境的室温和水温产生波动,将会影响水化热的试验结果。另外,试验时间越长,室温和水温变化的可能性越大,试验过程和结果就越难控制。
因为室温的高低会影响到热容量、未水化水泥的溶解热、经水化某一龄期水泥的溶解热、水泥试样在某一龄期放出的水化热等一系列计算公式的计算结果。在整个试验过程中,如果室内、室外温度在20℃左右,那么试验的整个过程的室温变化不会太大。但是,如果是在夏季,由于天气炎热,室外和室内的温差较大,用空调控制室温,虽然能把室温控制在20±1℃的范围内,但室温的波动还是存在的,不恒定。解决该问题的方法是将温度计放在离水化热测定仪较近且方便读数的地方,以便准确读取试样装入热量计时的室温。对室温的准确读取这个细节,操作者必须牢牢记住,因为稍不注意,它会影响水化热的最终试验结果。
水温的控制在测读时间较短的试验中一般不会存在问题。而一些测读时间较长的样品(例如粉煤灰水泥),连续搅拌的时间比较长,这样外界传入的热量和水化热测定仪搅拌装置连续运转摩擦产生的热量对水槽温度的影响就会很大。所以,水槽温度必须被有效地控制在20±0.1℃,以保证整个实验过程中始终处于恒温的状态下。否则,对最终的测定结果影响会比较大。
3.3 水槽水位高度的控制
由于水分的蒸发,水槽的水位经过一段时间会有一定程度的下降,因此,每次测定时应把水槽水位调整在同一高度。加水入水槽时,由溢流管控制水位高度,以加到刚好溢出为准,保证每次测定的状态一致。
3.4 搅拌棒的位置
每次插入酸液的搅拌棒长度应当一致,中心对准,保持在中轴中线的位置,尽量不要偏离中心。这样做的目的:一是避免搅拌棒碰壁发生摩擦,产生热量,影响结果;二是避免温度计碰到搅拌棒;三是保证每次试验都在相同状态下搅拌,减少偏差。
3.5 贝克曼温度计的使用
封好蜡的贝克曼温度计不能立即使用,应提前24 h放入室温为20±1℃的试验室。在试验过程中,要保证贝克曼温度计的水银柱部分完全浸入酸液面以下,这是因为贝克曼温度计的水银柱相对较长,稍不注意,经常出现仅有1/3或者1/2的水银柱浸入酸液面以下。这种情况的温度读数就不准确,导致试验无效。根据笔者的经验,用氧化锌粉标定热容量时,当发现每分钟温度值上升很大,或者是θb～θa的测读值比较大,就要检查是不是由于贝克曼温度计的水银柱没有完全浸入液面以下所引起的。所以,当贝克曼温度计插入液面的长度和角度调整好后,千万不要随意去改变,以免结果出现错误或碰到搅拌棒,损坏温度计。
3.6 硝酸温度的调节
GB/T 12959—2008规定硝酸溶液的温度为13.5±0.5℃,笔者认为,比较合适的硝酸温度最好在13.0～13.2℃范围内,这样,加入试样时,温度计的读数范围大概在0.500～1.000℃之间。特别是做未水化的水泥样品试验时,硝酸的温度宜低不宜高,以免超出贝克曼温度计的读数范围。
3.7 时间的控制
溶解热法测定水化热的试验,在操作上最讲究的是快速、仔细。
(1)从样品捣碎全部过筛到放入称量瓶,整个操作过程的时间不得大于10min。时间越久,称样速度越慢,试样蒸发的水分就越大,结果偏差也就越大。
(2)试样必须在2 min内通过加料漏斗被徐徐加入酸液中。
3.8 样品称量
样品应充分混合均匀,加入硝酸中的试样和灼烧的试样必须同质等量,因为溶解热的计算是以灼烧的质量为基准的。
GB/T 12959—2008标准还规定了灼烧后的试样要快速称量。笔者在实践过程中发现,对一些烧失量比较大的水泥,迟称和早称的质量相差非常大,有时候甚至会达到0.01位的误差,代入一系列公式计算后,最终的结果误差很大。
3.9 样品的存放
GB/T 12959—2008标准对水化样品的存放提出了要求,要求水化样品必须存放在湿度大于50%的密闭容器中,而且称好的样品必须在20 min内进行试验。密闭容器一般为干燥器,对此,应在底部补充一些水,保持湿度在50%以上。这样存放的样品,进行平行试验时,往往后面测定样品的水化热结果会比先测定的结果值要高一点,有时候甚至会出现5～10 J/g的偏差。在实践中,笔者发现,如果用稍稍拧干的湿毛巾包裹住称量瓶,再放进湿度大于50%的密闭容器,这样,结果偏差就非常小,基本小于5 J/g。
4 结语
在整个水泥水化热操作的过程中,影响试验结果准确性的因素较多,除以上所列出的原因外,还有其他的因素,在以后的试验中,将进一步归纳总结。总之,在溶解热法测定水泥水化热的试验过程中,必须重视每一个环节,每一个步骤,谨慎试验,以保证试验结果的准确性。
参考文献
[1]施惠生,黄小亚.硅酸盐水泥水化热的研究及其进展[J].水泥, 2009(12).
水化热控制 篇7
大体积混凝土由于施工面积大,水泥水化过程产生的大量水化热不容易散发,在其内部积聚,由此造成内部温度不断上升。而混凝土表面由于与空气接触散热较快,从而使内外截面产生温度梯度进而产生裂缝。这种裂缝一般较深,有时是贯穿性的,会对结构造成很大危害,因而在设计和施工过程中应对混凝土的水化热给予足够重视。
大体积混凝土浇筑过程中影响内部温度场的因素有很多,如施工条件、环境温度、浇筑温度、浇筑层厚度、温度控制措施等。虽然规范中有针对混凝土浇筑过程中内部最高温度的计算公式,但是由于其无法全面考虑外部影响因素,而且无法求得混凝土内外温差,因而在使用过程中受到局限。采用大型有限元软件AN-SYS计算施工过程中的温度场不仅可以较为准确地模拟施工过程中各种条件(包括浇筑过程模拟,环境温度、初始条件和边界条件的施加,水化生热模拟,温控措施等)产生的影响,而且可以充分考虑各个条件随时间的变化规律。软件应用的关键在于单元的选择、网格划分以及环境温度、水化热生热率、表面放热系数等时变参数的选取,这些参数直接影响计算的准确性。现行的相关研究多侧重于理论研究及计算结果的分析,对于整个建模及计算过程中参数的选取往往缺乏系统性介绍。本文结合云南糯扎渡水电站大坝水利工程垫层混凝土水化热温度场的计算,对应用ANSYS软件计算的整个过程进行系统性分析介绍,通过与实测结果比较,检验模型及参数的合理性;并根据温控要求,提出合理的温控措施,有效控制混凝土内部最高温度及内外温差。整个计算过程无需使用APDL语言,完全通过界面操作实现,简单便捷。
1 基本理论
1.1 瞬态热分析理论
混凝土内部温度场计算的实质是热传导方程在特定边界条件和初始条件下的求解,整个传热过程为瞬态传热。三维瞬态温度场的热传导方程为[1]:
式中λ为导热系数,单位为k J/(m·h·℃);c为比热,单位为k J/(kg·℃);t为时间,单位为h;ρ为密度,单位为kg/m3;θ为混凝土的绝热温升,单位为k J/kg。
求解方程过程中初始条件具体可分为以下两类:(1)t=0时,温度场是坐标的已知函数,用T(x,y,z,0)=T0(x y,z)表示;(2)t=0时,初始的温度分布是常数,用T(x,y,z0)=T0=const表示。
边界条件可分为三大类:第一类边界条件,物体边界上的温度函数已知:T=f(x,y,z,t);第二类边界条件,物体边界上的热流密度已知:,其中q为已知热流密度函数,n为表面外法线方向;第三类边界条件,与物体相接触的流体介质的温度和放热系数已知:,其中β为放热系数,Tf为流体介质温度。当表面放热系数β趋于无限大时,T=Tf,即转化为第一类边界条件;当表面放热系数β=0时,,又转化为绝热条件。在混凝土表面覆盖有保温材料时,β通常采用如下公式:
式中βs为混凝土在空气中的放热系数,单位为k J/(m2·h·℃);hi为各种保温材料的厚度,单位为m;λi为各种保温材料的导热系数,单位为k J/(m·h·℃)。
1.2 水泥水化热理论
混凝土水化过程中的热源为水泥水化热,它是影响混凝土温度场的关键因素。因而要计算确定混凝土内部的水化热温度场,首先应确定水泥水化放热规律。迄今为止,对于水泥水化放热规律经验公式的选取还没有统一标准。不同的公式对于计算量及计算结果的影响很大,对双曲线及指数式水化热公式进行研究,结果表明指数式公式的计算结果更接近于工程实测值。本研究采用简便的指数式经验公式进行有限元计算,公式如下[2]:
式中Q(t)为1 kg水泥累积水化热;t为龄期;Q0为每l kg水泥散热量,单位为k J/kg;m为水化热系数,即水泥品种与水化热速度有关的系数。Q0应根据现场施工混凝土配合比由试验确定,也可根据现场实测数据反推得到。
由公式(3),可得水化热放热率即单位重量水泥在单位时间产生的水化热为:
1.3 混凝土水化生热率
从上述三维瞬态热传导方程式(1)中可以看出,求解方程除需知道初始条件及边界条件外,还需求得混凝土的绝热温升。然而,在ANSYS中不能直接定义混凝土的绝热温升,需要做一定的数学转换。在ANSYS中,混凝土的绝热温升通过生热率HGEN来实现。简单的说,生热率就是单位时间内混凝土的生热量,即生热量对时间的导数,如式(5)所示:
式中,HGEN为混凝土水化生热率,单位为k J/(m3·h);Qh(t)为混凝土中产生的热量,单位为k J。
混凝土水化生热率HGEN、水泥水化热、混凝土绝热温升的关系可由以下公式推导求得。
首先,混凝土的绝热温升可由水泥水化热估算如下:
式中:θ(t)———混凝土龄期为t时的绝热温升,℃;
W———每m3混凝土胶凝材料用量,kg/m3;
F———单位体积混凝土混合材用量,kg/m3;
C———混凝土的比热,k J/(kg·℃);
ρ———混凝土的重力密度,kg/m3;
k———折减系数,对于粉煤灰取为0.25。
因而,混凝土中热量应为:
联立式(4)、(5)、(7),可得:
2 工程实例
2.1 工程概况
云南糯扎渡水电站大坝心墙区垫层作为心墙和基础的连接构建,结构抗裂性能要求很高,不允许出现裂缝。根据相关规程,心墙混凝土的浇筑温度不应大于19℃,混凝土允许最高温度不大于38℃[3]。混凝土工作量约为121070m3。浇筑分块以每块不大于20m×20m的原则,共分为351个块号,每块一次浇筑完成。表1为混凝土施工配合比。
2.2 模型建立
采用大型计算软件ANSYS,选取浇筑混凝土块20m×20 m的四分之一以及其下部适量土体(混凝土与土体之间有热交换,以减少计算误差)建模,混凝土模型厚度方向取3m进行计算。有限元模型采用三维热单元Solid70,该单元有8个结点,每个结点有一个自由度。该单元可以用于三维静态或瞬态的热分析,同时此单元也可以转换成结构单元进行应力计算。按照有限元理论,网格划分越细,计算精度越高。在本例计算中,热源是作为体荷载施加于结构上(详见后文叙述),因而网格的粗细对计算精度影响不大。为了减小计算规模,节约资源,采用自由网格划分的方法,混凝土模型长宽方向分别分为10个单元,每个单元1m,厚度方向分为6层,每层0.5m,如图1所示。
2.3 计算参数的技术处理
2.3.1 材料的热力学参数
计算中所用到的材料热力学参数为混凝土和地基基础土体的比热、导热系数和密度。普通混凝土的比热一般在0.84~1.05 k J/(kg·℃)之间;其导热系数值可由混凝土各组成成分的重量百分比按加权平均方法计算得出;此外,普通混凝土的密度大约在2300~2450 kg/m3,具体值可由混凝土配合比计算得出。地基土的热力学参数,可根据工程地基勘察报告获得。表2为本工程所用材料的热力学参数。
2.3.2 初始及边界条件的确定
(1)设定材料的初始温度作为温度场变化的基础。初始条件是在计算开始瞬间,混凝土和地基土体部分内部的温度分布规律,是重要的定解条件之一。计算中,混凝土的初始温度即为混凝土的浇筑温度。本工程中取为19℃。地基土体的初始温度,在考虑了地表温度和地下较深层的稳定温度后,取为24℃。
(2)由于两边和顶面与空气接触,此边界上存在与空气的热对流,属于热分析中的第三类边界条件,因此,将对流边界条件作为面荷载施加于实体的表面(具体输入参数为对流系数和环境温度)。由于缺乏施工现场逐日气温资料,计算时采用浇筑时段平均气温作为温度边界条件,取26℃(浇筑时段最高气温为32℃)。垫层的底面与地基相连,因而地基的初始温度可以作为第一类边界条件施加于结构模型上。
2.3.3 热源的施加
计算中,水泥的散热量Q0取为293.8k J/kg(数据引自材料产品质量监督检验报告)。计算参数m根据试验结果,取为0.4[4]。根据公式(4),可得水化热放热率为:
在ANSYS中,不能把计算出的水化热放热率直接施加在模型上,计算中的热源需要通过混凝土生热率HGEN来施加。工程中每m3混凝土中的水泥用量为222kg,粉煤灰74kg。在计算混凝土生热率时粉煤灰的折减系数取为0.25[5,6]。根据公式(8)可得
热源随着时间在不断变化,利用ANSYS提供的函数功能和表格施加荷载技术可以很方便的设定混凝土的热生成率(单位为单位体积的热生成率)。ANSYS中的函数功能包括函数编辑器和函数转化工具两个部分[7]。在函数编辑器中,可生成各种复杂的函数;函数转换工具先将函数转化为表格,然后按照指定的方式施加到实体模型上。施加热源过程中,首先利用函数编辑器,将公式(8)代入数据并设定为时间的函数表达式后保存,再用函数转化工具,将函数转化为相应的表格并命名保存,然后在模拟过程中,根据需要用表格参数矩阵施加载荷。ANSYS会自动根据当前的时间在表格中选择相应的载荷值。用表格参数矩阵施加载荷时,与施加普通载荷的命令及菜单路径是相同的,只是输入的载荷值不是具体的数值,而是表格参数矩阵的名称。在ANSYS中热源作为体荷载施加于结构模型上。
2.3.4 计算步长的确定
以天(d)作为计算单位,确定加载时间为30d。荷载子步长取为0.1d。
3 计算分析
利用有限元软件,进行浇筑层厚为3 m时混凝土的温升计算。在无任何温控措施的情况下,混凝土内部和外表面温升计算结果如图2所示。
实际施工浇筑过程中,现场诸多因素都会影响混凝土的温度场分布。从表3中的数据可以看出,采用此模型计算,计算值与实际监测结果最大相差为2.7℃,最小仅为0.3℃,这样的偏差完全在工程可以接受的范围之内,因而计算过程中的参数、边界条件、水泥水化放热公式、初始条件的选取都是合理可靠的,应用此模型对该项目进行混凝土内部温升的计算是可行的。
图3为混凝土浇筑3d时模拟计算得到的混凝土内部温度等值线图。
从图2中可以看出,在30d龄期范围内,混凝土中心一点的最高温度出现在第6d前后,达到47.37℃,大大高于温控要求的38℃;表面一点的最高温度出现时间稍晚,约在第8d前后,在40℃左右。内外温差相对较大,存在由于温度应力过大而产生裂缝的威胁,需要考虑采取温控措施降低混凝土中心的最高温度。
考虑在混凝土中心布设冷水管的方法降低混凝土内部最高温度,同时采取外部保温措施减小内外温差。根据以往工程经验,冷却水管采用Ф32、管壁厚度不大于2mm的PVC管。采用双层水管通水冷却的方式,间距取为1.0 m,通水温度与混凝土温差不超过20℃,取为26℃。
混凝土上表面覆盖保温材料后,外面与空气接触,仍可按照第三类边界条件计算,但需考虑保温材料的保温效应(由公式(2)计算得到,选取保温材料的放热系数为β=15 k J/(m2·h·℃)进行计算)。
计算时垫层混凝土模型的网格需重新划分。在网格划分的节点处施加温度荷载作为冷水管的降温效应,此方法最为简便。由于冷水管的管径比较小,为提高计算精度,冷水管附近的网格需要加密。
图4为采取温控措施后浇筑第3d混凝土内部温度等值线图(内设水管,外加保温层)。从图中看出,加入冷水管后,中心最高温度的出现区域向上移动,最高温度相比没有采取措施时(图3)明显降低。图5为采取温控措施后混凝土内部和外表面的温升曲线图。由图可看出,混凝土中心最高温度出现在第3d左右,温度接近40℃。表面最高温度在第3d出现,接近36℃。与未采取温控措施的计算结果相比,混凝土中心最高温度大幅降低,内外温差明显减小。中心最高温度虽略高于温控要求的38℃,但在工程误差允许范围内。因而认为水管降温的方法十分有效。
4 结论
(1)应用ANSYS软件操作计算混凝土水化热温度场简便清晰。采用指数式水泥水化热计算公式,通过合理的单元选择、网格划分以及环境温度、表面放热系数等时变参数的选取,大大简便了计算过程,与实测结果比较,达到了较为满意的计算精度,所建立的模型合理可靠。
(2)对浇筑层厚为3m的垫层混凝土进行模拟,计算混凝土30d龄期内的温升情况。由于层高偏厚,内部水化热较难消散,因而混凝土中心最高温度高出温控标准很多,且混凝土中心和外表面温差较大,存在产生裂缝的隐患。根据经验采取布设冷水管的方法降低混凝土内部最高温度,同时采取外部保温措施缩小内外温差,经过计算证明,此方法可行。
参考文献
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