水化热抑制剂对早龄期薄壁大...积混凝土结构温度应力的影响_袁旭琦.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.011收稿日期：2022-08-17作者简介：袁旭琦（1988-），男，山西运城人，工程师，硕士，主要从事水利规划设计和咨询，E-mail：yuan_。水化热抑制剂对早龄期薄壁大体积混凝土结构温度应力的影响袁旭琦1，孙菲菲2，卢士亮1（1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210029；2.南京水科院勘测设计有限公司，江苏 南京 210024）摘要：大体积薄壁混凝土结构厚度较薄，由水化热造成的非均匀温度场，在结构受到约束时，将会产生较大的温度应力，从而导致温度裂缝的出现。混凝土水化热抑制剂能够抑制水化反应并减缓水化放热速率，可以起到温度控制的作用。但由于缺乏理论或者数值模拟的分析，其在工程中的应用受到了限制。通过拟合试验数据获得不同水化热抑制剂掺量的混凝土的热力学参数，并以隧洞衬砌为例，采用数值模拟方法，研究水化热抑制剂对于大体积薄壁混凝土温度场和应力场的影响。研究表明，水化热抑制剂的掺量达到胶凝材料含量的0.6%时，能够明显降低温度峰值，降低幅度为15.4%，而掺量较低时无法显著降低温度峰值。同时，在混凝土中添加水化热抑制剂后需要加强养护，防止出现严重的干燥收缩而产生巨大的拉应力。在养护较好时，随着抑制剂含量的增加，薄壁混凝土的应力峰值将会降低，掺量达到0.6%时，拉应力峰值将降低46.2%。关键词：水化热抑制剂；薄壁大体积混凝土；温度应力；数值模拟中图分类号：TV315文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0049-07第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，2022混凝土是水泥、骨料、水、掺合料等组成的非均质复合材料。其在浇筑后，水泥与水将发生水化反应，产生大量热量，引起混凝土内部温度的升高。对于大体积混凝土来说，水化热是一个需要重视的问题。通常情况下这些热量会通过混凝土的仓面和侧面散失在空气中，或流向温度较低的地基或下层混凝土，从而形成一个复杂的非稳定温度场。在非稳定温度场中，混凝土结构同一部位不同时刻的温度分布是不相同的，这将会导致结构各部位产生温度变形。同时，由于结构不同部位同一时刻的温度分布也是不相同的，这将导致各部位产生不一致的变形。当温度变形受到约束时，不论是自身约束或是外部约束，混凝土结构的各个部位将会产生温度应力1-2。随着混凝土龄期的增长，温度应力不断增大，当应力值超出材料抗拉强度时将导致结构开裂3。对于薄壁大体积混凝土，例如隧洞衬砌、渡槽等，由于采用的混凝土绝热温升高，混凝土表面散热条件优越，因此结构在早龄期将会形成较高的温度峰值和较大的温度梯度，严重危害结构安全。为保证结构安全，避免温度裂缝的产生，需要采取合理有效的温度控制措施4。这些措施通常包括：采用低热水泥或者采用粉煤灰代替高热水泥，降低混凝土绝热温升5；采用骨料预冷、加冰拌和等方式来降低混凝土的浇筑温度6；合理布置冷却水管，对混凝土进行通水冷却7。然而在实际中，部分小型工程项目常采用商品混凝土，配合比不便于调整，混凝土绝热温升难以降低。另外，长距离的运输也难以保证混凝土较低的入仓温度。对于隧洞衬砌、渡槽等薄壁混凝土结构，由于结构厚度较薄，铺设冷却水管并不方便。因此，为解决温度峰值较高，温度应力过大产生裂缝的问题，需要采用其他有效且经济的温度控制措施。混凝土外加剂作为一种改善混凝土热力效应的有效手段，在工程中得到广泛应用。常用的混凝土外加剂包括减水剂、缓凝剂和早强剂等，其中减水剂能减少混凝土中水的用量，减少水化反应的放49热量，降低混凝土的绝热温升终值8。水化热抑制剂作为一种新型的混凝土外加剂，能够解决部分大体积混凝土早龄期温度应力过大的问题，近年来在工程中得到了部分应用9-10。常见的水化热抑制剂是由玉米淀粉酸水解制成。水化热抑制剂的加入对C-S-H（水化硅酸钙）的成核有显著的影响，能够减缓成核速率，使混凝土的初始水化反应放热速率降低11-12。而且，C-S-H一旦形成，将会非常稳定，不受水化热抑制剂的影响，因此混凝土的绝热温升终值以及混凝土的最终强度无较大变化13。水化热抑制剂这种抑制水化反应，减缓散热速率的特性，可能会推迟大体积混凝土结构温度峰值到来的时间，同时降低结构的温度峰值。但是，由于水化热抑制剂在工程中的应用缺乏理论可靠的分析，因此仅在少量工程中被使用14-15。通过拟合试验数据，可以获得添加抑制剂之后的混凝土的热力学参数。采用数值模拟方法，以常见的隧洞衬砌为例，研究水化热抑制剂对薄壁大体积混凝土结构温度应力的影响，分析不同抑制剂掺量对结构温度场和应力场的影响，同时指出了水化热抑制剂使用时的注意点。1算法理论通过数值模拟计算大体积混凝土温度场和应力场分布，以代替较难实施的大体积混凝土试验。首先计算出混凝土内部的不稳定温度场分布，然后考虑徐变、自生体积变形等求解应力场分布。1.1不稳定温度场计算对于计算域R内的任意一点，不稳定温度场T(x,y,z,)必须满足热传导方程：2T+c-T=0（1）式中：T为混凝土温度()；为导热系数kg/(md)；c为材料的比热容kJ/(kg)；为材料密度(kg/m3)；为混凝土材料的绝热温升()；为混凝土龄期(d)。在边界上满足第三类边界条件C：Tn+()T-Ta=0（2）式中：为材料表面散热系数kJ/(m2h)；Ta为环境温度()；n为边界的法向。通过变分原理，得到温度场的变分方程为：I(T)=R122T-c(-T)T dxdydz+C|12T2-TaTds（3）采用八节点六面体单元将计算域离散。利用经典的伽辽金法，采用高斯积分计算离散域的积分，得到：|H+1n RTn+1-1n R Tn+Fn+1=0Hij=R()BiT()Bjdxdydz+SNiNjdsRij=RcNiNjdxdydzFi=R|cn+TaNidxdydzBi=Ni,x,Ni,y,Ni,zT（4）式中：H为热传导矩阵；Ni为形函数矩阵；R为热传导补充矩阵；Tn和Tn+1为节点n和n+1时刻的温度；Fn+1为节点的温度荷载矩阵；n为计算的时间步。依据式（4），Tn+1可以通过Tn得到。H和R是计算中的不变量，Fn+1是计算中的已知量。1.2应力场求解早龄期混凝土处于复杂应力状态，其在某一荷载步n内的应变增量n包括弹性en、徐变cn、温度Tn和自生体积变形或干燥收缩sn增量。n=en+cn+Tn+sn（5）弹性应变增量的表达式为：|en=DnD=1E(n)Q(n=n-1+n2)E()=E0(1-e-ab)（6）式中：D为弹性矩阵；E0为弹性模量的终值(Pa)；Q为应力应变关系矩阵。由于早龄期混凝土在不断进行水化反应，因此力学性质在不断发生变化，其弹性模量也在不断增长。依据朱伯芳等3的研究，混凝土弹性模量的增长，可采用双指数函数的形式进行描述。徐变应变增量cn可以采用下式计算：|cn=n+C(tn,n)QnC(tn,n)=ss()1-e-rs(t-)n=s(1-e-rsn)snsn=s,n-1e-rsn-1+Qn-1s(n-1)e-0.5rsn-1（7）2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷50式中：s和rs均为徐变函数C(tn,n)的系数，可依据工程试验结果进行确定。根据朱伯芳等3的研究，模拟时混凝土的徐变函数可取为：C(t,)=0.231.45E(28)(1+9.20-0.45)1-e-0.30(t-)+0.521.45E(28)(1+1.70-0.45)1-e-0.0050(t-)（8）式中：E(28)为混凝土28天的弹性模量。温度应变增量由非稳定温度场的计算结果推求得到，其表达式为：Tn=Tn,Tn,Tn,0,0,0（9）式中：为材料的线性膨胀系数(10-6/)；Tn为n时间段内的温升（）。自生体积变形或干燥收缩变形sn增量通过式（10）进行计算。sn=sn-sn-1（10）应力场的计算区域和网格剖分与温度场相同，依据虚功原理建立整体平衡方程：|Kn=PLn+PTn+PCn+PSn K=eRBTDBdxdydzPn=eRBTDndxdydz（11）式中：K为整体刚度矩阵；n为在n时间段内的节点位移增量；PLn为n时间段内外部荷载引起的等效节点力增量；PCn为n时间段内徐变引起的等效节点力增量；PTn为在n时间段内温度变化引起的等效节点力增量；PSn为在n时间段内自生体积变形引起的等效节点力增量；B是位移与应变的关系矩阵。得到节点的位移增量后，节点的应力增量由式（12）进行计算：i=D(Bn-Ci-Ti)（12）累加每一步的增量结果，得到任意时刻的位移（n）和应力（n）。n=i=1nin=i=1ni（13）2计算模型与参数2.1计算模型以隧洞衬砌为例，分析添加水化热抑制剂后对混凝土结构温度场和应力场的影响。图1为隧洞衬砌断面示意图。隧洞衬砌的长度为16.0 m，洞径为2.0 m，厚度为0.8 m。断面内部距离内边缘d1 m处设置检测节点，以研究关键点的温度和应力变化。2.2计算参数模拟采用的数据均来自陈炜一等13的试验研究。其试验中水化热抑制剂的掺量分别为胶凝材料质量的 0.0%(T0)、0.2%(T2)、0.4%(T4)和 0.6%(T6)。通过改变掺量，观察混凝土的绝热温升和弹性模量。通过对试验数据进行拟合，得到了模拟所需的绝热温升曲线和弹性模量随龄期的增长曲线。图2为绝热温升曲线，在抑制剂不同掺量下，最大温升速率出现时间分别为 5 h、16 h、18 h 和22 h。采用双指数函数拟合试验结果，拟合的R平方值均达到了0.99，拟合效果极好。式（14）为T0、T2、T4和T6绝热温升的拟合函数。图1隧洞衬砌断面R2.0 md1 mP10.8m图2添加不同掺量水化热抑制剂的绝热温升454035302520151050温度/012345678龄期/dT0 0.0%T2 0.2%T4 0.4%T6 0.6%第10期袁旭琦，等：水化热抑制剂对早龄期薄壁大体积混凝土结构温度应力的影响第58卷51T0:()=38.27(1-e-1.150.99)T2:()=24.85(1-e-0.541.72)+11.68(1-e-5.004.67)T4:()=23.62(1-e-0.401.85)+14.23(1-e-3.305.00)T6:()=27.18(1-e-0.301.71)+9.40(1-e-1.225.00)（14）依据陈炜一等13测得的混凝土相应龄期内的弹性模量数值，采用双指数函数拟合得到弹性模量随龄期的变化。T0:E()=37.40(1-e-1.070.33)T2:E()=38.28(1-e-0.890.31)T4:E()=39.44(1-e-0.960.24)T6:E()=36.58(1-e-0.760.42)（15）依据试验测量得到的混凝土干燥收缩曲线，采用双指数函数拟合得到混凝土干燥收缩变形随龄期的变化，如式（16）。从式（16）可知，随着水化热抑制剂的添加，混凝土干燥收缩量将会增大，这显然是不利于结构安全的，需要更好的养护或者添加膨胀剂来抵消这种不利影响。T0:s()=251.5(1-e-0.101.30)T2:s()=376.8(1-e-0.100.90)T4:s()=400.0(1-e-0.190.73)T6:s()=460.0(1-e-0.170.76)（16）根据试验采用的混凝土配合比和相关文献3，推算出其他热力学参数，如表1所列。假定隧洞周围为岩石基础，此时围岩将会对结构产生较大的约束作用，导致较大的温度应力，易产生裂缝。参照马腾等16的研究选用围岩热力学参数，如表2所列。3数值模拟主要考虑两个因素，分别是不同掺量水化热抑制剂对于隧洞衬砌的影响，以及添加膨胀剂或加强养护措施排除混凝土干燥收缩的影响。3.1不同抑制剂掺量情况隧洞衬砌的有限元模型如图3所示，计算总单元数为112 000，总节点数为121 680。为排除干扰因素，便