高掺粉煤灰大坝混凝土绝热温升试验研究

(1.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310023；3.浙江传媒学院 新媒体学院，浙江 杭州 310018)

1985年，加拿大矿产与能源技术中心(CANCET)的Malhotra等对大掺量粉煤灰混凝土进行深入研究，通过高效减水剂将水胶比降到0.3左右，成功配制出粉煤灰掺量高达50%及以上的高掺量粉煤灰混凝土。20世纪80年代初，美国佛罗里达州建成一座跨海桥梁——阳光高架桥，在该桥建设过程中，对原来随意使用粉煤灰的规定进行了修订，规定大体积混凝土中粉煤灰的掺量为18%～50%。在日本，大体积混凝土中粉煤灰的掺量甚至高达70%。我国是粉煤灰工业原料的高产国，自20世纪50年代就开始研究在混凝土中掺用粉煤灰的技术，先后在黄河三门峡、刘家峡等水工工程中应用，取得了减少水化热、改善性能、节约水泥的良好效果。1987年起，我国大力倡导对粉煤灰进行综合利用并明确了相应的优惠政策，但粉煤灰掺量变大后会影响混凝土的早期强度，所以通常掺量在30%以下。近几年修建的向家坝、锦屏、大岗山等工程中，常态混凝土中也都广泛采用了掺量不超过40%的粉煤灰混凝土。2011年葛洲坝集团公司和浙江工业大学依托我国新建的某双曲高拱坝，研制掺量达到80%的高掺量粉煤灰混凝土[1]，研究结果表明，这是一种有发展前景的绿色高性能大坝混凝土[2-3]。

由大量的工程实践可知：水化热导致热裂缝产生，大体积混凝土早龄期开裂问题严重影响混凝土结构的质量[4]。为防止混凝土因水化热而开裂，美国混凝土协会(ACI)的“混凝土实践手册”(MCP)、英国标准规范(BS)、阿拉伯半岛混凝土结构设计指南等对混凝土早期最高温度和内外部最大温差作了规定[5-8]。绝热温升对混凝土温度场计算很重要，是大体积混凝土的一项重要性能[9]。大体积混凝土水化放热是一个长期的过程，进行混凝土绝热温升试验，建立绝热温升模型，可对反映大体积混凝土水化放热能力的绝热温升发展规律进行研究和预测，从而优化温控设计，降低大体积混凝土的开裂风险。20世纪80年代，日本Sumitomo水泥公司研发了以水和空气作为隔热介质的商业化供应的绝热温升试验仪[10]。意大利米兰ENEL spa公司研制了精密度更高的第二种商业化供应绝热温升仪，使用了铝制保温水套[11]。英国Coole研制出了一种比较小型但具有多种功能的量热计[12]。国内研究者[13]对原有的绝热温升仪器进行改进，可对试验箱的温度进行调控，提高了试验精度。绝热温升试验有恒温、绝热、半绝热三种试验模式[14]。由于恒温试验没有考虑水泥的反应活性在不同温度中的变化，其试验结果难以预测混凝土的温升。绝热和半绝热模式相对较好，它们是将新拌混凝土试样放入量热计中并测量试样温度。绝热模式试验在测试中保证环境温度等于混凝土试件温度。这就要求必须从外部引入额外的热量，试件温度损失控制在某一很小数值。半绝热模式试验仅依赖于试件周围某种形式的绝热，以减慢热损失速率，试件最大热损失控制在某一数值。笔者以粉煤灰掺量为80%的高掺粉煤灰混凝土和粉煤灰掺量为35%的基准混凝土为研究对象，进行两种模式的大坝混凝土绝热温升试验研究，并得到适用于大坝温度场仿真分析的两种大坝混凝土的绝热温升模型。

1 绝热温升试验

1.1 试验原材料

本试验所用材料为与某新建高拱坝实际施工原材料一致的材料：华新P.O-42.5普通硅酸盐水泥，荆门Ⅲ级粉煤灰，基准混凝土FAC35使用萘系减水剂，高掺量粉煤灰混凝土HVFAC80使用聚羧酸高效减水剂，引气剂均采用山东银凯NOF-AE型引气剂。细骨料为砂率34.5%的人工砂，粗骨料为最大粒径40 mm的人工碎石。

1.2 试验配合比

本试验中基准混凝土FAC35的配合比与实际工程一致，高掺混凝土的配合比采用等浆体体积法设计[15]，得到的混凝土配合比如表1所示。通过测试，得到两种混凝土的和易性如下：FAC35的坍落度为50 mm，HVFAC80的坍落度为120 mm。

表1 两种混凝土的配合比Table1 Mix proportions of the two kinds of concretes

1.3 绝热温升试验测试与结果分析

半绝热试验采用HR-3型混凝土热物理参数测定仪，绝热试验采用HR-2型混凝土热物理参数测定仪。HR-2型混凝土热物理参数测定仪的温度跟踪精度比HR-3型混凝土热物理参数测定仪高，可以达到0.01 ℃，HR-3型混凝土热物理参数测定仪的跟踪精度为0.05 ℃。每种模式的绝热温升试验各采用一个试件测试每种混凝土的绝热温升曲线，共4 个试件。试件尺寸与试验具体操作详见《水工混凝土试验规程》(DL/T5150—2001)[16]。

如图1所示，测试获得绝热与半绝热两种模式下的两种不同粉煤灰掺量(35%，80%)的混凝土绝热温升曲线。半绝热模式下，FAC35的温峰值比HVFAC80的温峰值高11.1 ℃；绝热模式下，FAC35的温峰值比HVFAC80的温峰值高10.6 ℃。即两种模式下，HVFAC80与FAC35的温峰差值相差不大。试验结果表明高掺量粉煤灰混凝土的水化热比基准混凝土低。原因是在掺入粉煤灰的混凝土中，粉煤灰取代波特兰水泥，从而降低混凝土的绝热温升。不同的绝热方式对高掺粉煤灰混凝土与基准粉煤灰混凝土的温峰差值影响不明显。绝热模式下，HVFAC80在23 d到达温峰,FAC35在8 d到达温峰，说明HVFAC80到达温峰的时间比FAC35长，这是由于高掺量粉煤灰混凝土水化放热速率较慢。半绝热模式下，FAC35在23 d到达温峰，HVFAC80在8 d时到达温峰，说明HVFAC80到达温峰的时间比FAC35短，与绝热模式下的测试结果趋势不同。这是由于HVFAC80混凝土，发热过程缓慢，除了最初几天发热较快，后面很慢，半绝热模式的绝热温升仪的传感器感觉不到发热，就不再跟踪测试，所以到达温峰的时候，混凝土实际上还在发热，测试不到真实的温峰到达时间。

图1 不同试验模式下两种混凝土的绝热温升曲线Fig.1 Adiabatic temperature rise curves of two kinds of concretes under different methods

图2为绝热与半绝热两种模式下FAC35和HVFAC80的绝热温升速率(℃/d)曲线对比图，由图2可见两种模式下基准混凝土的温度变化速率与温升速率峰值都大于高掺粉煤灰混凝土。FAC35比HVFAC80更早达到最大升温峰值速率。

2 大坝混凝土绝热温升模型

混凝土的绝热温升是影响混凝土温度应力的一个重要因素。采用绝热温升试验数据，得出适用于两种大坝混凝土温度场计算的绝热温升模型。目前国内外采用3 种表达式[17]为

1) 指数式

θ(τ)=θ0(1-e-mτ)

(1)

式中：θ(τ)为混凝土绝热温升；θ0为最终绝热温升；τ为混凝土龄期；m为常数。

2) 双曲线式

θ(τ)=θ0τ/(n+τ)

(2)

式中n为常数。

3) 双指数式

θ(τ)=θ0[1-exp(-ατb)]

(3)

式中：a，b为常数。

结合两种大坝混凝土的绝热温升试验数据，拟合分析3 种混凝土绝热温升模型，应用相关系数R和标准方差S进行评价，见表2。

表2 绝热温升模型对比分析Table 2 Comparison and analysis of the adiabatic temperature rise models

由表2可知：不论在半绝热模式还是绝热模式下，两种混凝土采用双指数式绝热温升模型表达式与试验结果拟合效果好，优于其他两种绝热温升模型表达式。

基于半绝热和绝热模式下两种大坝混凝土的绝热温升试验值，对3 种绝热温升模型进行拟合，将拟合曲线与实测曲线进行对比，结果如图3～6所示。由图3～6可见：指数式与试验数据符合较差，双指数绝热温升模型与实测数据吻合最好，温升峰值的拟合值与实际峰值几乎一致，而双曲线模型拟合的温升峰值与实际值相差大，且双曲线模型不便于数学运算，说明双指数绝热温升模型更适合用于大体积混凝土温度场仿真计算，可对大体积混凝土的温度历程进行更为准确的预测。

图3 半绝热模式下FAC35绝热温升曲线拟合Fig.3 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of FAC35 under semi-adiabatic mode

图4 半绝热模式下HVFAC80绝热温升曲线拟合Fig.4 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of HVFAC80 under semi-adiabatic mode

图5 绝热模式下FAC35绝热温升曲线拟合Fig.5 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of FAC35 under adiabatic mode

图6 绝热模式下HVFAC80绝热温升曲线拟合Fig.6 Fitting of the adiabatic temperature rise curve of HVFAC80 under adiabatic mode

两种试验模式都可确定混凝土的绝热温升，半绝热模式试验费用低，更易于操作，绝热模式试验得出的绝热温升曲线更精确。建议根据实验室模拟实际结构混凝土水化应达到的精确度选择绝热温升试验模式。对于预期有热损失且尺寸较小的结构，需要根据经验知识或预期温度损失估算预测温升。该情况下，可选择半绝热模式，试验结果更接近于结构实际的水化发展，误差更小。对预期温升接近于绝热状态的大体积混凝土结构进行热分析，或者需要评价水泥水化速率时，可选择绝热模式的绝热温升试验。所以对大坝混凝土结构的有限元分析中，应采用绝热模式下的双指数绝热温升模型进行运算。

3 结 论

通过绝热模式和半绝热模式下的基准混凝土与高掺粉煤灰大坝混凝土的试验研究可得：两种模式下两种混凝土的绝热温升温峰差大致相同、绝热温升曲线变化规律一致，但到达温峰的时间规律两种模式试验所得结果不同。粉煤灰的掺入可降低混凝土的绝热温升与早期放热速率，且随着粉煤灰掺量的增加，降低幅度越明显。高掺量粉煤灰能够降低大坝混凝土的开裂风险。基于两种大坝混凝土的不同绝热模式下的绝热温升试验数据，采用三种绝热温升模型表达式进行拟合和对比，提出大坝混凝土的绝热温升模型。建议绝热模式下的双指数绝热温升模型适用于大坝混凝土温度场有限元仿真分析。