混凝土绝热温升新理论及在龙滩工程中的应用

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1、混凝土他藝瀛升新理衿及在龙诫工程屮的疝用摘要对不同养护温度条件下的混凝土绝热温升进行了研究，采用化学反应速率描述温度对混凝土绝热温升的影响，探讨了化学反应速率与养护温度Z间的关系。根据混凝土不同养护温度(4.4°C、23.3°C和40.0°C)吋绝热温升试验结果的分析，得出如下结论：(1)混凝土绝热温升可以用三参数双曲线函数描述；(2)化学反应速率是混凝土养护温度的非线性两数；(3)只有对混凝土样木化学反应速率的进一步研究，才能正确地汁算混凝土结构的温度场和应力场。本文还提出了考虑混凝土化学反应速率的非线性热传导方程及其求解方法一在实际时间域和等效时间域求解。该理论己用于龙滩

2、碾压混凝土坝的温度应力与温度控制研究。关键词混凝土水化热绝热温升学反应速率等效时间数值方法龙滩热传导方程1引言高强度混凝土和人体积混凝土的广泛使用，以及混凝十•结构屮温度裂缝的产生，使匸程技术人员越来越关注早期混凝土热学和力学性质，以便能够进一步预测混凝土结构的温度场、应力场和温度裂缝。在确定混凝土结构早期温度场的计算中，混凝土绝热温升作为计算机程序数据的输入也3,4。本文对普通混凝土早期便化过程中的绝热温升进行了试验研究，采用化学反应速率描述温度对混凝土绝热温升曲线的影响，探讨了化学反速率与养护温度Z间的关系，提出了考虑化学反应速率的混凝土绝热温升和热传导方程及其解法。2等

3、效时间的定义水泥和水的化学反应是放热反应，每克普通水泥可以释放出150-350焦耳的热量4。一般來说，只要存在化学反应物(水泥和水)，化学反应的速率随着温度的升高而加快。在化学反应过程中，温度对化学反应速率的影响服从以下Arrhenius方程：d(】n灯二E⑴dT_RT2式中，k是化学反应速率，T是绝对温度，E是与化学活动能冇关的常数，R是气体常数(R=8.3144J/k-mole)。从方程⑴可以看出，在温度分别为T1和T2时,水化热化学反应速率Z比kl/k2可以表示为:当温度大于10°C时6,普通水泥的化学活动能E口J以近似取为63552J/mole(E/R=7640K)。

4、从方程(2)得出,当水化热温度分别10°C、20°C、3()°C、4()°C时，水泥水化热化学反应的速率比(k2/kl)分别为2.51、5.94、13.30、28.31o也就是说，温度对普通水泥水化热化学反应速率冇很大的影响。因此，早期混凝土的温度发展人大依赖于混凝土的温度丿力史。在1970年，Bazant教授根据Arrhenius方程提出了成熟函数7。该函数被用来计算相对丁•参考温度Tr的等效吋间te：上式被用來定量计算养护时间和温度对混凝土的彩响，该式的离散形式为:"工expQ式中Q定义为化学活动能•气体常数Z商(Q=E/R),T为在吋间间隔At内混凝土的平均温度。应用气

5、体常数R时，Tr和T需耍采用绝对温度。美国ASTM规范建议8,在缺乏试验资料的情况下，计算温度和吋间对1型混凝土(Type1)强度的影响吋，可以采用Q=5000K。在研究温度对混凝土强度的影响时，Tank和Carino釆川了如下表达式计算等效时间6：“YexppQ-T；）］&⑸式中T为养护温度，Ti•为参考温度，BT为温度敏感系数（°C-l）o该式提供了一个表示等效时间te的一个更简便的形式。3混凝土绝热温升的试验程序和数据分析试验程序混凝土混合料按照0.45水灰比配制。例如，粗骨料是取有效直径为18mm的石灰岩，细骨料为犬然河砂。适当选择代表混凝土的水泥砂浆中的水泥一砂比例

6、，使得砂浆和混凝土混合料具有相同的化学反应速率。根据试验，得到的砂浆最佳水泥一砂比与参考混凝土的水泥一粗骨料比相同。在绝热温升试验屮，采用三种不同的初始温度（4.4°C,23.3°C,40.0°C）o在砂浆拌合一小时内，试件被小心地放入水池内。为了调整控制介质的温度，使用了一台3000瓦的加热器，温度控制粘:度可以达到±0.05°C。试件的温度用热电偶监测。使用一台多通道数据记录器，每分钟测量一次温度并输出每天的平均温度。控制介质的温度自动调整到每一吋间步长结束吋试件中心的温度。假定混凝土在不同初始条件下的绝热温升可以用三参数双曲线方程描述。对于每一种初始温度，釆用I川归分析

7、确定双曲线方程的这三个参数，即最人绝热温升、化学反应速率、绝热温升开始时间。采用两种函数來拟合化学反应速率一Arrhenius函数和指数函数。最后,化学反应速率函数的计算结果进行了比较。不同初始温度时的绝热溫升不同初始温度和不同龄期混凝土绝热温升如表1和图1所示。假定不同初始温度情况下的绝热温升可以表示为：1+珞•（/-"））⑹式屮0—不同龄期混凝土的绝热温升（c）；久一混凝土最大绝热温升（°C）；kT—在初始温度T0吋的混凝土水化热化学反应速率（天・1）；l绝热温升过程小的实际养护吋间（天）；to—绝