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1、第19卷2期应用基础与工程科学学报Vo.l19,No.22011年4月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGApril2011文章编号:1005-0930(2011)02-0243-008中图分类号:TV315文献标识码:Ado:i10.3969/.jissn.1005-0930.2011.02.008混凝土绝热温升计算模型及其应用1,223许朴,朱岳明,贲能慧(1.上海市政工程设计研究总院城市院,上海200092;2.河海大学水工结构研究所,江苏南京210098;3.上海港湾工程质量检测有限公司,上海200032)摘要:混凝土绝热温升
2、计算模型是影响混凝土结构水化热温度场有限元仿真分析精度的关键因素.本文从水泥水化放热反应本质出发,考虑龄期、温度和温度历史影响,提出了一种基于水泥水化度的混凝土绝热温升计算模型.通过对混凝土绝热温升试验数据的拟合,确定模型特征参数及验证模型的准确性,并将模型应用于混凝土温度场有限元仿真分析中.算例结果表明,该模型不仅能够采用统一的函数来描述不同浇筑温度和温度历程下的绝热温升过程,且与混凝土绝热温升的试验实测数据较好吻合,同时也能较精确地预测工程现场条件下混凝土结构实际的温度变化,具有一定的应用价值.关键词:混凝土;水化度;绝热温升;等效时间;有限元方法[1]混凝土结构的早龄期非荷载
3、开裂是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一.早龄[2]期时胶凝材料(主要是指硅酸盐水泥)的水化热引起混凝土结构温度显著变化,受到内外约束作用而产生温度应力,可能引起混凝土结构开裂.因而,进行混凝土结构温度场有限元仿真计算,分析其早龄期抗开裂能力是十分重要的,而混凝土绝热温升模型是影响混凝土结构温度场有限元仿真分析精度的关键因素.因此,本文在前人研究成果的基础上,提出了基于水化度的混凝土绝热温升计算模型,以求更全面地描述混凝土中水泥的水化放热特性及其整个放热过程;以期能够利用少量试验数据确定模型参数,更好地预测工程实际条件下混凝土结构温度的真实变化过程.1国内外研究进展国外对混凝土水
4、化放热的研究主要基于水化放热率,且一般都考虑了温度对水化放[3]热的影响,下式为常用表示形式q(,T)=H(T)q(,Tref)(1)式中,q(,T)表示混凝土龄期和温度T时的水化放热率;q(,Tref)是混凝土在龄期和[4-5]参照温度Tref=20时的水化放热率;H(T)表示温度函数.随后,SchutterGDe提出基收稿日期:2009-04-18;修订日期:2009-06-22基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50579080;50779010;50539010)作者简介:许朴(1982),男,工学博士.E-mai:lxupaul915@126.co
5、m244应用基础与工程科学学报Vo.l19于水化度的混凝土水化放热率,表达式如下q(,T)=qmax,20f()g(T)(2)式中,q(,T)表示温度为T时的水化放热率;代表水化度;qmax,20表示混凝土温度为20时的最大放热率;g(T)是温度影响函数;f()代表水化度影响函数.此外,Yun[6][7][8]Lee、RuiFaria、GiovanniDiLuzio等在这方面也做了大量研究.而国内则主要基于水化放热量来研究混凝土水化放热模型,且一般采用绝热温升来表示水化放热量.目前,常见的描述绝热温升的表达式形式是双曲线式、指数式、复合指
6、数[9]式,但这些表达式没有考虑温度对水泥水化反应速率的影响,很难模拟工程实际中温[10]度场的真实变化.朱伯芳通过进行绝热温升的试验,提出了考虑温度对水泥水化反应速率影响的绝热温升表达式bc=0[1-exp(-aT)](4)式中,为绝热温升;0为最终绝热温升;T为混凝土温度;为混凝土龄期;a、b、c为待定[11]参数.张子明提出了等效时间的概念,建立了如下双曲线型绝热温升表达式eq(te)=0te/(M+te)(5)式中,eq(te)为基于等效时间的绝热温升;0为最高绝热温升;M为常数;te为等效时间,可根据Arrhennius函数获得,其表达式如下Ea11t
7、e=exp--dt(6)RTTr式中,Ea为反应的表现活化能;R为理想气体常数,8.314JmolK;T为绝热温度;Tr为参照温度,一般取20.2混凝土绝热温升计算模型本质上,混凝土浇筑后温度的升高过程是水泥水化反应的放热过程.因此,混凝土的绝热温升值及其温升速率反映了混凝土中水泥的水化程度和水化反应速率.换言之,可以通过混凝土水化反应程度(即水化度)来预测混凝土绝热温升规律.水化度(degreeofhydration)就是混凝土中胶凝材料在某一龄期的水化反
