高性能混凝土在新疆地區(qū)的溫度控制分析

范驍宇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830001)

伴隨著西北大開發(fā)和一帶一路的進(jìn)行，新疆地區(qū)各種大型工程建設(shè)正在如火如荼的進(jìn)行中。新疆地區(qū)由于其特殊的地理環(huán)境，晝夜溫差大，四季最高和最低溫差大的特點(diǎn)，對(duì)于新疆地區(qū)的工程建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前，混凝土是全世界使用的最多的建筑材料，根據(jù)建筑工程所處的環(huán)境不同，使用的混凝土的等級(jí)也有所不同。隨著混凝土技術(shù)的高速發(fā)展，高性能混凝土越來越成為惡劣環(huán)境下建筑材料的首先選擇。然而由于混凝土其獨(dú)特的特性，在結(jié)構(gòu)承受高溫時(shí)，高性能混凝土?xí)霈F(xiàn)破裂等破壞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)、倒塌等工程災(zāi)害[1]。目前國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始對(duì)高性能混凝土高溫下的特性進(jìn)行研究，并取得了一定的成果。張橋[1]通過試驗(yàn)和模擬的手段對(duì)高溫作用前后，高性能混凝土的力學(xué)特性、溫度場(chǎng)等進(jìn)行了研究。YF Houst[2]等學(xué)者對(duì)混凝土板在高溫下的混凝土的收縮性能進(jìn)行了研究，通過物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)混凝土的收縮率進(jìn)行了一定的研究。曲平[3]對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境下，混凝土施工的溫度控制進(jìn)行了研究。過鎮(zhèn)海和吳波[4- 5]等學(xué)者對(duì)混凝土板結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土的抗火性和進(jìn)行了試驗(yàn)研究。王宗海和辛帥[6- 7]研究了冬季水利施工混凝土的掩護(hù)方法對(duì)其性能的影響。

本文基于ABAQUS對(duì)新疆地區(qū)高性能混凝土進(jìn)行模擬，揭示其升溫機(jī)制。通過物理試驗(yàn)研究高溫對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響，為預(yù)防高溫情況下混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理提供一定幫助。

1 高性能混凝土熱應(yīng)力數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件模擬高溫下混凝土內(nèi)部熱應(yīng)力的傳遞情況，模型尺寸為50cm×50cm×12cm，劃分為20×20×6個(gè)網(wǎng)格，模型如圖1所示?；炷临|(zhì)量密度設(shè)置為2400kg/m3，初始溫度取14℃，對(duì)流換熱系數(shù)為1500W/(m2·℃)，綜合輻射系數(shù)為0.5W/(m2·℃)，對(duì)流換熱系數(shù)值540W/(m2·℃)，將絕熱面的絕對(duì)零度設(shè)置為-273℃，斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)設(shè)置為3.402E- 6。

圖1 數(shù)值模型

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

通過ABAQUS軟件模擬得出的計(jì)算結(jié)果如圖2所示，分別為0、60、120、140min時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖。

圖2 不同時(shí)刻溫度場(chǎng)結(jié)果

如圖2所示，隨著時(shí)間的增大，混凝土所承受的溫度不斷增大，在混凝土的厚度方向呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度現(xiàn)象，這是由于混凝土板單向受熱的原因，受熱面溫度升高較快，而非受熱面主要依靠熱傳導(dǎo)傳遞溫度，因此非受熱面溫度升高較慢。通過分析圖2溫度場(chǎng)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受熱面中心溫度高于四角溫度，隨時(shí)間由混凝土板中心向四周逐漸擴(kuò)散，這是由于混凝土板非受熱面與空氣熱交換造成的。由溫度場(chǎng)云紋圖所示，0min時(shí)溫度為0°，60min溫度為460℃左右，120min時(shí)溫度為720℃左右，140min時(shí)溫度為790℃左右。

圖3 隨時(shí)間變化混凝土板內(nèi)各點(diǎn)溫度模擬值

混凝土板內(nèi)距離受熱面距離分別為20m、50mm和70mm隨時(shí)間變化溫度值如圖3所示，由圖3可知，距離受熱面不同距離處的溫度曲線斜率不同，距離受熱面越近溫度升高速度越快。并且在30min后，距離受熱面20mm處溫度急劇升高。不同受熱面溫度與熱應(yīng)變、熱應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同受熱面溫度與熱應(yīng)變、熱應(yīng)變的關(guān)系曲線圖

由圖4(a)、(b)可知，熱應(yīng)變和熱應(yīng)力隨溫度的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。由圖4(a)所示，在100℃下混凝土板所受的為壓應(yīng)變，這是由于離受熱面越近溫度上升速率越大，此時(shí)混凝土受熱膨脹速率越大，而遠(yuǎn)離受熱面溫度上升速率越慢，因此混凝土的膨脹速率越慢，因此對(duì)距離受熱面更近的混凝土具有阻礙作用，因此此時(shí)承受壓應(yīng)變。

2 混凝土實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)混凝土采用C50商品混凝土，采用試驗(yàn)電阻爐將試塊升溫到不同的溫度，并進(jìn)行自然冷卻至室溫。澆筑150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試件，水泥∶水∶砂∶石=1∶0.5∶1.9∶3，試件養(yǎng)護(hù)28d。圖5為不同受熱溫度，混凝土試件強(qiáng)度曲線。

如圖5所示，隨著受熱溫度的升高，試件的抗壓強(qiáng)度不斷降低，如此說明，熱損傷對(duì)混凝土試件的強(qiáng)度影響較大。如5圖所示400°以下熱損傷對(duì)試件的影響較小，而400°以后熱損傷對(duì)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度影響較大。

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

3 結(jié)語

(1)隨時(shí)間的增大混凝土板的溫度不斷升高，在混凝土板側(cè)面呈現(xiàn)明顯的溫度梯度，且受熱面中心溫度高于四周溫度，溫度由中心向四周逐漸擴(kuò)散。

(2)混凝土板不同位置處熱應(yīng)變和熱應(yīng)力均是隨溫度升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。早期的熱應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，表明此時(shí)為壓應(yīng)變，熱應(yīng)力為負(fù)值，表明此時(shí)為壓應(yīng)力。

(3)混凝土試件隨著受熱溫度的升高，試件的抗壓強(qiáng)度不斷降低，如此說明，熱損傷對(duì)混凝土試件的強(qiáng)度影響較大。如圖5所示400°以下熱損傷對(duì)試件的影響較小，而400°以后熱損傷對(duì)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度影響較大。