C80混凝土柱流變性能及水化熱模擬研究

曹 霖

上海建工建材科技集團股份有限公司 上海 200086

近年來，隨著工程建設的發展，現代工程形成了大跨度、超高層、重載荷及能適應嚴酷環境的建筑模式，這就對混凝土結構的綜合力學性能和耐久性提出了更高的要求，也為高強混凝土提供了發展契機。C80高性能混凝土在確保建筑工程施工質量的同時，能大幅度提升施工效率，此外，還能大幅度增加建筑工程的有效空間并降低工程成本。目前，國內也多有C80～C100混凝土的研究報道和零星的工程應用[1-5]，但針對C80高性能混凝土泵送性能和C80大體積混凝土溫升的研究較少。

1 工程概況

徐家匯中心虹橋路地塊項目位于上海市徐匯區核心地帶，作為大型城市高端綜合體，項目建成后將成為新的城市地標。工程建筑總面積為772 643 m2，包括T1、T2塔樓、酒店與裙房。T1塔樓總高370 m，采用“勁性鋼骨混凝土框架柱＋鋼框架梁＋混凝土核心筒＋腰桁架”的結構形式；T2塔樓總高220 m，采用“勁性鋼骨混凝土框架柱＋鋼筋混凝土梁＋混凝土核心筒”的結構形式。根據設計要求，構造柱采用C80泵送混凝土澆筑。

2 試驗原材料及測試方法

2.1 原材料

水泥采用海螺PII 52.5硅酸鹽水泥，粉煤灰選用優質Ⅱ級C類灰，礦粉為S95級礦粉，硅灰為埃肯公司生產的硅灰，其SiO2含量為90%。外加劑選用復合麥斯特聚羧酸高性能減水劑（ACE8308）。石子選用符合JGJ 52—2006相關要求的粒徑5～20 mm精品整形石。黃砂選用符合JGJ 52—2006相關要求的級配良好、細度模數為2.7～3.0的天然中砂，含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.5%。

本研究采用的配合比如表1所示。其中S2配合比在S1配合比的基礎上調整了硅灰摻量、粗細骨料的比例和外加劑摻量，以求獲得良好的工作性能。

表1 C80混凝土配合比設計

2.2 測試方法

2.2.1 工作性能與力學性能測試

混凝土的工作性能參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試，主要測定擴展度、倒錐時間和T500三項指標。混凝土的力學性能參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

2.2.2 流變性能測試

混凝土流變性能采用丹麥ICAR混凝土流變儀進行測試。試驗中采集到的扭矩T和轉速N數據需要分別轉換成剪切應力τ與剪切速度γ，繪制流變曲線，然后通過數據擬合建立經驗流變模型，從而自動計算賓漢姆流變參數，即屈服應力和塑性黏度。

2.2.3 混凝土測溫與水化熱模擬

混凝土測溫系統采用“混凝土溫度遠程測控儀”，該系統采用全數字式方式對大體積混凝土水化熱過程中的溫度變化狀況進行監測，及時掌握混凝土的溫差波動情況。混凝土溫度測點布置如圖1所示。

圖1 混凝土測溫點布置

目前，大體積混凝土熱工計算一般是按照GB 50496—2018《大體積混凝土施工規范》中一維差分法進行，但本工程澆筑的大體積C80混凝土柱最大尺寸為2.3 m×2.3 m× 5.0 m，有2個維度長度僅2.3 m，均無法近似看作絕熱狀態。本文采用workbench有限元軟件進行混凝土水化熱模擬。考慮混凝土水化溫度對水化速度的影響，對混凝土水化放熱曲線進行修正。根據其結構對稱性，取其1/8部分進行仿真模擬研究，其三維模型與網格劃分如圖2所示。

圖2 1/8混凝土柱建模與網格劃分（混凝土柱底部為厚1 m的混凝土層）

3 試驗結果與討論

3.1 C80混凝土配合比優化設計

從C80混凝土工作性（表2）來看，配合比S1所配制的C80混凝土黏度較高、包裹性較差，表面石子裸露，有輕微的離析現象，其工作性能也不能滿足工程要求。S1在經過3 h的靜置后，混凝土坍落度損失嚴重，故未對擴展度和倒錐時間進行測試。考慮后期的高泵送要求，應適當降低外加劑摻量；此外，在保證混凝土強度的前提下，適當減少硅灰的用量可以降低混凝土的黏度，有利于保證混凝土的流動性指標。

表2 C80混凝土工作性能和抗壓強度

在此基礎上，配合比S2通過砂率的提高、外加劑摻量的降低和硅灰摻量的降低，使混凝土的包裹性更好，從擴展度和倒錐時間數據來看，C80混凝土的黏度得到了有效的改善。

3.2 混凝土流變性能測試

針對配合比S2，為研究C80混凝土的可泵性，本文對比研究了靜置與攪拌車拌和狀態下C80混凝土的經時工作性能和流變性能，結果如表3所示。

表3 靜置與攪拌車拌和狀態下C80混凝土的經時工作性能和流變性能

從擴展度的數值變化來看，經過2 h和3 h之后，攪拌車攪拌狀態下的C80混凝土工作性損失并不明顯。而靜置狀態下的C80混凝土經過3 h之后，工作性損失較為明顯。從倒錐時間和T500時間來看，2 h后的流動性反而比初始狀態更佳，這主要與外加劑的緩釋作用有關，可以有效地減輕混凝土的經時損失。

對于屈服應力和塑性黏度2個流變參數而言，2 h攪拌車拌和后的混凝土仍保持初始的流變性質，而經過2 h靜置或3 h拌和后，塑性黏度開始增大，說明流動性開始變差。針對攪拌車攪拌下的C80混凝土，其3 h塑性黏度為66.3 Pa·s，結合C80混凝土柱現場泵送施工（如圖3所示，現場實測泵送壓力為28 MPa），可見本試驗設計的配合比S2能夠滿足高強混凝土的泵送施工需求。

圖3 C80混凝土柱泵送施工

3.3 C80大體積混凝土柱水化熱模擬與測溫

3.3.1 膠凝材料放熱曲線的建立

膠凝材料的放熱曲線是進行混凝土水化熱分析的前提條件，目前膠凝材料放熱擬合公式有很多種，本文選取雙曲線型進行擬合計算。對S2配合比所用膠凝材料進行水化熱測定，結果如表4所示。

表4 水化熱測試結果

通過雙曲線擬合得到膠凝材料的放熱曲線，并對時間t求導，可得膠凝材料的生熱率為：

水泥水化溫度能顯著影響水泥水化速度。由于水化熱的作用，澆筑前期大體積混凝土溫度會迅速升高，促進水泥水化，從而加快混凝土水化放熱。因此，需要考慮大體積溫升對生熱率的影響。在化學反應過程中，溫度對反應速度的影響一般滿足Arrhenus方程：

式中：k——化學反應速度；

T——絕對溫度；

E——化學活化能；

R——氣體常數。

根據Arrhenus方程可知，當溫度分別為T1，T2，混凝土的水化速度分別為k1，k2時，則有以下公式：

同時，生熱率為時間相關函數，水化速度增大相當于時間加速：

由式（1）、式（3）、式（4）可得：

令T1為293 K，T2在實際柱中各處均不相同，混凝土外層有膠合板包裹，散熱較慢，選用20 ℃時放熱曲線的絕熱溫度作為混凝土水化溫度，即：

式中：W——每方混凝土膠凝材料用量；

C——混凝土比熱容；

ρ ——混凝土密度；

t ——時間。

3.3.2 混凝土水化熱模擬

采用workbench有限元軟件對混凝土進行模擬計算，混凝土內部最高溫度隨時間變化曲線如圖4所示。混凝土達到最高溫度時的溫度場如圖5所示。

圖4 混凝土內部最高溫度 隨時間變化曲線

圖5 混凝土達到最高溫度 時的溫度場

從圖4可以看出，混凝土內部溫度先升高后降低，最高溫度在34 h左右達到最大，最高溫度為89 ℃。

3.3.3 混凝土水化熱實測對比

通過對預埋測溫元件的監測，可以得到混凝土的升曲線，如圖6所示。

圖6 C80混凝土溫升監測

將各個位置垂直線上的最高溫度及最高溫度出現時間的模擬結果與實測結果進行對比，對比結果如表5所示。

表5 模擬結果與實測結果對比

從表5可以看出，該模擬可以較為準確地反映C80大體積混凝土柱內部溫度變化趨勢，為后續施工提供一定參考價值。

4 結語

1）通過降低硅灰摻量、調整砂率、降低外加劑摻量，能夠配制出工作性能與力學性能良好的C80高性能混凝土。

2）攪拌狀態下的C80混凝土3 h擴展度與倒錐時間經時損失較小，塑性黏度為66.3 Pa·s，能夠順利進行泵送施工，為長距離的高強混凝土泵送澆筑提供了一定的參考價值。

3）基于workbench有限元軟件對C80大體積混凝土溫升模擬與現場溫度監測進行對比，證明本試驗所提出的計算方法能夠準確地模擬出大體積混凝土內部溫度的發展。