混凝土絕熱溫升模型對膠結砂石料的適用性研究

左保靜，王文全，喻紅芬，曹善宇，甄 鋒，尚琦智，高 艷

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210024；2.南通市水利局，江蘇 南通 226000；3.江蘇淮陰水利建設有限公司，江蘇 淮安 223000)

近年來，隨著我國城市化速度的加快與規(guī)模的增大，土木工程建設對石料需求量增大，山區(qū)被不斷開采，產(chǎn)生了大量廢石材料，導致其生態(tài)遭到不同程度的破壞。為促進廢棄石料的處置，在其中加入少量的膠凝劑(小于140kg/m3)，形成一種膠結砂石料，用于大壩、道路等建設項目[1-7]，這樣可有效減少建筑垃圾，恢復生態(tài)。以往行業(yè)內工程人員認為膠結砂石料絕熱溫升比混凝土低，彈性模量小，徐變度與碾壓混凝土相當，溫度應力較小，因此，一般在低壩中不考慮溫度應力與溫控問題。隨著膠結砂石壩建設規(guī)模的不斷增大，壩高不斷增加，壩體澆筑塊加大，約束加強，快速施工時的水化熱逐漸累積，產(chǎn)生的溫度應力也頗為可觀，專門分析膠結砂石壩溫度場、應力場顯得意義重大，膠結砂石料作為大壩修筑材料，有必要從材料角度探索其絕熱溫升性能。該材料實質上可認為是一種超貧混凝土，探索已有的混凝土絕熱溫升模型能否適用它是最為簡單的。因此，文章重點分析了混凝土常用方程對膠結砂石料的影響，并在此基礎上，確定一種考慮膠凝摻量影響的膠結砂石料絕熱溫升模型。

1 混凝土常用絕熱溫升模型

絕熱溫升是結構溫度場仿真計算時重要的熱力學參數(shù)之一，混凝土常用的絕熱溫升模型[8-11]一般包括：

(1)指數(shù)式

(1)

式中，θ(t)—齡期t的絕熱溫升值，℃；θ0—最終的絕熱溫升值，℃；t—齡期，d；m—常數(shù)；t0—相對齡期，d。

(2)雙曲線式

(2)

式中，θ0—最終的絕熱溫升值，℃；n—常數(shù)，t—齡期，d；t0—相對齡期，d。

2 膠結砂石料絕熱溫升特性概述

針對膠結砂石料的絕熱溫升特性，郭磊、江敏敏等人[12-13]通過完成不同膠凝摻量、初始溫度、砂率及水膠比的膠結砂石料絕熱溫升特性的試驗研究(如圖1所示)，探索了上述因素對膠結砂石料熱力學性能的影響，同時給出了同一配合比的膠結砂石料具有相同的絕熱溫升曲線特征，即隨著齡期的增加，膠結砂石料水化反應逐漸增大，但主要集中在前5d，溫升較快，表明膠結砂石料水化速率較快，且呈逐步變緩的趨勢。

圖1 不同膠凝摻量的膠結砂石料絕熱溫升試驗結果

3 絕熱溫升模型對膠結砂石料的適用性分析

為了探索膠結砂石料的熱力學性能，以不同膠凝摻量的膠結砂石料為例，探究絕熱溫升模型對該材料的適用性。表1給出了雙曲線式以及指數(shù)表達式對圖1中的膠凝摻量從40kg/m3到140kg/m3的膠結砂石料絕熱溫升擬合結果[13]。從圖1中可以看出：指數(shù)式擬合結果誤差較大，與之相比，利用雙曲線式模型計算出的不同膠凝摻量的膠結砂石料絕熱溫升計算值與相應的試驗結果基本吻合。因此，膠結砂石壩在進行數(shù)值模擬時，筆者認為雙曲線型的絕熱溫升表達式更適合膠結砂石料。

表1 不同膠凝摻量的絕熱溫升表達式

為了更加深入理解雙曲線型的絕熱溫升表達式，以及不同膠凝摻量對該式的影響。圖2、圖3分別給出了雙曲型表達式參數(shù)θ0、n與膠凝摻量之間的關系。從圖2可看出，隨著膠凝摻量的增加，膠結砂石料的絕熱溫升終值增大，江敏敏等人[13]用線性關系式表示絕熱溫升終值與膠凝摻量的關系，然而當膠凝摻量為0時，其絕熱溫升終值不為0，這與實際情況存在較大差異。在考慮這一因素的影響下，筆者嘗試用常數(shù)項為0的二次函數(shù)表達式對該關系式進行擬合，即

圖2 絕熱溫升終值與膠凝摻量的關系

(3)

式中，a、b—擬合參數(shù)，分別取0.0006，0.1073；C0—參考摻量，此處取1kg/m3。

從圖3可看出，隨著膠凝摻量的增加，參數(shù)n呈線性增大，可直接由下式表示：

圖3 材料參數(shù)n與膠凝摻量的關系

(4)

式中，c、d—擬合參數(shù)，分別取0.0096和2.041。

綜上可知，考慮膠凝摻量影響的絕熱溫升模型可表示為

(5)

為了驗證上述公式的合理性，以膠凝摻量為80kg/m3的膠結砂石料試驗結果進行驗證。當膠凝摻量為80kg/m3時，上式可寫成

(6)

圖4給出了膠凝摻量為80kg/m3的膠結砂石料絕熱溫升試驗模擬結果，由此可看出，膠結砂石料絕熱溫升模型得出的計算值與試驗結果吻合度較好，表明式(6)適用于膠結砂石料絕熱溫升性能的模擬。

圖4 膠凝摻量80kg/m3的絕熱溫升實測值及擬合值

4 結論

文章在分析混凝土絕熱溫升模型對膠結砂石料適用性研究的基礎上，得到了以下主要結論：

(1)分別采用指數(shù)式與雙曲線式的絕熱溫升模型探究膠結砂石料的適用性，揭示了雙曲線式更適合反映該材料絕熱溫升特性。

(2)分別定量揭示了雙曲線式中絕熱溫升終值以及材料參數(shù)n與膠凝摻量的關系，建立了一種考慮膠凝摻量影響的新絕熱溫升模型。

(3)對膠凝摻量為80kg/m3的膠結砂石料試驗結果與新模型相應計算值進行對比，驗證了新模型的合理性。

上述研究成果有助于揭示膠結砂礫石料的絕熱溫升性能，可為今后的膠結砂石壩溫度應力計算提供必要的理論基礎。