基于熱傳導的粉煤灰鋼纖維超高強混凝土溫度裂縫控制

陳新昌，林國潮，羅劍凌，凌禮賢

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

能源是當今社會日常生活與工業發展中的重要物資之一，煤炭作為初級能源，在大部分國家與地區的使用比例位于能源材料的首位。煤炭的大量利用會產生大量的燃煤附屬品。其中，以火力發電的粉煤灰為主[1-2]。自我國改革開放以來，電力作為我國重點發展產業，一直處于能源消耗的首位。電力建筑一直以燃煤電廠為主，導致粉煤灰的排放量激增。粉煤灰的大量排放會導致植被破壞、大氣污染以及河流堵塞，嚴重影響生物多樣性的發展，破壞生態平衡。為有效解決環境問題，在不斷地研究下，將其應用于混凝土建筑中。早在1932年，對粉煤灰混凝土的研究已經開始。20世紀50年代，我國開始研究在混凝土中添加粉煤灰作為混合材料，并在水工建設中得到推廣[3-4]。目前，粉煤灰鋼纖維超高強混凝土在日常施工中使用范圍愈發擴大，為保證此材料的穩定性與適用性，對其裂縫控制技術進行研究。

為保證此材料的穩定性與使用性，對其裂縫控制技術進行研究。在混凝土結構中，常見裂縫產生原因共有三種，分為外荷載的直接應力、外荷載的組合應力以及內部結構的形變[5]。針對上述原因，結合粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的特點，在此次研究中設計粉煤灰鋼纖維超高強混凝土裂縫控制技術并對此技術進行應用研究。

1 粉煤灰鋼纖維超高強混凝土裂縫控制

1.1 粉煤灰鋼纖維超高強混凝土配制比例控制

根據研究可知，每100 kg水泥產生的升溫為9.6 ℃[6]。為提升粉煤灰混凝土的裂縫控制能力，對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土配制比例進行調整。原始材料的形狀和表面結構、級配、最大粒徑、含水率、相對密度、所含的礦物均會對混凝土造成影響。因而，在此次研究中對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的選材與配制進行合理配置。

在混凝土配制中，使用適宜的減水劑延緩混凝土的凝結時間，降低混凝土的放熱速度，有效控制混凝土放熱過程的溫度變化。將粉煤灰的比例設定為總體積的20%，可使混凝土的水化熱下降11%。此時混凝土的結構較為穩定。

假設粉煤灰與混凝土的質量比為B，粉煤灰鋼纖維超高強混凝土各材料用量通過下式進行配制，即

Fi=kFi+σiBbν0νf

(1)

式中：k為比例系數；Fi為粉煤灰所需量；σi為粉煤灰質量分數；Bb為膠凝材料的密度；ν0為鋼纖維混凝土膠漿體積；νf為鋼纖維體積。

Si=kSi+?cBbν0

(2)

式中：Si為水泥所需量；?c為水泥的質量分數。

μi=kμi

(3)

式中：μi為砂子的用量。

Wi=kWi+φwBbν0

(4)

式中：Wi為水的用量；φw為水的質量分數。

Li=kLi

(5)

式中：Li為石子的用量。

Gi=Bfνf

(6)

式中：Gi為鋼纖維的用量；Bf為鋼纖維密度。

Ji=B(Si+Fi+μi)

(7)

式中：Ji為減水劑所需量。

在混凝土配制過程中，嚴格控制水泥的用量，水泥使用水化熱較低、凝結時間較長的中低熱水泥[7]。在保證混凝土強度前提下，降低水泥的用量，完成配比后，使用預冷法對原材料進行處理，并對混凝土的水化熱進行測算。為保證配制后的材料符合混凝土的使用性能，設定其配制后效果如表1所示：

表1 處理后材料預期效果標準

在施工過程中做到薄層、短間歇、均勻向上，避免在澆筑過程中混凝土長期暴露，降低裂縫幾率。

1.2 基于熱傳導的粉煤灰鋼纖維超高強混凝土溫度分析

通過上述配制比例配置的粉煤灰鋼纖維超高強混凝土，為了實現對其裂縫的控制，采用熱傳導理論對其內部溫度進行分析。

粉煤灰鋼纖維超高強混凝土內部產生的應力是由于其內部溫度變化導致混凝土出現變形等現象，物體隨溫度的變化而發生形變是一種較為普遍的屬性。影響粉煤灰鋼纖維超高強混凝土內部溫度的變化因素包括澆筑溫度、水化熱絕熱溫升以及自身散熱。為了使溫度變化導致的裂縫得到有效控制，對其內部溫度的傳熱方式進行分析。

假設粉煤灰鋼纖維超高強混凝土導熱各項同性是連續的，導熱率為χ，比熱容為a，密度為ρ，其內部熱源均勻分布。本文從粉煤灰鋼纖維超高強混凝土中隨機選取無限小的六面微元體作為研究對象，如圖1 所示。

圖1 粉煤灰鋼纖維超高強混凝土熱平衡示意圖

設置Q0為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土微元體凈熱量，熱量在x方向流入的熱量為Qx，在y方向上流入的熱量為Qy，從z方向流入的熱量為Qz，則存在

Q0=Qx+Qy+Qz

(8)

在單位時間內從x方向流入的熱量為qx，經相同方向一側界面流出的熱量為qxdx，所以粉煤灰鋼纖維超高強混凝土微元體凈熱量為

Qx=(qx-qxdx)dydz

(9)

通過傅里葉定律可得

(10)

同理，單位時間內從y和z方向流入粉煤灰鋼纖維超高強混凝土微元體的凈熱量分別為

(11)

(12)

在上述分析基礎上，可以獲取粉煤灰鋼纖維超高強混凝土微元體的總凈熱量為

(13)

粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的導熱是其與外部環境進行熱量交換的基本形式。對其熱量交換規律通過傅里葉定律進行分析。當粉煤灰鋼纖維超高強混凝土內部熱流量的溫度變化率是以垂直方向變化，其傳遞的方向與溫度升高的方向相反。通過上述分析，對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的內部熱量進行詳細分析，以便于對其溫度場的控制。

1.3 粉煤灰鋼纖維超高強混凝土溫度場控制

在粉煤灰鋼纖維超高強混凝土總凈熱量分析后，分析配制后混凝土溫度場變化，以控制混凝土成型后的溫變。主要通過控制混凝土的絕熱溫度、內部實際溫度以及表面溫度[8-9]，實現粉煤灰鋼纖維超高強混凝土裂縫控制。

通過粉煤灰鋼纖維超高強混凝土產生的水化熱產生，獲取混凝土的絕熱溫度，即

Ti=Ta(1-e-ni)

(14)

式中：n為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的水化速度系數；Ti為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土i齡時絕熱溫升；Ta為a時粉煤灰鋼纖維超高強混凝土絕熱溫升。

在施工過程中，全部水化熱熱量使混凝土的溫度上升為最高溫度，即

(15)

式中：Y為每公斤水泥產生的水化熱；P為為每立方米粉煤灰鋼纖維超高強混凝土中包含水泥的用量。ψ表示為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的比熱容[10]；R為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的容重。

在上述分析基礎上，對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土內部的實際溫度進行估算，即

Ta(i)=Ta+nTi

(16)

式中：Ta(i)為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土期齡在i時，混凝土內部實際溫度。

粉煤灰鋼纖維超高強混凝土表面溫度可通過下式獲取，即：

(17)

式中：Tb(i)為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土齡期為i時表面溫度；To為齡期為i時大氣溫度[11]；E為混凝土結構厚度。根據粉煤灰鋼纖維超高強混凝土雙面散熱的特點，則有

(18)

式中：e為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土結構在單面散熱過程中的虛厚度；Ti表示為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土中心溫度與外界氣溫之間的差值，則存在：

Ti=Tb(i)-T

(19)

(20)

式中：α為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土導熱系數[12]；j為計算折減系數τ的保溫層導熱系數，τ可表示為

(21)

式中：αi為不同保溫材料的厚度；t為不同保溫材料的導熱系數；τi為空氣層導熱系數。通過上述對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土溫變的分析，將此作為粉煤灰鋼纖維超高強混凝土裂縫控制的主要影響因素。

通過上述對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土配制比例及溫度場的控制，在施工過程中其裂縫的產生加以防治。常見混凝土裂縫分為結構性裂縫與非結構性裂縫[13-15]。結構性裂縫對混凝土結構的安全性與穩定性具有不良影響。本文主要采用灌漿修補和水泥灌漿修補對混凝土裂縫進行處理。在裂縫較小時，使用化學灌漿修補，當裂縫較大時，采用水泥灌漿修補。當發現粉煤灰鋼纖維超高強混凝土出現裂縫時，及時展開處理，避免裂縫過大，造成人身安全與財產的風險。

2 實驗分析

為驗證所提方法的使用效果，進行仿真實驗分析。

2.1 實驗構件

為了測試所提方法的有效性，采用所提方法配制粉煤灰鋼纖維超高強混凝土構件，對其裂縫進行分析。構件材料包括：粉煤灰、骨料、減水劑、鋼筋、鋼纖維等。按照本文配制比例進行混合。初凝時間為100 min。骨料采用石灰巖碎石，其最大粒徑為25 mm，鋼筋屈服強度系數設置為τ=1.5，彈性模量為M=2.0×105N/mm2，抗拉強度大于1 000 MPa。制作的構件如圖2 所示：

圖2 煤灰鋼纖維超高強混凝土構件截面示意圖

2.2 實驗參數

實驗參數如表2 所示。

表2 實驗參數

2.3 實驗方案

在上述實驗構件和實驗參數設置下，對比所提方法、鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法以及C50大體積混凝土裂縫控制方法的混凝土溫度場控制誤差、疲勞裂紋擴展速率以及抗壓強度對比。其中，疲勞裂紋擴展速率為

(22)

抗壓強度為

fcd=?afck(S/L-?P)

(23)

式中：S/L為水灰比；fcd為鋼纖維混凝土配制抗壓強度；fck為混凝土實測抗壓強度；?a、?P為經驗系數。

2.4 實驗結果

2.4.1 不同方法混凝土溫度場控制誤差分析

為了驗證所提方法在進行煤灰鋼纖維超高強混凝土比例配制的精度，實驗分析了所提方法、鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法以及C50大體積混凝土裂縫控制方法的混凝土溫度場控制誤差，分析混凝土溫度變化，得到實驗結果如圖3 所示：

圖3 不同方法混凝土溫度場控制誤差對比

分析圖3 可看出，采用所提方法、鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法以及C50大體積混凝土裂縫控制方法對混凝土溫度場控制的誤差存在一定差異，三種方法的控制誤差均呈現下降趨勢。其中，所提方法溫度場控制誤差最小約為1%，鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法溫度場控制誤差最小約為2%，C50大體積混凝土裂縫控制方法對混凝土溫度場控制誤差最小約為1.5%，相比之下，所提方法的溫度場誤差率分別下降了約1%和0.5%。這是由于所提方法在混凝土材料配制中，調整了一定比例，并嚴格控制水泥的用量，水泥使用水化熱較低、凝結時間較長的中低熱水泥，對混凝土的絕熱溫度、內部實際溫度以及表面溫度進行嚴格把控，進而提高了其對混凝土溫度場控制的精度，降低了誤差。

2.4.2 不同方法疲勞裂紋擴展速率分析

為了驗證所提方法的有效性，實驗分析了所提方法、鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法以及C50大體積混凝土裂縫控制方法配制后的混凝土疲勞裂紋擴展速率，其中，擴展速率越低，代表其效果更好。實驗結果如圖4 所示：

圖4 不同方法疲勞裂紋擴展速率對比

分析圖4 可以看出，三種方法的疲勞裂紋擴展速率存在一定差距。其中，當擴展時間為4 s時，所提方法的裂縫長度約為0.51 mm，鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法以及C50大體積混凝土裂縫控制方法的裂縫長度分別為0.60 mm和0.80 mm；當擴展時間為7 s時，所提方法的裂縫長度約為0.3 mm，鋼筋鋼纖維混凝土裂縫控制方法以及C50大體積混凝土裂縫控制方法的裂縫長度分別為0.41 mm和0.45 mm。相比之下所提方法的疲勞裂紋擴展速率較低，驗證了所提方法的可行性。

2.4.3 不同方法混凝土抗壓強度分析

為了進一步驗證所提方法的可靠性，實驗分析了三種方法下構件的抗壓強度，實驗結果如圖5 所示。

圖5 不同方法混凝土抗壓強度分析

分析圖5 可以看出，在相同實驗環境下，三種方法下混凝土的抗壓強度存在一定差距。其中，所提方法的抗壓強度最大，而其他兩種方法的抗壓強度低于所提方法，驗證了所提方法的科學有效性。

3 結 語

粉煤灰是一種環保型材料，擴大其應用范圍符合水泥基復合材料的發展方向與綠色高性能水泥基復合材料的發展要求。增加對粉煤灰等摻合料的利用率，提高對綠色高性能混凝土的控制能力，有利于環境與技術經濟效益的提升。將此次研究結果應用于現實生活中，可提高此類混凝土在實際生產中大量推廣應用效果。因此，應對粉煤灰鋼纖維超高強混凝土裂縫控制技術推廣普及，促進粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的應用與發展。