水化熱抑制劑對負溫混凝土溫升影響的研究

王振宇

（中鐵二院集團工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

《大體積混凝土施工標準》GB 50496-2018對大體積混凝土給出了明確定義：混凝土結(jié)構(gòu)實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[1]。冬季大體積混凝土施工過程中，持續(xù)負溫及溫度驟降極易造成施工構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫。溫度驟降具有歷時短，降溫幅度大的特點，溫度驟降過程中混凝土結(jié)構(gòu)表面會產(chǎn)生很大的溫度梯度，溫度應(yīng)力迅速產(chǎn)生，容易引起表面開裂以及后續(xù)的發(fā)展裂縫。混凝土產(chǎn)生裂縫會降低結(jié)構(gòu)物的功能性、整體性和耐久性[2,3]。

水化熱的本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)熱，控制反應(yīng)熱的產(chǎn)生是防止混凝土內(nèi)部溫度過高的基本方法。大量研究認為新澆筑大體積混凝土里表溫差超過25℃且持續(xù)時間較長，結(jié)構(gòu)表面容易出現(xiàn)各種形式的溫度裂縫。改善配合比是控制水化熱的重要措施。大量工程實例表明，選用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣水泥或者是硅酸鹽水泥不但能降低水化熱，還可以保證齡期強度。水化熱抑制劑是近年來出現(xiàn)在實際工程中用于調(diào)控混凝土內(nèi)部溫度的新型化學(xué)外加劑，這種外加劑在常溫下澆筑大體積混凝土工程中表現(xiàn)出優(yōu)異的工作性能。本文通過有限元模擬及試驗驗證其在持續(xù)負溫條件下對混凝土內(nèi)部水化熱的調(diào)控能力。

1 水化熱抑制劑成分測試

某型水化熱抑制劑是一種聚羧酸類外加劑，本文對某公司提供的該種抑制劑進行了紅外光譜測試（IR），光譜測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，3288.81cm-1和3235.00cm-1是抑制劑分子羧基鍵（-OH）的伸縮振動峰；1422.39cm-1 是分子中亞甲基（-CH2-）的彎曲振動峰；1740.55cm-1 為醛基中鍵（-C=O）的伸縮振動峰；1098.08cm-1 為分子中醚基（=C-O-C）的伸縮振動峰；2850.63cm-1和2918.67cm-1附近為其分子中的甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2-）的伸縮振動峰。上述分析表明該水化熱抑制劑具有聚羧酸酯類化合物預(yù)期的分子式。

圖1 某型水化熱抑制劑紅外吸收光譜

2 絕熱溫升測試

使用該型水化熱抑制劑進行了實驗室常溫（25℃）條件下絕熱溫升測試試驗，以獲得該試劑作用下水泥凈漿絕熱溫升曲線。試驗使用P·O42.5級水泥，抑制劑劑量采用產(chǎn)品建議用量0.35%。試驗獲得的絕熱溫升曲線如圖2所示。

圖2 常溫28d水泥凈漿絕熱溫升曲線

分析水泥凈漿絕熱溫升測試結(jié)果，空白組0～5d水化反應(yīng)放熱劇烈，溫升速率約為8.85℃/d，第6d開始放熱逐漸放緩，6～10d溫升速率約為1.31℃/d，之后溫升增速進一步趨緩。水化熱抑制劑組0～5d溫升速率約為5.46℃/d，0～8d水化放熱較為劇烈，第8d溫度與空白組第5d溫度基本相同，為44.2℃，相較于空白對照組，溫升速率明顯放緩；空白組28d 后溫度值64.1℃，高于抑制劑組的61.92℃。

總的來看，水化熱抑制劑起到了抑制水泥水化反應(yīng)過快進行，延緩溫峰到達時間，降低溫度峰值的效果。

3 數(shù)值模擬

建立有限元模型，模擬持續(xù)負溫環(huán)境下，新澆承臺混凝土里表溫差及結(jié)構(gòu)核心溫度的變化情況，以預(yù)測結(jié)構(gòu)是否有開裂的隱患。

3.1 變溫條件溫度場特性參數(shù)求解

本文建立有限元模型考慮了混凝土和土質(zhì)基礎(chǔ)兩種材料，模型使用的材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土材料性能參數(shù)

由于構(gòu)件具有對稱性，在軟件模擬時，為便于查看分析結(jié)果、縮短計算分析時間，取1/4進行實體單元建模分析，即建立1m×1m×2m的棱柱體模型。模型同時考慮持續(xù)負溫條件下地面溫度較低，混凝土與土質(zhì)基礎(chǔ)之間有不可忽略的熱傳導(dǎo)關(guān)系，因此建立2m×2m×2m土質(zhì)基礎(chǔ)，模擬底面接觸面的熱傳導(dǎo)關(guān)系。實體模型網(wǎng)格劃分尺寸取5cm，采用等參元劃分，共有10000單元，11683節(jié)點，劃分后有限元模型如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

3.1.1 混凝土溫度場初始參數(shù)求解

本文模型采用定義施工階段的方式來考察各齡期混凝土的溫度場變化情況。溫度荷載結(jié)束時間為28d，迭代次數(shù)為6 次，收斂誤差0.01；設(shè)定混凝土入模溫度為10℃，與混凝土構(gòu)件接觸的土基溫度取平均-2℃。

3.1.2 熱源函數(shù)

模型熱源函數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實體模型使用水泥標號和用量確定，表示如下[4]：

式中：τ——混凝土齡期，h。

模型建立時將上述函數(shù)定義到混凝土實體上即可模擬水化熱隨時間變化的情況。

3.1.3 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度根據(jù)現(xiàn)場試驗地區(qū)公開氣象資料24h大氣溫度預(yù)測值手動輸入。現(xiàn)場試驗時布置專門的大氣測溫點對當(dāng)?shù)貧鉁刈兓M行實時監(jiān)測，如圖4所示，減小模擬與實際測量的誤差。

圖4 環(huán)境溫度記錄

3.1.4 邊界條件

模型中混凝土表面與空氣直接接觸面均定義為第三類邊界條件，為簡化計算，模型底部土基取有限厚度，土質(zhì)基礎(chǔ)底部定義為第二類邊界條件，設(shè)定為絕熱狀態(tài)[5]。

3.2 有限元模擬結(jié)果

圖5～圖8是抑制劑組和空白組里表溫差時程曲線及數(shù)據(jù)分析結(jié)果。對比抑制劑組和空白組模擬結(jié)果可知，核心節(jié)點最大溫度降低5.5℃，溫峰到達時間推遲10.5h，平均溫升速率降低0.3℃/h，50h后降溫速率升高0.05℃/h。綜合分析模型各節(jié)點里表溫差結(jié)果可知，相較于空白組，抑制劑組絕大部分節(jié)點里表溫差有明顯降低；大溫差持續(xù)時間普遍縮短，大溫差持續(xù)時間縮短約10h。通過對比主要數(shù)據(jù)可以看出，水化熱抑制劑起到了降低核心內(nèi)溫、延遲溫峰、降低溫升速率的作用，溫控效果良好。

圖5 抑制劑組里表溫差曲線

圖6 空白組里表溫差曲

圖7 構(gòu)件核心節(jié)點溫度時程曲線對比

圖8 溫差主要指標

4 現(xiàn)場試驗分析

現(xiàn)場試驗的目的是測試水化熱抑制劑在真實負溫條件下的實際控溫能力。現(xiàn)場試驗同樣設(shè)置水化熱抑制劑組和空白對照組，環(huán)境溫度變化如圖4所示。混凝土的溫度監(jiān)控采用NEL-TWR型溫度自動采集儀進行數(shù)據(jù)采集。具體數(shù)據(jù)采集方法如下：混凝土澆筑入模后即開始測溫，采集時段定為0～28d，具體監(jiān)測時長根據(jù)實際情況調(diào)整；數(shù)據(jù)采集時間間隔為60s/次，每24h從設(shè)備中提取一次數(shù)據(jù)進行整理分析。

4.1 實驗結(jié)果

圖9和圖10分別是抑制劑組和空白對照組混凝土里表溫差時程曲線。抑制劑組混凝土最大里表溫差為核心溫度-上表面溫度，差值為34.5℃，其他位置均未超過這一差值。通過與圖10對比發(fā)現(xiàn)，抑制劑組的整體里表溫差值明顯減小，最大溫差到達時間明顯延后。

圖9 抑制劑組混凝土里表溫差時程曲線

圖10 對照組混凝土里表溫差時程曲線

4.2 對比分析

4.2.1 抑制劑組實測與模擬結(jié)果對比

通過對比抑制劑組實測與有限元模擬數(shù)據(jù)，承臺核心溫峰模擬值比實測值高4.9℃，核心節(jié)點溫峰到達時間基本相同（圖11）。對比里表溫差主要指標，最大里表溫差實測值與模擬值均為34.5℃；實測結(jié)果與模擬結(jié)果中超過25℃的節(jié)點個數(shù)相同。以上對比證明模擬結(jié)果較為可靠（見圖12）。

圖11 核心節(jié)點溫度時程曲線對比

圖12 溫差數(shù)據(jù)對比

4.2.2 抑制劑組與對照組實測結(jié)果對比

對比各測點溫度可知，抑制劑組試驗承臺面中心位置溫峰值較空白組降低4.9～10.2℃；表層混凝土溫度在-7～10℃之間震蕩，與大氣溫度變化一致，對照組具有相似的趨勢，但抑制劑組整體震蕩區(qū)間平均降低了5～9℃，充分體現(xiàn)了抑制劑的溫控效能。

對比里表溫差數(shù)值結(jié)果可知，抑制劑組實測結(jié)果最大里表溫差比空白組實測值低6.1℃，里表溫差超限節(jié)點個數(shù)比對照組少2 個，從這點看抑制劑發(fā)揮了良好的控溫效果。

5 結(jié)束語

（1）實驗室絕熱環(huán)境下對摻水化熱抑制劑的水泥凈漿進行測試，發(fā)現(xiàn)其對水泥凈漿具有良好的抑溫效能。

（2）從有限元模擬來看，混凝土中摻入水化熱抑制劑（改變絕熱溫升曲線）能有效推遲溫峰到達時間、降低水化溫升速率和溫峰數(shù)值，降低了構(gòu)件的里表溫差值。

（3）通過在持續(xù)負溫環(huán)境下的現(xiàn)場試驗可以看出，水化熱抑制劑對大體積混土依然具有延緩水化放熱速率、延后溫峰到達時間、降低溫峰值的功效。

（4）負溫環(huán)境下抑制劑組模擬結(jié)果與實測結(jié)果具有大致相同的發(fā)展趨勢，說明通過有限元軟件計算預(yù)測大體積混凝土開裂具有一定的可靠性。但同時在模擬值和實測值存在一定差異，說明模擬過程中，應(yīng)充分考慮大體積混凝土澆筑過程中環(huán)境的其他因素對溫度發(fā)展的影響，以保證模擬邊界條件更加符合實際情況。