摘要:对混凝土绝热温升的影响因素进行了较系统的分析,对普通混凝土、C40 二级配和C30 三级配大掺量矿渣高性能混凝土的放热规律进行了试验研究,并对48 h 内混凝土的放热规律做了细致研究,应用剩余标准方差( S) 和相关系数( R) 评价了指数、双曲线回归模型在混凝土绝热温升中的反演精度。通过对不同混凝土绝热温升规律和反演结果进行了总结,提出混凝土的温升值与时间的幂函数之间存在良好的双曲线关系: T( t)= atbP( c + tb ) ,实例分析表明,应用该回归模型提高了混凝土绝热温升的反演和预测精度。
关 键 词:混凝土; 矿渣; 绝热温升; 回归模型; 幂函数
中图分类号: TV42 + 1. 5 文献标识码: A
混凝土中水泥的水化放热性能对混凝土结构开裂敏感性的影响越来越受到人们的重视。美国混凝土学会认为,任何现浇混凝土结构,当其尺寸达到必须解决水化热及由此引起的体积变形问题,以便最大限度地减少其对开裂的影响时,即可称为大体积混凝土,这些工程都要采取温控措施[1 ] 。混凝土绝热温升值是进行大体积混凝土温控设计的主要参数,由于水泥水化放热是一个漫长的过程以及现有测量温度手段等诸多因素的影响,要直接测得混凝土的最终绝热温升值几乎是不可能的。因此,只能在室内进行混凝土绝热温升模拟试验,掌握不同类型或配合比混凝土在短龄期内的温升值与龄期之间的关系,从而建立混凝土绝热温升值与龄期之间相应的数学回归模型,来预测混凝土的最终绝热温升值,供温控设计参考。
1 影响因素
混凝土的绝热温升值和温升速率反映了早龄期混凝土中胶凝材料的水化速率和水化程度[2 ] ;胶凝材料在混凝土中和在净浆中相比,其水化环境不同,可以通过测定混凝土的绝热温升来评价混凝土中胶凝材料的水化作用。影响混凝土中胶凝材料的水化反应及其放热特性的因素很多,如胶凝材料的用量及组成、水化放热能力、集料种类、外加剂品种、水胶比、反应起始温度、环境条件等。由于混凝土配比及其所用胶凝材料的组成和性能的变化,混凝土的绝热温升特性也会随之变化。通过对不同类型、配比混凝土绝热温升的试验研究,有利于掌握不同混凝土内部的温升规律,特别是早龄期混凝土的水化放热状况,为满足工程抗裂需要提供试验依据。
2 常用的数学回归模型
混凝土最终绝热温升是指由混凝土中胶凝材料水化产生的水化热,使得混凝土的内部温度逐步上升而最终达到的稳定值。混凝土的最终绝热温升值是t →∝ 时的温升值,常用最小二乘法拟合得到一条优化的曲线,来表达胶凝材料温升随时间增长的规律,回归方程式的拟合精度由剩余标准方差( S) 和相关系数( R) 评价。目前,采用的绝热温升表达式有以下几种[3 ] :
T( t) = T0 (1 - e- at )
T( t) = T0 tP( a + t)
T( t) = T0 [1 - exp ( - a- tb) ]
式中t 为龄期; T0 为最终绝热温升; a、b 等为常数。
3 试验方法及设备
参照《水工混凝土试验规程》(SLP352 - 2006) ,在绝热条件下,测定混凝土胶凝材料(包括水泥、掺和料等) 在水化过程中的温度变化及最高温升值。使用长江水利委员会长江科学院生产的JR - 2 型混凝土绝热温升测定仪,温度显示精度小于0. 1 ℃,温度的最小分辨率为0. 05 ℃,试件尺寸为ª38 cm ×42 cm ×40cm;同时借助自主开发的数字测温系统,既可读取温度,同时记录相应的绝热温升过程曲线。
4 试验结果及分析
4. 1 原材料
4. 1. 1 水泥
采用虎山P. O42. 5 级水泥,性能指标符合GB175 - 1999 标准要求,化学全分析见表1。
4. 1. 2 矿渣
采用上海宝田公司的S95 级磨细矿渣粉,其化学成分见表2。按照《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GBPT 18736 - 2002)进行胶砂试验,其28 d 活性指数为108. 2 % ,满足I 级磨细矿渣技术要求。质量系数K = ( QCaO + QMgO + QAl2O3)P( QSiO2+ QMnO+ QTiO2) = 1. 80 > 1. 2 ;碱度系数Mo = ( QCaO + QMgO)P( QSiO2+QTiO2) = 1. 37 > 1. 0 ,为碱性矿渣;活度系数Mn = QAl2O3PQSiO2= 0. 467 > 0. 12。
4. 1. 3 配合比设计
配合比详见表3。
4. 2 结果与分析
使用JR - 2 型混凝土绝热温升测定仪对普通混凝土和C40二级配和C30 三级配大掺量矿渣高性能混凝土的绝热温升值进行了研究(配合比详见表3) ,入模温度均控制在20 ℃左右,试验结果如下。
4. 2. 1 48 h 内绝热温升
利用绝热温升来研究混凝土的早期放热规律,对大体积混凝土的早期防裂措施有一定的参考和实用价值。普通混凝土和C40 二级配大掺量矿渣高性能混凝土的胶凝材料用量同为440kgPm3 ;C30 三级配大掺量矿渣高性能混凝土的胶凝材料用量为298 kgPm3 。48 h 内绝热温升曲线见图1。
由图1 可见,10 h 内,混凝土基本不升温。48 h 内,普通混凝土的放热速度最快,温升值最高,温升值达到了40 ℃左右,而同胶凝材料用量的C40 二级配大掺量矿渣的温升值为35 ℃,可见,矿渣的掺入能有效降低混凝土的早期放热速度和放热量。同样,胶凝材料用量的降低,显著降低了混凝土的温升值,C30三级配高性能混凝土48 h 后的温升值在20 ℃左右,仅为普通混凝土的一半。
4. 2. 2 42 d 内绝热温升
为了全面了解混凝土的放热规律,对混凝土的绝热温升值进行了较长龄期的测试,由于混凝土的放热规律和仪器精度的限制,只进行了42 d 测试,但已足以说明问题,试验结果见图2。
由图2 可见,普通混凝土水化3 d 后,绝热温升值开始了缓慢稳定增长,由于仪器本身测温范围的限制,只进行了14 d 龄期,绝热温升值7 d 达到了52. 3 ℃,14 d 达到了56 ℃;C40 二级配大掺量矿渣高性能混凝土早期水化放热相对较缓,水化7 d 后绝热温升值才开始缓慢稳定增长,绝热温升值7 d 达到46. 2 ℃,较普通混凝土降低了11. 7 % ,14 d 达到49. 1 ℃,较普通混凝土降低了12. 3 % ,28 d 达到51. 5 ℃,42 d 达到52. 7 ℃;C30 三级配大掺量矿渣高性能混凝土水化7 d 后也出现了同样的规律,绝热温升值7、14、28、42 d 分别达到27. 4、30. 0、32. 2 ℃和32. 5 ℃,较C40 二级配混凝土在不同龄期降低了40. 7 %、38. 9 %、37. 5 %和38. 3 %。
由以上分析可以看出,高性能混凝土由于掺入了大量的矿渣,其绝热温升规律不同于普通混凝土,其水化反应时间较长,早期水化放热较少,这对大体积混凝土抗裂和温控都是有利的。
5 回归模型分析
应用剩余标准方差( S) 和相关系数( R) 评价了双曲线、指数、时间的幂函数双曲线回归模型在混凝土绝热温升中的反演精度。评价结果见表4。
由表3 可知,不论对普通混凝土,还是C40 二级配、C30 三级配大掺量矿渣高性能混凝土,相对于双曲线和指数回归模型而言,应用时间的幂函数双曲线回归模型相关性最好,剩余标准方差最小,提高了对温度的反演精度。
为了更直观地描述时间的幂函数双曲线回归模型在混凝土绝热温升值反演中的优越性,本文以C40 二级配大掺量矿渣高性能混凝土为例,回归结果如图3 所示。
由图3 可见,时间的幂函数双曲线回归模型在混凝土温升前期与原始试验数据点的重合性非常好。一般而言,混凝土的绝热温升值在前7 d 升高最快,7 d 后开始进入温度缓慢稳定增长阶段,因此,回归模型对这段时间内的试验数据的反演精度很关键。
6 结论
利用绝热温升来研究混凝土的早期放热规律,对大体积混凝土的早期防裂措施有一定的参考和实用价值。由于掺入了大量的矿渣,其绝热温升规律不同于普通混凝土,其水化反应时间较长,早期水化放热较少;同胶凝材料的条件下,矿渣的大量加入,降低了混凝土的早期放热速率和最终绝热温升值;相对于以往双曲线、指数回归模型而言,时间的幂函数双曲线回归模型的应用,能提高对混凝土绝热温升的反演和预测精度。
参考文献:
[1 ] 王甲春. 混凝土绝热温升的实验测试与分析. 建筑材料学报,2005 ,8 (4) :446～451.
[2 ] 马保国,张平均,许婵娟等. 微矿粉在大体积混凝土中水化热及抗裂分析. 武汉理工大学学报,2003 ,25(11) :19～21.
[3 ] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制. 北京:中国电力出版社,1999.
