堆石混凝土絕熱溫升影響因素分析

羅 鍵，曾 旭

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

1 概述

堆石混凝土是由高自密實(shí)混凝土與堆石組成的新型復(fù)合筑壩材料，研究堆石混凝土絕熱溫升旨在排除外界影響的因素下，探求自密實(shí)混凝土水化熱量級(jí)及影響溫升的因素，從而通過(guò)設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化，達(dá)到減小堆石混凝土絕熱溫升的目的。本文根據(jù)文獻(xiàn)[3]中堆石混凝土絕熱溫升經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合遵義市堆石混凝土壩建設(shè)情況，選取了9個(gè)已建項(xiàng)目進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)成果資料收集與分析。各工程特性參數(shù)及工程特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 各工程特性參數(shù)及工程特點(diǎn)

2 絕熱溫升計(jì)算方法

根據(jù)SL 282—2018《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，混凝土絕熱溫升公式簡(jiǎn)化為：

θ(τ)=θ0×(1-e-mτ)

(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]利用最小二乘法擬合出的自密實(shí)混凝土絕熱溫升指數(shù)公式(2)—(3)，結(jié)合堆石混凝土特性，進(jìn)一步推導(dǎo)出了堆石混凝土絕熱溫升公式如下：

θSCC=3441×(1-e-00339τ)

(2)

θSCC=292×(1-e-0442τ)

(3)

(4)

式中，θRFC—堆石混凝土絕熱溫升值，℃；θscc—自密實(shí)混凝土絕熱溫升值，℃；τ—自密實(shí)混凝土澆筑后時(shí)間，h；τ′—自密實(shí)混凝土澆筑后時(shí)間，d；Vrock—堆石體積，m3；Vscc—自密實(shí)混凝土體積，m3；ρrock—堆石容重，kg/m3；ρscc—自密實(shí)混凝土容重，kg/m3；Crock—堆石比熱容，KJ/(kg·℃)；Cscc—自密實(shí)混凝土比熱容，KJ/(kg·℃)。

結(jié)合實(shí)際工程，為便于探求最大絕熱溫升出現(xiàn)具體天數(shù)，本文自密實(shí)混凝土絕熱溫升分析采用公式(3)。

3 參數(shù)取值與計(jì)算結(jié)果

由于堆石混凝土為自密實(shí)混凝土和塊石組成的復(fù)合材料，堆石率和密度各工程均有統(tǒng)計(jì)，根據(jù)公式(4)求出自密實(shí)混凝土與塊石的比熱容，則可以推導(dǎo)出堆石混凝土絕熱溫升的經(jīng)驗(yàn)公式。

其中，自密實(shí)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是根據(jù)表2—3中各種材料參數(shù)按質(zhì)量權(quán)重計(jì)算得出，具體計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表2 各工程自密實(shí)混凝土配合比統(tǒng)計(jì)表 單位：kg/m3

表3 材料比熱容取值表 單位：KJ/(kg·℃)

表4 自密實(shí)混凝土及塊石比熱容計(jì)算成果

根據(jù)表4可知，雖然各項(xiàng)目自密實(shí)混凝土配合比存在一定差異，但自密實(shí)混凝土比熱容總體變化不大，Cscc=0.976±0.022(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。

將計(jì)算成果代入，得到相關(guān)參數(shù)和理論絕熱溫升最大值，見(jiàn)表5。

表5 堆石混凝土絕熱溫升相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 堆石混凝土絕熱溫升分析

4.1 堆石混凝土絕熱溫升最大值及出現(xiàn)時(shí)間

根據(jù)堆石混凝土指數(shù)計(jì)算公式和前述計(jì)算結(jié)果可知，選取的9個(gè)工程計(jì)算最大絕熱溫升范圍為13.4～15.5℃。同時(shí)在絕熱條件下，達(dá)到最大溫升所需時(shí)間約為20d。

4.2 堆石混凝土絕熱溫升值影響因素

4.2.1堆石率

選取堆石巖性(灰?guī)r)相同的8個(gè)工程(除沙千水庫(kù)外)，通過(guò)繪制堆石率-堆石混凝土最大絕熱溫升線(xiàn)性回歸方程(圖1，相關(guān)系數(shù)為0.905)可知，適當(dāng)提高堆石率以減少自密實(shí)混凝土用量有利于降低堆石混凝土最大絕熱溫升。

4.2.2水膠比

選取堆石率、粉煤灰摻量、堆石巖性相近的3個(gè)工程研究自密實(shí)混凝土比熱容對(duì)堆石混凝土最大絕熱溫升的影響，見(jiàn)表6。

表6 水膠比對(duì)堆石混凝土最大絕熱溫升的影響工程案例

通過(guò)繪制水膠比-堆石混凝土最大絕熱溫升線(xiàn)性回歸方程(圖2，相關(guān)系數(shù)為0.996)可知，在堆石率、粉煤灰摻量、堆石巖性相近的前提下，降低水膠比有利于降低堆石混凝土最大絕熱溫升。

4.2.3自密實(shí)混凝土比熱容

相同巖性的堆石比熱容接近，故選取了堆石率、水膠比、堆石巖性相近的3個(gè)工程研究自密實(shí)混凝土比熱容對(duì)堆石混凝土最大絕熱溫升的影響，見(jiàn)表7。

表7 自密實(shí)混凝土比熱容對(duì)堆石混凝土最大絕熱溫升的影響工程案例

通過(guò)繪制自密實(shí)混凝土比熱容-堆石混凝土最大絕熱溫升線(xiàn)性回歸方程(圖3，相關(guān)系數(shù)為0.997)，并結(jié)合堆石混凝土絕熱溫升計(jì)算公式相關(guān)參數(shù)β取值可知，在堆石率、堆石巖性相近的前提下，β的大小取決于自密實(shí)混凝土比熱容Cscc，Cscc越大，對(duì)應(yīng)的β越大，從而堆石混凝土絕熱溫升越大。故較小的自密實(shí)混凝土比熱容有利于降低堆石混凝土最大絕熱溫升。

而根據(jù)表3各原材料比熱容取值可知，減小用水量和膠凝材料用量可以一定程度減小自密實(shí)混凝土比熱容，從而達(dá)到降低堆石混凝土絕熱溫升的目的。

4.2.4塊石熱力學(xué)性質(zhì)

本文加入了沙千水庫(kù)(石英砂巖作為堆石料和混凝土粗骨料)進(jìn)行對(duì)比分析，主要研究堆石巖性不同對(duì)堆石混凝土最大絕熱溫升的影響。根據(jù)上述原則，選取了堆石率相同的4個(gè)工程進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表8。

表8 塊石熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)堆石混凝土最大絕熱溫升的影響工程案例

通過(guò)繪制如圖4所示的堆石巖性-堆石混凝土最大絕熱溫升柱狀圖，可知，較小比熱容的堆石，吸熱效果越小，對(duì)應(yīng)的堆石混凝土絕熱溫升越大。

4.3 堆石混凝土絕熱溫升與實(shí)測(cè)值對(duì)比

各項(xiàng)目堆石混凝土實(shí)測(cè)最大溫升為9.2～13.1℃，總體較計(jì)算堆石混凝土最大絕熱溫升低2～5℃。同時(shí)受外部環(huán)境影響，實(shí)測(cè)堆石混凝土最大溫升多集中在3～10d，見(jiàn)表9。

表9 堆石混凝土絕熱溫升與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

4.4 堆石混凝土絕熱溫升與常態(tài)及碾壓混凝土對(duì)比

如圖5所示，通過(guò)對(duì)比堆石混凝土與常態(tài)混凝土和碾壓混凝土最大絕熱溫升，發(fā)現(xiàn)堆石混凝土由于水泥用量較少且堆石存在一定吸熱作用，故絕熱溫升相對(duì)較低，體現(xiàn)了堆石混凝土作為一種新型復(fù)合型筑壩材料在溫控方面的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)堆石混凝土絕熱溫升的研究，發(fā)現(xiàn)“增加堆石率、降低自密實(shí)混凝土水膠比、減小用水量和膠凝材料用量、采用比熱容較大的堆石”是降低堆石混凝土絕熱溫升的有效措施。

(2)通過(guò)理論計(jì)算得到各工程堆石混凝土絕熱溫升趨于13.4～15.5℃之間，較實(shí)測(cè)最大溫升高約2～5℃。對(duì)比常態(tài)混凝土和碾壓混凝土，堆石混凝土絕熱溫升明顯小于前二者，體現(xiàn)了其在溫控方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為堆石混凝土壩簡(jiǎn)化溫控措施、不分縫或少分縫提供了理論依據(jù)。

(3)由于采用控制單一變量研究各項(xiàng)影響因素，從而使得樣本數(shù)量不足，后續(xù)還需進(jìn)一步完善。