粉煤灰摻量對大體積水工混凝土絕熱溫升影響的數值模擬研究

吳修練

(巴州天寶水利工程設計有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 研究背景

混凝土作為重要的現代建筑材料，憑借其強度高、耐久性好等諸多優勢，在各種水利工程建設中獲得了廣泛的應用[1]。進入新世紀以來，我國的水利事業獲得了長足的發展，這也對大體積混凝土結構建設技術提出了更高的要求。在大體積水工混凝土結構施工建設過程中，內部水化熱大、收縮比例大的問題日漸突出，成為影響水工結構安全穩定性的重要因素[2]。水泥作為混凝土的主要膠凝材料，在水化反應過程中會產生大量的熱量，由于水工混凝土結構往往體積較大，內部的水化熱不易散失，進而導致其內部溫度的大幅增長，并成為混凝土結構開裂的主要原因[3]。相關研究表明，在水工大體積混凝土施工過程中，外部荷載導致的開裂僅占20%左右，溫度變化和材料收縮開裂大約占80%。因此，展開大體積水工混凝土熱學性能對工程建設過程中的溫控防裂具有十分重要的意義和作用。

為了減少混凝土的水泥水化熱，經常會在混凝土中摻入一定量的摻合料，其中最常用的的是粉煤灰。在水工混凝土結構施工過程中，利用粉煤灰替代部分水泥，不僅可以降低水化熱，還可以減緩其放熱速率，延長放熱時間，造成最高溫度延后[4]。因此，粉煤灰混凝土的發熱特點和溫度變化與常態混凝土存在較大的差異。另一方面，受到結構尺寸的影響，大體積混凝土絕熱溫升室內試驗并不方便，而數值模擬研究可以在該領域發揮其優勢和特長。基于此，此次研究利用數值模擬的方式，探討粉煤灰摻量對大體積水工混凝土溫度場的影響，以便為工程設計和建設提供有益的借鑒和思考。

2 ANSYS有限元模型

2.1 模型的構建

針對大體積混凝土的溫度變化過程進行數值模擬，可以在瞬態傳熱理論的指導下，以絕熱溫升試驗數據為基礎，利用有限元軟件對大體積混凝土的溫度場進行數值模擬分析。在模型建構和分析的過程中，將混凝土結構視為各向同性材料，首先進行模型的熱分析，然后再施加溫度場進行溫度分析。在此次研究中，假定大體積混凝土為20 m×10 m×10 m的長方體塊體結構，其下表面與基礎土體接觸，四周為支護模板，上表面為自由邊界，可以和周圍的空氣進行熱交換。綜合考慮計算過程的簡潔性和計算結果的準確性，基礎土體的尺寸為50 m×30 m×10 m。根據研究需要，利用Solid70單元進行模型單元剖分，最終獲得1 037個網格單元，1 164個計算節點，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計算參數

由于混凝土的組成材料較為復雜，同時具有顯著的離散性特點。研究中結合相關文獻確定混凝土材料的計算參數。根據配合比設計，混凝土的密度為2420 kg/m3，比熱容設置為955 J/kgK，導熱系數設置為280 W/mK，混凝土和空氣接觸面的導熱系數為1500W/m2K，混凝土和模板的導熱系數為400 W/m2K。基礎土體的密度設置為2 000 kg/m3，比熱容設置1 050 J/kgK，導熱系數設置為267 W/mK。

模擬計算過程中，將外界環境的氣溫以表格的形式加載至模型，具體如表1所示。處于研究需要，設置0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%等7種不同的粉煤灰替代率，根據粉煤灰摻量對混凝土水化熱的影響研究成果，對不同粉煤灰摻量條件下的混凝土的內部熱源影響利用熱生成函數描述，并將其加載至模型中。

3 試驗結果與分析

利用上節構建的有限元模型，對不同粉煤灰替代率方案下大體積混凝土的絕熱溫升進行模擬計算，計算時長為28d。從計算結果中提取出每種替代率方案的每天的絕熱溫升值，結果如表2所示。由表中的結果可以看出，隨著齡期的增長，混凝土的絕熱溫升呈現出不斷增長并趨于穩定的變化特點，這也與相關理論和試驗的結果一致，說明模擬計算結果具有科學性與可信性。同時，不同粉煤灰替代率的混凝土絕熱溫升值存在比較顯著的差異，說明粉煤灰替代率是絕熱溫升值的重要影響因素。由于粉煤灰的摻入代替了混凝土中的部分水泥，因此混凝土凝固過程中的水化熱有所降低，因此絕熱溫升值也有所下降。從表中的計算結果來看，當粉煤灰摻量為0%的情況下，其絕熱溫升值為34.18 ℃。粉煤灰替代率為10%、20%、30%、40%、50%和60%情況下的絕熱溫升值分別為30.78 ℃、26.42 ℃、23.78 ℃、20.80 ℃、18.72 ℃和18.69 ℃。與粉煤灰摻量為0%相比，絕熱溫升值分別下降了約9.95%、22.70%、30.42%、39.15%、45.23%、45.32%。由此可見，在混凝土中摻加粉煤灰可以有效控制混凝土的絕熱溫升，但是控制效果隨著取代率的增加而減弱，當粉煤灰摻量超過50%時，提高取代率對降低混凝土絕熱溫升的效果極為有限。

表2 不同粉煤灰替代率方案絕熱溫升計算結果

為了進一步分析粉煤灰替代率對混凝土絕熱溫升的影響，以計算結果為依據，繪制出不同粉煤灰替代率下的絕熱溫升值隨齡期的變化曲線，結果如圖2所示。

圖2 不同粉煤灰替代率下的絕熱溫升值隨齡期的變化曲線

由圖2可以看出，各種不同計算方案下混凝土前期的溫升值上升較快，但是溫升的變化速率逐漸變小，最終趨于穩定。究其原因，主要是澆筑前期混凝土中的水泥會產生比較劇烈的水化反應，并釋放出大量的熱量，導致混凝土內部的溫度以較快的速度上升，隨著時間的推移，水泥的水化反應不斷減弱并趨于停止，因此溫度上升量逐漸變小并最終保持穩定。同時，不同粉煤灰摻量的溫升變化特征也存在一定的差異。在粉煤灰摻量為0%的情況下，僅需要4 d即可達到絕熱溫升值的90%；隨著粉煤灰摻量的增大，這一時間逐漸拉長，當粉煤灰摻量為50%時，這一時間為10 d。由此可見，摻加粉煤灰可以有效延緩混凝土的早期溫升，對控制溫度裂縫較為有利。

為了進一步對比和分析不同粉煤灰取代率方案的前期溫升速率，研究中以3d齡期的數據為例，計算獲取絕熱溫升值和最終絕熱溫升值的比值，結果如表3所示。

表3 3d齡期絕熱溫升值和最終絕熱溫升值的關系

由表中的結果可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的前期溫升速率趨緩，溫度的上升速率明顯下降，需要更長的實踐才能達到最終的絕熱溫升值。另一方面，當粉煤灰摻量<40%時，混凝土前期溫升的降低幅度較大，當摻量達到和超過40%時，其降低的速率較為有限。總體來看，在水工大體積混凝土澆筑施工過程中，摻入一定量的粉煤灰取代水泥，可以減少混凝土前期的水化熱，混凝土的放熱速率也可以得到有效控制，從而延遲混凝土的放熱高峰，時放熱過程更為均勻，這對于施工過程中的溫度控制，預防溫度裂縫較為有利。

4 結 語

此次研究通過有限元模型計算分析的方式，探討了粉煤灰取代率對水工大體積混凝土絕熱溫升的影響。通過計算結果分析發現，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的絕熱溫升值不斷減小，試驗前期的溫升速率也呈現出減小的變化特征。這對于大體積水工混凝土施工中的溫度控制，預防溫度裂縫的產生較為有利。但是，當粉煤灰的取代率超過40%時，再增加粉煤灰摻量并不能取得顯著的絕熱溫升控制效果，而混凝土的強度等其他物理力學參數也將受到顯著的影響。因此，建議在施工過程中按照不超過40%的取代率摻加粉煤灰。當然，在具體的工程設計和建設過程中，應該綜合考慮工程需求和經濟性選擇合適的粉煤灰摻量水平。