摘要:對(duì)混凝土絕熱溫升的影響因素進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析,對(duì)普通混凝土、C40 二級(jí)配和C30 三級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土的放熱規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)48 h 內(nèi)混凝土的放熱規(guī)律做了細(xì)致研究,應(yīng)用剩余標(biāo)準(zhǔn)方差( S) 和相關(guān)系數(shù)( R) 評(píng)價(jià)了指數(shù)、雙曲線回歸模型在混凝土絕熱溫升中的反演精度。通過(guò)對(duì)不同混凝土絕熱溫升規(guī)律和反演結(jié)果進(jìn)行了總結(jié),提出混凝土的溫升值與時(shí)間的冪函數(shù)之間存在良好的雙曲線關(guān)系: T( t)= atbP( c + tb ) ,實(shí)例分析表明,應(yīng)用該回歸模型提高了混凝土絕熱溫升的反演和預(yù)測(cè)精度。
關(guān) 鍵 詞:混凝土; 礦渣; 絕熱溫升; 回歸模型; 冪函數(shù)
中圖分類(lèi)號(hào): TV42 + 1. 5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
混凝土中水泥的水化放熱性能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂敏感性的影響越來(lái)越受到人們的重視。美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)認(rèn)為,任何現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),當(dāng)其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及由此引起的體積變形問(wèn)題,以便最大限度地減少其對(duì)開(kāi)裂的影響時(shí),即可稱(chēng)為大體積混凝土,這些工程都要采取溫控措施[1 ] ?；炷两^熱溫升值是進(jìn)行大體積混凝土溫控設(shè)計(jì)的主要參數(shù),由于水泥水化放熱是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程以及現(xiàn)有測(cè)量溫度手段等諸多因素的影響,要直接測(cè)得混凝土的最終絕熱溫升值幾乎是不可能的。因此,只能在室內(nèi)進(jìn)行混凝土絕熱溫升模擬試驗(yàn),掌握不同類(lèi)型或配合比混凝土在短齡期內(nèi)的溫升值與齡期之間的關(guān)系,從而建立混凝土絕熱溫升值與齡期之間相應(yīng)的數(shù)學(xué)回歸模型,來(lái)預(yù)測(cè)混凝土的最終絕熱溫升值,供溫控設(shè)計(jì)參考。
1 影響因素
混凝土的絕熱溫升值和溫升速率反映了早齡期混凝土中膠凝材料的水化速率和水化程度[2 ] ;膠凝材料在混凝土中和在凈漿中相比,其水化環(huán)境不同,可以通過(guò)測(cè)定混凝土的絕熱溫升來(lái)評(píng)價(jià)混凝土中膠凝材料的水化作用。影響混凝土中膠凝材料的水化反應(yīng)及其放熱特性的因素很多,如膠凝材料的用量及組成、水化放熱能力、集料種類(lèi)、外加劑品種、水膠比、反應(yīng)起始溫度、環(huán)境條件等。由于混凝土配比及其所用膠凝材料的組成和性能的變化,混凝土的絕熱溫升特性也會(huì)隨之變化。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型、配比混凝土絕熱溫升的試驗(yàn)研究,有利于掌握不同混凝土內(nèi)部的溫升規(guī)律,特別是早齡期混凝土的水化放熱狀況,為滿(mǎn)足工程抗裂需要提供試驗(yàn)依據(jù)。
2 常用的數(shù)學(xué)回歸模型
混凝土最終絕熱溫升是指由混凝土中膠凝材料水化產(chǎn)生的水化熱,使得混凝土的內(nèi)部溫度逐步上升而最終達(dá)到的穩(wěn)定值。混凝土的最終絕熱溫升值是t →∝ 時(shí)的溫升值,常用最小二乘法擬合得到一條優(yōu)化的曲線,來(lái)表達(dá)膠凝材料溫升隨時(shí)間增長(zhǎng)的規(guī)律,回歸方程式的擬合精度由剩余標(biāo)準(zhǔn)方差( S) 和相關(guān)系數(shù)( R) 評(píng)價(jià)。目前,采用的絕熱溫升表達(dá)式有以下幾種[3 ] :
T( t) = T0 (1 - e- at )
T( t) = T0 tP( a + t)
T( t) = T0 [1 - exp ( - a- tb) ]
式中t 為齡期; T0 為最終絕熱溫升; a、b 等為常數(shù)。
3 試驗(yàn)方法及設(shè)備
參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SLP352 - 2006) ,在絕熱條件下,測(cè)定混凝土膠凝材料(包括水泥、摻和料等) 在水化過(guò)程中的溫度變化及最高溫升值。使用長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院生產(chǎn)的JR - 2 型混凝土絕熱溫升測(cè)定儀,溫度顯示精度小于0. 1 ℃,溫度的最小分辨率為0. 05 ℃,試件尺寸為ª38 cm ×42 cm ×40cm;同時(shí)借助自主開(kāi)發(fā)的數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng),既可讀取溫度,同時(shí)記錄相應(yīng)的絕熱溫升過(guò)程曲線。
4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
4. 1 原材料
4. 1. 1 水泥
采用虎山P. O42. 5 級(jí)水泥,性能指標(biāo)符合GB175 - 1999 標(biāo)準(zhǔn)要求,化學(xué)全分析見(jiàn)表1。
4. 1. 2 礦渣
采用上海寶田公司的S95 級(jí)磨細(xì)礦渣粉,其化學(xué)成分見(jiàn)表2。按照《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》(GBPT 18736 - 2002)進(jìn)行膠砂試驗(yàn),其28 d 活性指數(shù)為108. 2 % ,滿(mǎn)足I 級(jí)磨細(xì)礦渣技術(shù)要求。質(zhì)量系數(shù)K = ( QCaO + QMgO + QAl2O3)P( QSiO2+ QMnO+ QTiO2) = 1. 80 > 1. 2 ;堿度系數(shù)Mo = ( QCaO + QMgO)P( QSiO2+QTiO2) = 1. 37 > 1. 0 ,為堿性礦渣;活度系數(shù)Mn = QAl2O3PQSiO2= 0. 467 > 0. 12。
4. 1. 3 配合比設(shè)計(jì)
配合比詳見(jiàn)表3。
4. 2 結(jié)果與分析
使用JR - 2 型混凝土絕熱溫升測(cè)定儀對(duì)普通混凝土和C40二級(jí)配和C30 三級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土的絕熱溫升值進(jìn)行了研究(配合比詳見(jiàn)表3) ,入模溫度均控制在20 ℃左右,試驗(yàn)結(jié)果如下。
4. 2. 1 48 h 內(nèi)絕熱溫升
利用絕熱溫升來(lái)研究混凝土的早期放熱規(guī)律,對(duì)大體積混凝土的早期防裂措施有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。普通混凝土和C40 二級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土的膠凝材料用量同為440kgPm3 ;C30 三級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土的膠凝材料用量為298 kgPm3 。48 h 內(nèi)絕熱溫升曲線見(jiàn)圖1。
由圖1 可見(jiàn),10 h 內(nèi),混凝土基本不升溫。48 h 內(nèi),普通混凝土的放熱速度最快,溫升值最高,溫升值達(dá)到了40 ℃左右,而同膠凝材料用量的C40 二級(jí)配大摻量礦渣的溫升值為35 ℃,可見(jiàn),礦渣的摻入能有效降低混凝土的早期放熱速度和放熱量。同樣,膠凝材料用量的降低,顯著降低了混凝土的溫升值,C30三級(jí)配高性能混凝土48 h 后的溫升值在20 ℃左右,僅為普通混凝土的一半。
4. 2. 2 42 d 內(nèi)絕熱溫升
為了全面了解混凝土的放熱規(guī)律,對(duì)混凝土的絕熱溫升值進(jìn)行了較長(zhǎng)齡期的測(cè)試,由于混凝土的放熱規(guī)律和儀器精度的限制,只進(jìn)行了42 d 測(cè)試,但已足以說(shuō)明問(wèn)題,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。
由圖2 可見(jiàn),普通混凝土水化3 d 后,絕熱溫升值開(kāi)始了緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng),由于儀器本身測(cè)溫范圍的限制,只進(jìn)行了14 d 齡期,絕熱溫升值7 d 達(dá)到了52. 3 ℃,14 d 達(dá)到了56 ℃;C40 二級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土早期水化放熱相對(duì)較緩,水化7 d 后絕熱溫升值才開(kāi)始緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng),絕熱溫升值7 d 達(dá)到46. 2 ℃,較普通混凝土降低了11. 7 % ,14 d 達(dá)到49. 1 ℃,較普通混凝土降低了12. 3 % ,28 d 達(dá)到51. 5 ℃,42 d 達(dá)到52. 7 ℃;C30 三級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土水化7 d 后也出現(xiàn)了同樣的規(guī)律,絕熱溫升值7、14、28、42 d 分別達(dá)到27. 4、30. 0、32. 2 ℃和32. 5 ℃,較C40 二級(jí)配混凝土在不同齡期降低了40. 7 %、38. 9 %、37. 5 %和38. 3 %。
由以上分析可以看出,高性能混凝土由于摻入了大量的礦渣,其絕熱溫升規(guī)律不同于普通混凝土,其水化反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),早期水化放熱較少,這對(duì)大體積混凝土抗裂和溫控都是有利的。
5 回歸模型分析
應(yīng)用剩余標(biāo)準(zhǔn)方差( S) 和相關(guān)系數(shù)( R) 評(píng)價(jià)了雙曲線、指數(shù)、時(shí)間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型在混凝土絕熱溫升中的反演精度。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。
由表3 可知,不論對(duì)普通混凝土,還是C40 二級(jí)配、C30 三級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土,相對(duì)于雙曲線和指數(shù)回歸模型而言,應(yīng)用時(shí)間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型相關(guān)性最好,剩余標(biāo)準(zhǔn)方差最小,提高了對(duì)溫度的反演精度。
為了更直觀地描述時(shí)間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型在混凝土絕熱溫升值反演中的優(yōu)越性,本文以C40 二級(jí)配大摻量礦渣高性能混凝土為例,回歸結(jié)果如圖3 所示。
由圖3 可見(jiàn),時(shí)間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型在混凝土溫升前期與原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的重合性非常好。一般而言,混凝土的絕熱溫升值在前7 d 升高最快,7 d 后開(kāi)始進(jìn)入溫度緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng)階段,因此,回歸模型對(duì)這段時(shí)間內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反演精度很關(guān)鍵。
6 結(jié)論
利用絕熱溫升來(lái)研究混凝土的早期放熱規(guī)律,對(duì)大體積混凝土的早期防裂措施有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。由于摻入了大量的礦渣,其絕熱溫升規(guī)律不同于普通混凝土,其水化反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),早期水化放熱較少;同膠凝材料的條件下,礦渣的大量加入,降低了混凝土的早期放熱速率和最終絕熱溫升值;相對(duì)于以往雙曲線、指數(shù)回歸模型而言,時(shí)間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型的應(yīng)用,能提高對(duì)混凝土絕熱溫升的反演和預(yù)測(cè)精度。
參考文獻(xiàn):
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