摘要:對混凝土絕熱溫升的影響因素進行了較系統(tǒng)的分析,對普通混凝土、C40 二級配和C30 三級配大摻量礦渣高性能混凝土的放熱規(guī)律進行了試驗研究,并對48 h 內(nèi)混凝土的放熱規(guī)律做了細致研究,應(yīng)用剩余標(biāo)準(zhǔn)方差( S) 和相關(guān)系數(shù)( R) 評價了指數(shù)、雙曲線回歸模型在混凝土絕熱溫升中的反演精度。通過對不同混凝土絕熱溫升規(guī)律和反演結(jié)果進行了總結(jié),提出混凝土的溫升值與時間的冪函數(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)
中圖分類號: TV42 + 1. 5 文獻標(biāo)識碼: A
混凝土中水泥的水化放熱性能對混凝土結(jié)構(gòu)開裂敏感性的影響越來越受到人們的重視。美國混凝土學(xué)會認(rèn)為,任何現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),當(dāng)其尺寸達到必須解決水化熱及由此引起的體積變形問題,以便最大限度地減少其對開裂的影響時,即可稱為大體積混凝土,這些工程都要采取溫控措施[1 ] 。混凝土絕熱溫升值是進行大體積混凝土溫控設(shè)計的主要參數(shù),由于水泥水化放熱是一個漫長的過程以及現(xiàn)有測量溫度手段等諸多因素的影響,要直接測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)進行混凝土絕熱溫升模擬試驗,掌握不同類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,來預(yù)測混凝土的最終絕熱溫升值,供溫控設(shè)計參考。
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,可以通過測定混凝土的絕熱溫升來評價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、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隨之變化。通過對不同類型、配比混凝土絕熱溫升的試驗研究,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,為滿足工程抗裂需要提供試驗依據(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到的穩(wěn)定值。混凝土的最終絕熱溫升值是t →∝ 時的溫升值,常用最小二乘法擬合得到一條優(yōu)化的曲線,來表達膠凝材料溫升隨時間增長的規(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) 評價。目前,采用的絕熱溫升表達式有以下幾種[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 試驗方法及設(shè)備
參照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SLP352 - 2006) ,在絕熱條件下,測定混凝土膠凝材料(包括水泥、摻和料等) 在水化過程中的溫度變化及最高溫升值。使用長江水利委員會長江科學(xué)院生產(chǎn)的JR - 2 型混凝土絕熱溫升測定儀,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;同時借助自主開發(fā)的數(shù)字測溫系統(tǒng),既可讀取溫度,同時記錄相應(yīng)的絕熱溫升過程曲線。
4 試驗結(jié)果及分析
4. 1 原材料
4. 1. 1 水泥
采用虎山P. O42. 5 級水泥,性能指標(biāo)符合GB175 - 1999 標(biāo)準(zhǔn)要求,化學(xué)全分析見表1。
4. 1. 2 礦渣
采用上海寶田公司的S95 級磨細礦渣粉,其化學(xué)成分見表2。按照《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GBPT 18736 - 2002)進行膠砂試驗,其28 d 活性指數(shù)為108. 2 % ,滿足I 級磨細礦渣技術(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
配合比詳見表3。
4. 2 結(jié)果與分析
使用JR - 2 型混凝土絕熱溫升測定儀對普通混凝土和C40二級配和C30 三級配大摻量礦渣高性能混凝土的絕熱溫升值進行了研究(配合比詳見表3) ,入模溫度均控制在20 ℃左右,試驗結(jié)果如下。
4. 2. 1 48 h 內(nèi)絕熱溫升
利用絕熱溫升來研究混凝土的早期放熱規(guī)律,對大體積混凝土的早期防裂措施有一定的參考和實用價值。普通混凝土和C40 二級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)絕熱溫升曲線見圖1。
由圖1 可見,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,溫升值達到了40 ℃左右,而同膠凝材料用量的C40 二級配大摻量礦渣的溫升值為35 ℃,可見,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,對混凝土的絕熱溫升值進行了較長齡期的測試,由于混凝土的放熱規(guī)律和儀器精度的限制,只進行了42 d 測試,但已足以說明問題,試驗結(jié)果見圖2。
由圖2 可見,普通混凝土水化3 d 后,絕熱溫升值開始了緩慢穩(wěn)定增長,由于儀器本身測溫范圍的限制,只進行了14 d 齡期,絕熱溫升值7 d 達到了52. 3 ℃,14 d 達到了56 ℃;C40 二級配大摻量礦渣高性能混凝土早期水化放熱相對較緩,水化7 d 后絕熱溫升值才開始緩慢穩(wěn)定增長,絕熱溫升值7 d 達到46. 2 ℃,較普通混凝土降低了11. 7 % ,14 d 達到49. 1 ℃,較普通混凝土降低了12. 3 % ,28 d 達到51. 5 ℃,42 d 達到52. 7 ℃;C30 三級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 分別達到27. 4、30. 0、32. 2 ℃和32. 5 ℃,較C40 二級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)時間較長,早期水化放熱較少,這對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) 評價了雙曲線、指數(shù)、時間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型在混凝土絕熱溫升中的反演精度。評價結(jié)果見表4。
由表3 可知,不論對普通混凝土,還是C40 二級配、C30 三級配大摻量礦渣高性能混凝土,相對于雙曲線和指數(shù)回歸模型而言,應(yīng)用時間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型相關(guān)性最好,剩余標(biāo)準(zhǔn)方差最小,提高了對溫度的反演精度。
為了更直觀地描述時間的冪函數(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,時間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型在混凝土溫升前期與原始試驗數(shù)據(jù)點的重合性非常好。一般而言,混凝土的絕熱溫升值在前7 d 升高最快,7 d 后開始進入溫度緩慢穩(wěn)定增長階段,因此,回歸模型對這段時間內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)的反演精度很關(guān)鍵。
6 結(jié)論
利用絕熱溫升來研究混凝土的早期放熱規(guī)律,對大體積混凝土的早期防裂措施有一定的參考和實用價值。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)時間較長,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;相對于以往雙曲線、指數(shù)回歸模型而言,時間的冪函數(shù)雙曲線回歸模型的應(yīng)用,能提高對混凝土絕熱溫升的反演和預(yù)測精度。
參考文獻:
[1 ] 王甲春. 混凝土絕熱溫升的實驗測試與分析. 建筑材料學(xué)報,2005 ,8 (4) :446～451.
[2 ] 馬保國,張平均,許嬋娟等. 微礦粉在大體積混凝土中水化熱及抗裂分析. 武漢理工大學(xué)學(xué)報,2003 ,25(11) :19～21.
[3 ] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制. 北京:中國電力出版社,1999.
