混凝土绝热温升模型对胶结砂石料的适用性研究

左保静，王文全，喻红芬，曹善宇，甄 锋，尚琦智，高 艳

(1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210024；2.南通市水利局，江苏 南通 226000；3.江苏淮阴水利建设有限公司，江苏 淮安 223000)

近年来，随着我国城市化速度的加快与规模的增大，土木工程建设对石料需求量增大，山区被不断开采，产生了大量废石材料，导致其生态遭到不同程度的破坏。为促进废弃石料的处置，在其中加入少量的胶凝剂(小于140kg/m3)，形成一种胶结砂石料，用于大坝、道路等建设项目[1-7]，这样可有效减少建筑垃圾，恢复生态。以往行业内工程人员认为胶结砂石料绝热温升比混凝土低，弹性模量小，徐变度与碾压混凝土相当，温度应力较小，因此，一般在低坝中不考虑温度应力与温控问题。随着胶结砂石坝建设规模的不断增大，坝高不断增加，坝体浇筑块加大，约束加强，快速施工时的水化热逐渐累积，产生的温度应力也颇为可观，专门分析胶结砂石坝温度场、应力场显得意义重大，胶结砂石料作为大坝修筑材料，有必要从材料角度探索其绝热温升性能。该材料实质上可认为是一种超贫混凝土，探索已有的混凝土绝热温升模型能否适用它是最为简单的。因此，文章重点分析了混凝土常用方程对胶结砂石料的影响，并在此基础上，确定一种考虑胶凝掺量影响的胶结砂石料绝热温升模型。

1 混凝土常用绝热温升模型

绝热温升是结构温度场仿真计算时重要的热力学参数之一，混凝土常用的绝热温升模型[8-11]一般包括：

(1)指数式

(1)

式中，θ(t)—龄期t的绝热温升值，℃；θ0—最终的绝热温升值，℃；t—龄期，d；m—常数；t0—相对龄期，d。

(2)双曲线式

(2)

式中，θ0—最终的绝热温升值，℃；n—常数，t—龄期，d；t0—相对龄期，d。

2 胶结砂石料绝热温升特性概述

针对胶结砂石料的绝热温升特性，郭磊、江敏敏等人[12-13]通过完成不同胶凝掺量、初始温度、砂率及水胶比的胶结砂石料绝热温升特性的试验研究(如图1所示)，探索了上述因素对胶结砂石料热力学性能的影响，同时给出了同一配合比的胶结砂石料具有相同的绝热温升曲线特征，即随着龄期的增加，胶结砂石料水化反应逐渐增大，但主要集中在前5d，温升较快，表明胶结砂石料水化速率较快，且呈逐步变缓的趋势。

图1 不同胶凝掺量的胶结砂石料绝热温升试验结果

3 绝热温升模型对胶结砂石料的适用性分析

为了探索胶结砂石料的热力学性能，以不同胶凝掺量的胶结砂石料为例，探究绝热温升模型对该材料的适用性。表1给出了双曲线式以及指数表达式对图1中的胶凝掺量从40kg/m3到140kg/m3的胶结砂石料绝热温升拟合结果[13]。从图1中可以看出：指数式拟合结果误差较大，与之相比，利用双曲线式模型计算出的不同胶凝掺量的胶结砂石料绝热温升计算值与相应的试验结果基本吻合。因此，胶结砂石坝在进行数值模拟时，笔者认为双曲线型的绝热温升表达式更适合胶结砂石料。

表1 不同胶凝掺量的绝热温升表达式

为了更加深入理解双曲线型的绝热温升表达式，以及不同胶凝掺量对该式的影响。图2、图3分别给出了双曲型表达式参数θ0、n与胶凝掺量之间的关系。从图2可看出，随着胶凝掺量的增加，胶结砂石料的绝热温升终值增大，江敏敏等人[13]用线性关系式表示绝热温升终值与胶凝掺量的关系，然而当胶凝掺量为0时，其绝热温升终值不为0，这与实际情况存在较大差异。在考虑这一因素的影响下，笔者尝试用常数项为0的二次函数表达式对该关系式进行拟合，即

图2 绝热温升终值与胶凝掺量的关系

(3)

式中，a、b—拟合参数，分别取0.0006，0.1073；C0—参考掺量，此处取1kg/m3。

从图3可看出，随着胶凝掺量的增加，参数n呈线性增大，可直接由下式表示：

图3 材料参数n与胶凝掺量的关系

(4)

式中，c、d—拟合参数，分别取0.0096和2.041。

综上可知，考虑胶凝掺量影响的绝热温升模型可表示为

(5)

为了验证上述公式的合理性，以胶凝掺量为80kg/m3的胶结砂石料试验结果进行验证。当胶凝掺量为80kg/m3时，上式可写成

(6)

图4给出了胶凝掺量为80kg/m3的胶结砂石料绝热温升试验模拟结果，由此可看出，胶结砂石料绝热温升模型得出的计算值与试验结果吻合度较好，表明式(6)适用于胶结砂石料绝热温升性能的模拟。

图4 胶凝掺量80kg/m3的绝热温升实测值及拟合值

4 结论

文章在分析混凝土绝热温升模型对胶结砂石料适用性研究的基础上，得到了以下主要结论：

(1)分别采用指数式与双曲线式的绝热温升模型探究胶结砂石料的适用性，揭示了双曲线式更适合反映该材料绝热温升特性。

(2)分别定量揭示了双曲线式中绝热温升终值以及材料参数n与胶凝掺量的关系，建立了一种考虑胶凝掺量影响的新绝热温升模型。

(3)对胶凝掺量为80kg/m3的胶结砂石料试验结果与新模型相应计算值进行对比，验证了新模型的合理性。

上述研究成果有助于揭示胶结砂砾石料的绝热温升性能，可为今后的胶结砂石坝温度应力计算提供必要的理论基础。