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        混凝土絕熱溫升模型對(duì)膠結(jié)砂石料的適用性研究

        2021-02-26 07:20:30左保靜王文全喻紅芬曹善宇尚琦智
        水利技術(shù)監(jiān)督 2021年2期
        關(guān)鍵詞:混凝土模型

        左保靜,王文全,喻紅芬,曹善宇,甄 鋒,尚琦智,高 艷

        (1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,江蘇 南京 210024;2.南通市水利局,江蘇 南通 226000;3.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司,江蘇 淮安 223000)

        近年來(lái),隨著我國(guó)城市化速度的加快與規(guī)模的增大,土木工程建設(shè)對(duì)石料需求量增大,山區(qū)被不斷開(kāi)采,產(chǎn)生了大量廢石材料,導(dǎo)致其生態(tài)遭到不同程度的破壞。為促進(jìn)廢棄石料的處置,在其中加入少量的膠凝劑(小于140kg/m3),形成一種膠結(jié)砂石料,用于大壩、道路等建設(shè)項(xiàng)目[1-7],這樣可有效減少建筑垃圾,恢復(fù)生態(tài)。以往行業(yè)內(nèi)工程人員認(rèn)為膠結(jié)砂石料絕熱溫升比混凝土低,彈性模量小,徐變度與碾壓混凝土相當(dāng),溫度應(yīng)力較小,因此,一般在低壩中不考慮溫度應(yīng)力與溫控問(wèn)題。隨著膠結(jié)砂石壩建設(shè)規(guī)模的不斷增大,壩高不斷增加,壩體澆筑塊加大,約束加強(qiáng),快速施工時(shí)的水化熱逐漸累積,產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也頗為可觀,專門(mén)分析膠結(jié)砂石壩溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)顯得意義重大,膠結(jié)砂石料作為大壩修筑材料,有必要從材料角度探索其絕熱溫升性能。該材料實(shí)質(zhì)上可認(rèn)為是一種超貧混凝土,探索已有的混凝土絕熱溫升模型能否適用它是最為簡(jiǎn)單的。因此,文章重點(diǎn)分析了混凝土常用方程對(duì)膠結(jié)砂石料的影響,并在此基礎(chǔ)上,確定一種考慮膠凝摻量影響的膠結(jié)砂石料絕熱溫升模型。

        1 混凝土常用絕熱溫升模型

        絕熱溫升是結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)重要的熱力學(xué)參數(shù)之一,混凝土常用的絕熱溫升模型[8-11]一般包括:

        (1)指數(shù)式

        (1)

        式中,θ(t)—齡期t的絕熱溫升值,℃;θ0—最終的絕熱溫升值,℃;t—齡期,d;m—常數(shù);t0—相對(duì)齡期,d。

        (2)雙曲線式

        (2)

        式中,θ0—最終的絕熱溫升值,℃;n—常數(shù),t—齡期,d;t0—相對(duì)齡期,d。

        2 膠結(jié)砂石料絕熱溫升特性概述

        針對(duì)膠結(jié)砂石料的絕熱溫升特性,郭磊、江敏敏等人[12-13]通過(guò)完成不同膠凝摻量、初始溫度、砂率及水膠比的膠結(jié)砂石料絕熱溫升特性的試驗(yàn)研究(如圖1所示),探索了上述因素對(duì)膠結(jié)砂石料熱力學(xué)性能的影響,同時(shí)給出了同一配合比的膠結(jié)砂石料具有相同的絕熱溫升曲線特征,即隨著齡期的增加,膠結(jié)砂石料水化反應(yīng)逐漸增大,但主要集中在前5d,溫升較快,表明膠結(jié)砂石料水化速率較快,且呈逐步變緩的趨勢(shì)。

        圖1 不同膠凝摻量的膠結(jié)砂石料絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

        3 絕熱溫升模型對(duì)膠結(jié)砂石料的適用性分析

        為了探索膠結(jié)砂石料的熱力學(xué)性能,以不同膠凝摻量的膠結(jié)砂石料為例,探究絕熱溫升模型對(duì)該材料的適用性。表1給出了雙曲線式以及指數(shù)表達(dá)式對(duì)圖1中的膠凝摻量從40kg/m3到140kg/m3的膠結(jié)砂石料絕熱溫升擬合結(jié)果[13]。從圖1中可以看出:指數(shù)式擬合結(jié)果誤差較大,與之相比,利用雙曲線式模型計(jì)算出的不同膠凝摻量的膠結(jié)砂石料絕熱溫升計(jì)算值與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。因此,膠結(jié)砂石壩在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),筆者認(rèn)為雙曲線型的絕熱溫升表達(dá)式更適合膠結(jié)砂石料。

        表1 不同膠凝摻量的絕熱溫升表達(dá)式

        為了更加深入理解雙曲線型的絕熱溫升表達(dá)式,以及不同膠凝摻量對(duì)該式的影響。圖2、圖3分別給出了雙曲型表達(dá)式參數(shù)θ0、n與膠凝摻量之間的關(guān)系。從圖2可看出,隨著膠凝摻量的增加,膠結(jié)砂石料的絕熱溫升終值增大,江敏敏等人[13]用線性關(guān)系式表示絕熱溫升終值與膠凝摻量的關(guān)系,然而當(dāng)膠凝摻量為0時(shí),其絕熱溫升終值不為0,這與實(shí)際情況存在較大差異。在考慮這一因素的影響下,筆者嘗試用常數(shù)項(xiàng)為0的二次函數(shù)表達(dá)式對(duì)該關(guān)系式進(jìn)行擬合,即

        圖2 絕熱溫升終值與膠凝摻量的關(guān)系

        (3)

        式中,a、b—擬合參數(shù),分別取0.0006,0.1073;C0—參考摻量,此處取1kg/m3。

        從圖3可看出,隨著膠凝摻量的增加,參數(shù)n呈線性增大,可直接由下式表示:

        圖3 材料參數(shù)n與膠凝摻量的關(guān)系

        (4)

        式中,c、d—擬合參數(shù),分別取0.0096和2.041。

        綜上可知,考慮膠凝摻量影響的絕熱溫升模型可表示為

        (5)

        為了驗(yàn)證上述公式的合理性,以膠凝摻量為80kg/m3的膠結(jié)砂石料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)膠凝摻量為80kg/m3時(shí),上式可寫(xiě)成

        (6)

        圖4給出了膠凝摻量為80kg/m3的膠結(jié)砂石料絕熱溫升試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,由此可看出,膠結(jié)砂石料絕熱溫升模型得出的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,表明式(6)適用于膠結(jié)砂石料絕熱溫升性能的模擬。

        圖4 膠凝摻量80kg/m3的絕熱溫升實(shí)測(cè)值及擬合值

        4 結(jié)論

        文章在分析混凝土絕熱溫升模型對(duì)膠結(jié)砂石料適用性研究的基礎(chǔ)上,得到了以下主要結(jié)論:

        (1)分別采用指數(shù)式與雙曲線式的絕熱溫升模型探究膠結(jié)砂石料的適用性,揭示了雙曲線式更適合反映該材料絕熱溫升特性。

        (2)分別定量揭示了雙曲線式中絕熱溫升終值以及材料參數(shù)n與膠凝摻量的關(guān)系,建立了一種考慮膠凝摻量影響的新絕熱溫升模型。

        (3)對(duì)膠凝摻量為80kg/m3的膠結(jié)砂石料試驗(yàn)結(jié)果與新模型相應(yīng)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了新模型的合理性。

        上述研究成果有助于揭示膠結(jié)砂礫石料的絕熱溫升性能,可為今后的膠結(jié)砂石壩溫度應(yīng)力計(jì)算提供必要的理論基礎(chǔ)。

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