骨料特性对混凝土温度场的影响

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发布时间：2021-09-16

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骨料特性对混凝土温度场的影响
海燕朱岳明黄灵芝
f1．陕西水环境工程勘测设计研究院陕西西安 710018；
2．河海大学水利水电学院江苏南京 210098；
3．陕西省水利宣传中心陕西西安 710004)
摘要基于考虑混凝土构造上的随机性、非均质性的细观有限元模型，模拟混凝土的绝热温升过程，研
究混凝土细观结构的温度分布，重点讨论骨料特性如品种、分布、数量、尺寸等对两者的影响。
结果表明，骨料品种对混凝土试件的宏观绝热温升过程影响明显，基于细观尺度的混凝土绝热
温升预测需考虑该影响；混凝土内部存在温度差异，其非均匀性程度与骨料特性密切相关，但该
种不均匀表现随龄期增长将逐渐消失。
关键词细观；骨料；绝热温升；温度场
中图分类号：TV42+2 文献标识码：A
混凝土的水化放热特性对混凝土结构开
裂影响越来越受到人们的重视，研究混凝土
的绝热温升是关键。混凝土材料实际上是
靠水泥砂浆把随机配置的骨料结合成非均
质复合材料，深入探讨其不连续的几何分
布特性和非均质的物理力学特性，将有助
于发展人们对混凝土变形特性及其开裂机
理的认识观。
从混凝土的细观组成看，只有水泥是放
热源，骨料则成为吸热源，绝热条件下混凝土
内部各点的温度并不相同，这与以往的宏观
认识是有区别的，可见混凝土的细观温度场
的分布规律是比较复杂的，且与骨料的存在
有着直接关系。本文从混凝土的热学性能和
细观组成出发，模拟混凝土的绝热温升过程，
研究混凝土细观结构的温度分布，重点讨论
骨料特性如品种、分布、数量、尺寸等对两者
的影响。
2混凝土细观结构的有限元模型
实现
建立能够考虑混凝土构造上的随机性、
非均质性的计算机模拟系统，是混凝土材料
细观结构研究的前提，计算模型要求骨料的
形状、尺寸以及分布都要同真实的混凝土在
统计意义上一致。笔者首先基于蒙特卡罗方
法的随机抽样原理编制了随机骨料模型的生
成程序，形成较为真实的混凝土细观结构，然
后借助商业软件ANSYS对其网格化，为进行
混凝土非线性有限元分析提供细观计算模型。
相关算例表明，按照上述方法建立的混凝土细
观结构的有限元模型是可靠的。具体可参见
文[1】，这里不再赘述。
3基于细观尺度的混凝土绝热温
升估算
基于细观尺度的混凝土绝热温升预测是
一个比较新的课题，通过建立混凝土绝热温升
与水泥水化程度关系的数学模型，在掌握混凝
土配合比和水泥水化程度曲线的情况下，就可
估计混凝土绝热温升的发展过程。笔者基于
前人建立的混凝土绝热温升与水泥水化程
度关系的数学模型开展研究，估算方法简要介
绍如下：
假定某混凝土试件质量为In，比热为c，
主要由水泥、水、骨料组成，其中水泥用量为
— ，所采用水泥品种的单位最大水化热为
q ，则水泥全部水化产生的最大热量Q 等
于n 一。绝热条件下，试件与外界无热量交
换，这些热量将全部用于混凝土自身的加热，
温度最多可升高Q,r~／Cm。实际上，混凝土中的
水泥一般难以完全水化，试件最大温升值取决
于水泥的水化程度 (t)，故混凝土的绝热温
升可表示为0(T)：lm d(T)。
4骨料对混凝土绝热温升和温度
场的影响
考虑某混凝土试件100mm×100ram
水：水泥：砂：石子(骨料，取石灰石)的重量
百分比为18：34：20：28，水泥砂浆的水化
反应过程满足0(下)= ，根据文嘲的
方法可知，骨料体积比(因本文的研究对象为
二维平面问题，这里的骨料体积比实际为骨料
面积比)为25％的混凝土绝热温升的理论值
为。(下)= 。将混凝土看作是骨料
和砂浆组成的，模拟该试件的绝热温升过程，
考虑以下两种正四边形骨料投放情形：粒径为
50mm的单个骨料，粒径为lOmm的25个骨
料，见图1。
4．1混凝土绝热温升
从图2可以看出，细观有限元数值模拟的
绝热温升过程与理论值符合较好，文I21提出的
基于细观尺度和水泥水化反应过程的有限元
模拟方法，可以预测混凝土绝热温升的大致过
程，但随着计算时间的增加，误差不断累积，计
算误差也将有所增大。如图2fa)所示，当骨料
体积比一定时，对于同种骨料，粒径由50ram
减小为10mm，数量由1个增至25个，对混凝
土试件的宏观绝热温升过程基本没有影响；如
图2(b)所示，当骨料体积比～定时，对于相同
粒径不同骨料，因各自导温系数的不同(石灰
石、花岗岩、玄武岩的导温系数分别为
0．0069mZ／h、0．O055m2fla、0．O034mZ／h)，混凝土试
件的宏观绝热温升过程也不同，对本次研究试
件而言，导温系数越小的骨料，其组成的混凝
土的绝热温升曲线越接近理论值。
4．2混凝土温度场
前面提到，由于骨料并不参与水化反应，
只有水泥是放热源，骨料则成为吸热源，绝热