确定超高掺量粉煤灰水工大体积混凝土温度历程曲线的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属绿色高性能水工大体积混凝土早龄期抗裂性评价的温度-应力试验所 必须的新方法。
【背景技术】
[0002] 大掺量矿物掺和料混凝土可大量节省水泥、变废为宝，减轻环境污染、降低水化热 温升和改善其性能。目前粉煤灰仍是水工大体积混凝土的主要掺和料。就国内外已建的 常态大坝混凝土坝（非碾压混凝土坝）而言，粉煤灰最高掺量为70%以内。美国大坝外部 的掺量为25%，内部则为50% ;日本最高掺量为30% ;我国三峡大坝为20% -50% ;我国 《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T5055-2007)规定其掺量不得超过55%。八、九十 年代，为提高耐久性而促进高性能混凝土的发展，进而推动粉煤灰的应用，尤以大掺量粉煤 灰混凝土（HVFC)为先。加拿大的Malhotra等于1985年开始全面系统研究HVFC的性能。 分别选取本国11种、美国8种粉煤灰。其掺量约200kg/m 3、水泥约150kg/m3(即粉煤灰掺 量约占胶凝材料总量的55~60% )，经掺用高效减水剂将水胶比降至0. 30~0. 32,所配制 的HVFC，工作度约为200mm，满足栗送施工要求。它具有优异的力学和抗氯离子渗透性、抗 冻融循环能力、耐磨蚀性等，已用于码头工程的沉箱粧、民用建筑的梁、板、柱、卫星发射台 的基础等重要工程。研究和应用HVFC意义重大。但Malhotra等人却没研究温度对其性能 的影响。从国内外现有的HVFC的研究中，尚有以下不足：⑴工程中I、II级灰应用较多，但 大量的低级灰得不到利用。（2)因水胶比居高，使粉煤灰掺量提不上去。（3)因缺乏"HVFC" 正确的试验技术和评价标准，无法精确估算温度的作用，亦限制粉煤灰掺量。目前我国大坝 混凝土仍用极限拉伸值和绝热温升或"允许温差"评价其抗裂性。防止早期热裂缝，是由测 试其绝热温升、水泥水化热等参数确定原材料和配合比，并采取预冷拌和、埋设冷水管等措 施控制内外温差，尽量降低最大温升。"允许温差"来自现场经验。而ACI207委员会建议的 "允许温差"应是和混凝土龄期、抗拉强度、弹性模量、热膨胀系数、构件约束程度等相关。大 家正探索运用现代预测早期热应力的新测试方法，替代目前以现场经验为依据的旧方法， 以解决早龄期开裂的技术难题。温度-应力试验是研究混凝土早期开裂和测试其抗裂性新 的有效方法。
[0003] 混凝土温度-应力试验有绝热、恒温和温度匹配养护（TMC)三种温度模式。以绝热 模式的混凝土成熟度为基准，控制恒温与温度匹配模式条件下试验开始降温的时间和降温 速率。研究结果表明：绝热养护模式下混凝土应力发展较快，开裂温度较高，两种混凝土的 抗裂性差别较显著；另两种模式下，两种混凝土抗裂性能相当；绝热模式高估了起始降温 点、低估了混凝土的抗裂能力，恒温模式不能体现温升产生的预压应力的影响、混凝土开裂 温度偏低，只有温度匹配模式能客观体现温度历程对实际结构物应力和开裂温度的影响。
[0004] 但超高掺粉煤灰水工大体积混凝土（简称"超高掺混凝土"）尚未运用于实际大坝 工程中，就难以用实测的大坝混凝土温度历程曲线作为温度-应力试验的温度匹配条件。 因此，用有限元仿真模拟从未有过施工先例的"超高掺混凝土"大坝的温度历程曲线至关重 要，用于温度-应力试验评价其早龄期抗裂性。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在现有技术的基础上，提出从未有过施工先例的"超尚惨混凝土"的绝热 温升模型和温度历程曲线确定的新方法。本发明方法为绿色高性能水工大体积混凝土早龄 期抗裂性评价所必须的新方法，可在水工材料和结构工程中得到广泛应用。
[0006] 本发明是这样实现的：
[0007] 本发明进行35%粉煤灰掺量的常态大坝混凝土（ "基准混凝土"）和80%粉煤灰 掺量的超高掺量粉煤灰常态大坝混凝土（ "超高掺混凝土"）的绝热温升试验、边长为1.2m 的超高掺混凝土的立方体大试块测温试验，结合采用"基准混凝土"已建成的某双曲高拱坝 A的内部点实测温度记录，提出"超高掺混凝土"的绝热温升模型，以此改进温度仿真计算程 序，从而模拟从未有过施工先例的"超高掺混凝土"大坝的温度历程曲线，用于温度-应力 试验评价其早龄期抗裂性。
[0008] 本发明采用的技术方案是：
[0009] 有限元仿真模拟超高掺量粉煤灰水工大体积混凝土温度历程曲线的方法，所述方 法包括如下步骤：
[0010] (1)选择能够代表目标工程且符合国家标准的原材料作为试验原材料，制作"基准 混凝土"试件和"超高掺混凝土"试件，分别进行两种混凝土试件的绝热温升试验；制作I. 2m 边长的"超高掺混凝土"立方体大试块，在其内部布设测温点，测试其从入模开始的早龄期 温度历程曲线；对用"基准混凝土"建造的实体大坝，埋设温度传感器测试其内部点的温度 历程曲线；
[0011] (2)混凝土的绝热温升模型在模拟大坝混凝土温度场中十分重要，确定"超高掺混 凝土"的绝热温升模型是首先要解决的问题；基于"超高掺混凝土"的绝热温升试验，提出一 种改进的适用于"超高掺混凝土"的绝热温升模型和确定其参数值，用于大坝温度场有限元 模拟；并且基于"基准混凝土"的绝热温升试验，提出一种改进的适用于"基准混凝土"的绝 热温升模型和确定其参数值，用于大坝温度场有限元模拟；
[0012] (3)基于Fortran语言编制的"温度应力仿真有限元计算程序"可仿真模拟混凝土 构件及结构的温度场和应力场，通过改进的适用于"超高掺混凝土"的绝热温升模型和改进 的适用于"基准混凝土"的绝热温升模型来改进温度场仿真计算；
[0013] (4)利用温度场仿真程序，由改进的"超高掺混凝土"的绝热温升模型，计算模拟超 高掺混凝土立方体大试块测温点的温度历程曲线，与步骤（1)实测曲线对比，结果吻合好， 说明改进绝热温升模型的适用性；对于"基准混凝土"建造的实体大坝，由温度场仿真程序 模拟出的温度历程曲线与实际大坝工程实测的温度历程曲线吻合好，证明改进的温度场仿 真程序的适用性；由此模拟出从未有过施工先例的超高掺量粉煤灰水工大体积混凝土的温 度历程曲线，用于温度-应力试验评价其早龄期抗裂性。
[0014] 本发明与现有的技术相比具有如下有益效果：
[0015] 1.模型精确。原有的普通混凝土的绝热温升计算公式不再适用于"超高掺混凝 土"，本发明提出的改进绝热温升模型及计算公式符合材料的实际情况，可提高温度场仿真 计算的精度。
[0016] 2.应用性广。本发明所提出的绝热温升模型和温度历程曲线的确定方法不仅适用 于超高掺粉煤灰常态混凝土大坝，也适用于其他超高掺粉煤灰大体积混凝土工程，只需调 整模型系数和改进相应的温度场仿真程序即可。
[0017] 3.绿色高性能。本方法是为解决超高掺混凝土的绝热温升模型及温度历程曲线 的确定，进而用于温度-应力试验评价其早龄期抗裂性，能在工程中应用尽可能高掺量的 矿物掺合料（粉煤灰等），利用工业废料，尽可能多地减少波特兰水泥用量，做到绿色环保。 另外，粉煤灰掺量越高，混凝土温升越小，对大体积混凝土结构的早龄期抗裂性和耐久性十 分有利。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明两种混凝土实测的与拟合的绝热温升曲线对比图；
[0019] 图2为本发明温度场仿真计算流程图；
[0020] 图3为本发明超高掺混凝土测温大试块有限元模型；
[0021] 图4为本发明超高掺混凝土立方体大试块模拟的和实测的温度历程曲线的对比；
[0022] 图5为本发明双曲拱坝内部点基准混凝土模拟的和实测的温度历程曲线对比图；
[0023] 图6为本发明两种混凝土的模拟的温度历程曲线。
【具体实施方式】
[0024] 以下提供本发明确定超高掺粉煤灰水工大体积混凝土绝热温升模型和温度历程 曲线新方法的【具体实施方式】的实例。
[0025] 实例：
[0026] 1. "超高掺混凝土"的试验
[0027] L 1试验原材料与配合比