混凝土立柱早期性能演變規(guī)律研究

周楊春 莊賀

中交路橋華南工程有限公司，中國·廣東 中山 528403

1 引言

混凝土出現(xiàn)硬化并產(chǎn)生一定的抗壓強度性能，得益于水泥水化反應(yīng)，因此控制好混凝土澆筑溫度和水泥水化反應(yīng)，能提高混凝土構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)性能，所以在混凝土構(gòu)造物成型過程中對其進行養(yǎng)護已變得非常重要[1]。

有實驗研究發(fā)現(xiàn)，快硬硅酸鹽水泥的最佳養(yǎng)護溫度需控制在4℃左右，普通硅酸鹽水泥則需控制在13℃左右[2]。

水泥的水化會導(dǎo)致較高的混凝土溫度以及內(nèi)外表面之間的較大溫差。由于溫度梯度引起的拉伸應(yīng)力升高，增加了開裂的可能性[3-4]。

早期混凝土中的應(yīng)力變化是一個復(fù)雜的過程，不僅取決于熱梯度，還取決于其他因素，包括彈性模量，熱膨脹系數(shù)（CTE），收縮和蠕變以及混凝土中的約束條件等[5-6]，其計算表達式如（1）：

式中：σ 為應(yīng)力；Kc為約束系數(shù)；Eeff為考慮蠕變行為的有效彈性模量；ΔT 表示溫差。

公式表明，在約束系數(shù)Kc、考慮蠕變行為的有效彈性模量Eeff和熱膨脹系數(shù)CTE 一定的情況下，混凝土的應(yīng)力變化σ 與溫差即絕熱溫升呈線性密切相關(guān)。

2 絕熱溫升計算

混凝土在水化過程中，水化熱量取決于混凝土的澆筑溫度。較高的溫度加快了膠凝材料水合反應(yīng)的速度[7]。有相關(guān)文獻指出，水泥的水化度與釋放的熱量成正比，如方程式（2）所示：

式中：a(t)為水化度，H(t)為水泥釋放的累積熱量（J / g），Hu是根據(jù)水泥的膠凝特性計算的可用于反應(yīng)的總熱量（J / g），可由公式（3）和（4）得出：

式中：Hc為水泥的總水化熱（J/g）； pc為膠凝材料中水泥的百分比；pF為膠凝材料中粉煤灰的百分比； pFC為粉煤灰中氧化鈣的百分比；ps為膠凝材料中礦渣的百分比； Psf表示膠凝材料中硅粉的百分比；px表示水泥中x 成分的百分比（分別為C3S、C2S、C3A、C4AF、SO3、CaO、MgO）。

通過擬合公式（3）（4）的計算化累積熱量，最后得到下式：

式中：ms為混凝土試樣的質(zhì)量；mcm為樣品中膠凝材料的質(zhì)量；T(t)表示理論計算絕熱溫升。

3 實驗測試

3.1 依托工程

中國佛山地鐵2 號線林岳車輛段TOD 綜合開發(fā)項目為多層框架結(jié)構(gòu)，從下到上依次是架空車庫層、車輛段層、TOD 開發(fā)層等，東南側(cè)有一棟綜合樓和綜合維修中心。地下車庫層為社會車輛停車場，層高4.23m～5.43m；車輛段結(jié)構(gòu)層根據(jù)高度不同，劃分為9.5m 和13.5m 兩個區(qū)域，布置有軌道、試車線以及檢修主廠房、運用庫、物資總庫等17 個單體結(jié)構(gòu)，主要服務(wù)于地鐵車輛的檢修、保養(yǎng)；綜合樓為18 層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度80.6m；綜合維修中心為5 層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度26m。

3.2 實驗材料

實驗主要針對項目工程現(xiàn)場的混凝土立柱進行測試實驗，如表1所示，施工現(xiàn)場混凝土立柱的混凝土配合比設(shè)計。表2和3 分別列出了水泥的化學(xué)和礦物成分組成。

表1 混凝土配合比設(shè)計（kg/m3）

表2 水泥化學(xué)成分（%）

表3 水泥的礦物組成（%）

3.3 絕熱溫升測試

首先，如圖1所示，通過有限元理論計算，得到如圖2所示的混凝土立柱絕熱溫升的規(guī)律，其初凝溫度為26.3°C，大約澆筑63h 后，絕熱溫升趨于平穩(wěn)，最大溫升約為44.4°C。

圖1 混凝土立柱60h 溫度分布

圖2 混凝土立柱絕熱溫升規(guī)律

通過在混凝土立柱中心處安裝溫度傳感器，測試實時溫度變化規(guī)律如圖3所示。圖示結(jié)果表明，截面中心的混凝土澆筑約63h 后出現(xiàn)72℃的峰值溫度，然后溫度緩慢降低，這與理論分析結(jié)果基本一致。在這個峰值之后，由于水化熱趨于穩(wěn)定，通過混凝土自身散熱，混凝土核心溫度緩慢降低。

圖3 混凝土立柱中心溫度變化規(guī)律

3.4 混凝土性能測試

施工現(xiàn)場混凝土立柱抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試結(jié)果如表4所示。測試結(jié)果顯示，混凝土性能前期變化很快，72h 的抗壓強度就已經(jīng)接近規(guī)范值的80%。28 天的性能已完全達到規(guī)范性能要求。同時也可以發(fā)現(xiàn)混凝土的早期性能與水化程度呈線性關(guān)系，這與相關(guān)文獻的研究結(jié)果一致。

表4 混凝土的抗壓強度

4 結(jié)語

混凝土在凝固成型過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，水化熱的產(chǎn)生，將導(dǎo)致混凝土構(gòu)造物溫度升高，如不及時降溫，會使混凝土構(gòu)造物產(chǎn)生熱開裂的可能性。論文通過理論計算和有限元分析，仿真得出混凝土大約澆筑63h 后水化熱產(chǎn)生將達到最高值，之后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最大溫升達到44.4°C。現(xiàn)場溫度測試結(jié)果也表明，立柱截面中心溫度在此時間也出現(xiàn)72℃的峰值，然后溫度緩慢降低，與仿真分析基本一致。最后的混凝土性能測試得出了水化程度與早期性能的關(guān)系。研究結(jié)果為混凝土構(gòu)造物養(yǎng)護時間和養(yǎng)護工藝提供了參考，為混凝土構(gòu)造物施工中采取措施以降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險和優(yōu)化施工進度具有重要意義。