呂寅-低溫升抗裂大體積混凝土研究與應用

1、PAGE 低溫升抗裂大體積混凝土研究與應用 呂寅 武漢理工大學80 （申請工學碩士學位論文） 低溫升抗裂大體積混凝土 研究與應用培養(yǎng)單位：材料科學與工程學院 學科專業(yè)：建筑材料與工程 研究生：呂寅 指導教師：胡曙光 教授丁慶軍 教授 2012年5月PAGE 獨 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽 名：

2、日 期： 學位論文使用授權書本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權經(jīng)武漢理工大學認可的國家有關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息服務。（保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定）研究生（簽名）： 導師（簽名）： 日期：分類號 學校代碼 10497 UDC 學 號 104972090339 學位論文題 目 低溫升抗裂大體積混凝土研究與應用 英 文 Re

3、search and application of low temperature rising 題 目 and anti-cracking mass concrete 研究生姓名 呂 寅 指導教師 姓名 胡曙光 職稱 教授 學位 博士 姓名 丁慶軍 職稱 教授 學位 博士 單位名稱 材料學院 郵編 430070 申請學位級別 碩 士 學科專業(yè)名稱 建筑材料與工程 論文提交日期 2012年5月 論文答辯日期 2012年6月 學位授予單位 武漢理工大學 學位授予日期 答辯委員會主席 評閱人 2012年5月 PAGE 87摘 要廣泛應用于我國橋梁工程建設中的大體積混凝土結構，常會發(fā)生因溫度應力控制

4、不當而引發(fā)結構開裂的狀況。目前施工過程中為避免溫度裂縫的產(chǎn)生，主要采取在混凝土中預埋冷卻水管的降溫措施，然而此種方式不僅增加了施工難度及成本，而且預埋冷卻水管處常出現(xiàn)壓漿不密實的情況，使有害離子更易侵入混凝土內部，影響結構服役壽命。所以探索出一種取消冷卻水管，并且提高結構抗裂性能和減少工程造價的大體積混凝土設計方法勢在必行。本文依托廣東省交通廳項目“橋梁大體積混凝土施工模糊控制技術”，設計出“低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計與大體積混凝土梯度結構優(yōu)化設計”的大體積混凝土綜合抗裂措施，以解決工程實際中廣泛存在的大體積混凝土開裂問題，具體進行了以下研究工作。研究了入模溫度（15、25、35）對大體

5、積混凝土絕熱溫升的影響，探明了膠凝材料中礦物摻合料種類、摻量及入模溫度對膠凝材料體系水化放熱量和放熱速率的影響，提出了利用礦物摻合料放熱取代系數(shù)（Nt）來表征在不同水泥摻量條件下，單位質量礦物摻合料的相對于水泥的水化放熱量。同時考慮入模溫度的影響，對大體積混凝土規(guī)范中膠凝材料放熱量的計算公式進行了修正，為在相關缺乏試驗條件情況下的大體積混凝土結構的絕熱溫升計算提供參考。提出低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計方法，在密實骨架堆積原理的基礎上，通過對各膠凝材料摻入比例進行優(yōu)化并復配出大體積混凝土專用緩凝減縮增韌高效減水劑，使混凝土物理力學性能得到有效保證的條件下，最大程度地降低膠材整體的水化放熱量，

6、抑制混凝土絕熱溫升。制備出適用于不同結構部位的大體積混凝土：C30C50強度等級的低溫升抗裂混凝土，物理力學性能接近普通大體積混凝土，并且在入模溫度為35時的3d水化放熱量分別減少了25.9%、21.8%和13.1%；提出了適用于結構邊部以解決開裂及磨蝕問題的高韌性抗裂大體積混凝土和抗沖磨大體積混凝土的配合比。經(jīng)耐久性能試驗，上述部位混凝土均滿足橋梁高性能混凝土的耐久性要求。提出大體積混凝土結構梯度設計方法，通過“低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計與大體積混凝土梯度結構優(yōu)化設計”的設計方案，可以實現(xiàn)最大程度抑制結構內部水化溫升的同時，增強結構邊部的抗裂性能（抗沖磨性能）。綜合采用溫升控制和增強混

7、凝土物理力學性能相結合的方式，解決橋梁工程中廣泛出現(xiàn)的大體積混凝土開裂技術難題。研究成果成功應用于嘉紹大橋、大榭二橋、中北路跨楚河橋等橋梁工程的大體積混凝土結構部位，應用效果良好，工程應用表明：利用上述方法制備的低溫升抗裂大體積混凝土有效地控制了內外溫差及溫度應力，大體積混凝土結構溫度應力均小于同齡期下混凝土的劈裂抗拉強度，無開裂現(xiàn)象產(chǎn)生。 關鍵詞：大體積混凝土，入模溫度，絕熱溫升，配合比設計，結構梯度設計 HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=摘要&tjType=sentence&style=&t=abstract AbstractThe mass c

8、oncrete structures are widely used in the construction of the bridge project, which are often leading to structural cracks because of temperature stress. Now mainly taken the cooling pipe measures to prevent temperature cracks, during the construction process. However, in this way not only increases

9、 the difficulty of construction and cost, while after grouting the cooling pipe place is still not dense, which will leading to the harmful ions easily penetrated into concrete, affecting the service life of the structure. So explore a design method of mass concrete, achieving cancel cooling water p

10、ipe, is imperative. This article rely on the Guangdong Provincial Department of Communications project Fuzzy control technology of the mass concrete construction. Integrated design of mass concrete anti-cracking measures to address large volume concrete crack problem that with the low temperature ri

11、sing and anti-cracking mass concrete mix design and gradient structure design method, this article has the following research:The influences of molding temperature (15、25、35) on the adiabatic temperature rise of mass concrete were researched in this article. Changing rules and mechanisms of the hydr

12、ation exothermic quantity and hydration exothermic rate under different influence factors, type and dosage of mineral admixtures and casting temperature, were also discussed. The exothermic replace coefficient (Nt) was proposed to characterize hydration exothermic quantity of mineral admixtures per

13、unit mass relative to that of cement. Considering the molding temperature, calculation formula of cementitious materials in mass concrete discipline was revised, which can be a good reference for adiabatic temperature rise calculation in mass concrete structures lacking experimental condition.Propos

14、ed the low temperature rising and anti-cracking mass concrete mix design method, which basis on the dense principle, through adjustment the scale of each cementitious materials and mixed the mass concrete special concrete water reducer these two kind of method that to achieve the balance of the conc

15、rete mechanical properties improvement and the adiabatic temperature rise reduce.Prepared the mass concrete that meet the need of different structural parts. For C30C50 low temperature rising and anti-cracking mass concrete, whichs mechanical properties close to normal mass concrete, but 3 day hydra

16、tion heat of concrete dropped, 18.8% and 7.7%, respectively. Proposed the mix design method of the high toughness & anti-cracking concrete and the abrasion-resistant mass concrete. The durability test shows, all those type of concrete are meeting the durability requirements of bridge high performanc

17、e concrete.Proposed the gradient design method of mass concrete structure. Through the low temperature rising and anti-cracking mass concrete mix design and gradient structure design, which achieve reduce of structure temperature and enhance the anti-cracking characteristics (abrasion-resistant char

18、acteristics) of the structure edge at the same time. Combination of those method above, which effectively solves mass concrete crack problem that widely appeared at the bridge engineering.Research results were applied successfully on the mass concrete brige structure parts of the Jiashao bridge, the

19、 second bridge of Daxie and the crossing Chu river bridge of Zhongbei Road. And all the application is successful. The engineering application practice shows that: low temperature rising and anti-cracking mass concrete made by this method controlled the inside and outside temperature difference and

20、temperature stress effectively. And the temperature stress was lower than the splitting tensile strength of concret under the same age. There was no cracking phenomenons in the above structure parts. Keywords: Mass concrete;Molding temperature;Adiabatic temperature;Mix design; Gradient structure des

21、ign 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327210582 摘 要 PAGEREF _Toc327210582 h I HYPERLINK l _Toc327210583 Abstract PAGEREF _Toc327210583 h III HYPERLINK l _Toc327210584 目 錄 PAGEREF _Toc327210584 h V HYPERLINK l _Toc327210585 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc327210585 h 1 HYPERLINK l _Toc327210586 1.1 課題研究目的及意義 P

22、AGEREF _Toc327210586 h 1 HYPERLINK l _Toc327210587 1.2 大體積混凝土目前存在的問題及研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc327210587 h 2 HYPERLINK l _Toc327210588 1.2.1 大體積混凝土目前存在的問題 PAGEREF _Toc327210588 h 2 HYPERLINK l _Toc327210589 1.2.2 大體積混凝土研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc327210589 h 3 HYPERLINK l _Toc327210590 1.3 本文研究內容 PAGEREF _Toc327210590

23、h 5 HYPERLINK l _Toc327210591 第二章 入模溫度對大體積混凝土絕熱溫升的影響 PAGEREF _Toc327210591 h 6 HYPERLINK l _Toc327210592 2.1 試驗設備及原材料 PAGEREF _Toc327210592 h 6 HYPERLINK l _Toc327210593 2.1.1 實驗設備 PAGEREF _Toc327210593 h 6 HYPERLINK l _Toc327210594 2.1.2 實驗原材料 PAGEREF _Toc327210594 h 7 HYPERLINK l _Toc327210595 2.2

24、 入模溫度對膠凝材料水化放熱特性的影響 PAGEREF _Toc327210595 h 8 HYPERLINK l _Toc327210596 2.2.1 礦物摻合料換算放熱量及放熱取代系數(shù) PAGEREF _Toc327210596 h 8 HYPERLINK l _Toc327210597 2.2.2 入模溫度對純水泥體系水化放熱特性的影響 PAGEREF _Toc327210597 h 9 HYPERLINK l _Toc327210598 2.2.3 入模溫度對水泥粉煤灰體系水化放熱特性的影響 PAGEREF _Toc327210598 h 10 HYPERLINK l _Toc327

25、210599 2.2.4 入模溫度對水泥礦粉體系水化放熱特性的影響 PAGEREF _Toc327210599 h 13 HYPERLINK l _Toc327210600 2.2.5 入模溫度對復雜膠凝材料體系水化放熱特性的影響 PAGEREF _Toc327210600 h 16 HYPERLINK l _Toc327210601 2.3 不同入模溫度下的大體積混凝土絕熱溫升計算 PAGEREF _Toc327210601 h 19 HYPERLINK l _Toc327210602 2.3.1 不同入模溫度下的放熱代系數(shù)和水化熱調整系數(shù) PAGEREF _Toc327210602 h 1

26、9 HYPERLINK l _Toc327210603 2.3.2 大體積混凝土絕熱溫升工程計算實例 PAGEREF _Toc327210603 h 21 HYPERLINK l _Toc327210604 2.4 入模溫度對膠凝材料體系水化產(chǎn)物的影響研究 PAGEREF _Toc327210604 h 24 HYPERLINK l _Toc327210605 2.4.1 不同入模溫度下水化產(chǎn)物的物相變化 PAGEREF _Toc327210605 h 24 HYPERLINK l _Toc327210606 2.4.2 不同入模溫度下水化產(chǎn)物的微觀結構特征 PAGEREF _Toc32721

27、0606 h 27 HYPERLINK l _Toc327210607 第三章 低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計 PAGEREF _Toc327210607 h 30 HYPERLINK l _Toc327210608 3.1 密實骨架大體積混凝土配合比設計 PAGEREF _Toc327210608 h 30 HYPERLINK l _Toc327210609 3.1.1 混凝土密實骨架堆積法基本設計原理 PAGEREF _Toc327210609 h 31 HYPERLINK l _Toc327210610 3.1.2 大體積混凝土密實骨架配合比設計 PAGEREF _Toc3272106

28、10 h 32 HYPERLINK l _Toc327210611 3.2 低溫升抗裂大體積混凝土配合比優(yōu)化設計 PAGEREF _Toc327210611 h 33 HYPERLINK l _Toc327210612 3.2.1 大體積混凝土膠凝材料體系優(yōu)化 PAGEREF _Toc327210612 h 33 HYPERLINK l _Toc327210613 3.2.2 大體積混凝土緩凝減縮增韌高效減水劑復配 PAGEREF _Toc327210613 h 35 HYPERLINK l _Toc327210614 3.3 適用于不同結構部位的大體積混凝土配合比設計 PAGEREF _To

29、c327210614 h 37 HYPERLINK l _Toc327210615 3.3.1 不同強度等級的低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計 PAGEREF _Toc327210615 h 38 HYPERLINK l _Toc327210616 3.3.2 高韌性抗裂大體積混凝土配合比設計 PAGEREF _Toc327210616 h 40 HYPERLINK l _Toc327210617 3.3.3 抗沖磨大體積混凝土配合比設計 PAGEREF _Toc327210617 h 41 HYPERLINK l _Toc327210618 3.4 低溫升抗裂大體積混凝土耐久性研究 PAGE

30、REF _Toc327210618 h 43 HYPERLINK l _Toc327210619 3.4.1 試驗配合比 PAGEREF _Toc327210619 h 43 HYPERLINK l _Toc327210620 3.4.2 大體積混凝土耐久性能研究 PAGEREF _Toc327210620 h 44 HYPERLINK l _Toc327210621 第四章 低溫升抗裂大體積混凝土結構優(yōu)化設計 PAGEREF _Toc327210621 h 49 HYPERLINK l _Toc327210622 4.1 大體積混凝土溫度場有限元計算原理 PAGEREF _Toc327210

31、622 h 49 HYPERLINK l _Toc327210623 4.2 低溫升抗裂大體積混凝土溫度應力場計算 PAGEREF _Toc327210623 h 51 HYPERLINK l _Toc327210624 4.2.1 大體積混凝土溫度應力場計算模型 PAGEREF _Toc327210624 h 51 HYPERLINK l _Toc327210625 4.2.2 大體積混凝土溫度應力場匹配計算 PAGEREF _Toc327210625 h 52 HYPERLINK l _Toc327210626 4.3 大體積混凝土梯度結構設計 PAGEREF _Toc327210626

32、h 53 HYPERLINK l _Toc327210627 4.3.1 塔座、塔柱抗裂梯度結構 PAGEREF _Toc327210627 h 54 HYPERLINK l _Toc327210628 4.3.2 承臺抗沖磨梯度結構 PAGEREF _Toc327210628 h 58 HYPERLINK l _Toc327210629 第五章 工程應用實例 PAGEREF _Toc327210629 h 61 HYPERLINK l _Toc327210630 5.1 嘉紹大橋低溫升抗裂大體積混凝土應用 PAGEREF _Toc327210630 h 61 HYPERLINK l _Toc

33、327210631 5.1.1 嘉紹大橋大體積混凝土施工概況 PAGEREF _Toc327210631 h 61 HYPERLINK l _Toc327210632 5.1.2 嘉紹大橋大體積混凝土配合比 PAGEREF _Toc327210632 h 61 HYPERLINK l _Toc327210633 5.1.3 嘉紹大橋承臺C30大體積混凝土應用 PAGEREF _Toc327210633 h 62 HYPERLINK l _Toc327210634 5.1.4 嘉紹大橋塔座C40大體積混凝土應用 PAGEREF _Toc327210634 h 65 HYPERLINK l _To

34、c327210635 5.1.5 嘉紹大橋塔柱C50大體積混凝土應用 PAGEREF _Toc327210635 h 68 HYPERLINK l _Toc327210636 5.1.6 嘉紹大橋工程應用效果 PAGEREF _Toc327210636 h 71 HYPERLINK l _Toc327210637 5.2 大榭二橋低溫升抗裂大體積混凝土應用 PAGEREF _Toc327210637 h 72 HYPERLINK l _Toc327210638 5.2.1 大榭二橋大體積混凝土施工概況 PAGEREF _Toc327210638 h 72 HYPERLINK l _Toc327

35、210639 5.2.2 大榭二橋大體積混凝土配合比 PAGEREF _Toc327210639 h 72 HYPERLINK l _Toc327210640 5.2.3 大榭二橋承臺C40大體積混凝土應用 PAGEREF _Toc327210640 h 73 HYPERLINK l _Toc327210641 5.2.4 大榭二橋工程應用效果 PAGEREF _Toc327210641 h 75 HYPERLINK l _Toc327210642 第六章 結論 PAGEREF _Toc327210642 h 76 HYPERLINK l _Toc327210643 參考文獻 PAGEREF

36、_Toc327210643 h 78 HYPERLINK l _Toc327210644 碩士期間發(fā)表論文及參與研究項目 PAGEREF _Toc327210644 h 82 HYPERLINK l _Toc327210645 致 謝 PAGEREF _Toc327210645 h 83武漢理工大學碩士學位論文第一章 緒 論1.1 課題研究目的及意義近年來，隨著橋梁設計及施工技術的迅猛發(fā)展，刷新大跨徑橋梁世界紀錄的大橋不斷出現(xiàn)，隨著橋梁跨度的增加，承臺、塔座等結構承載部位的設計尺寸也隨之不斷加大，橋梁設計及建造過程中對于上述大體積混凝土結構部位的質量要求亦越來越嚴格。然而大體積混凝土結構與普通

37、鋼筋混凝土結構相比，具有體形大、結構厚、混凝土單次澆筑方量多，工程條件復雜和施工技術要求高等特點1。大體積混凝土除了要滿足普通混凝土的強度、剛度、整體性和耐久性等要求之外，還必須嚴格控制溫度混凝土內表溫差，以避免產(chǎn)生溫度裂縫2。溫度裂縫的出現(xiàn)，不僅會影響結構外觀質量，還會破壞結構的整體性和耐久性能，當貫穿性的溫度裂縫產(chǎn)生時更會導致結構無法正常使用。相關研究表明，混凝土在硬化過程中，膠凝材料的水化反應會產(chǎn)生大量水化熱3，由于大體積混凝土結構截面尺寸大，而混凝土材料本身為熱的不良導體，結構內部溫度場對于外界環(huán)境的溫度變化不會發(fā)生即時的溫度波動，所以大量的熱聚集在內部無法釋放，而結構表面混凝土的散熱

38、則較快，這樣即在混凝土內部和表層則形成較大溫差，從而引發(fā)不均勻的溫度變形和溫度應力，一旦溫度變形引起的溫度拉應力超過混凝土的抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生溫度裂縫4。目前，大體積混凝土結構的施工過程中為避免溫度裂縫的產(chǎn)生，主要采取在大體積混凝土中預埋冷卻水管的降溫措施，然而此種方式不僅增加了施工難度，而且提高了工程的造價，同時預埋冷卻水管處常出現(xiàn)壓漿不密實，使有害離子更易侵入混凝土內部，引發(fā)結構內部鋼筋銹蝕。所以探索和尋求出一種可以實現(xiàn)取消冷卻水管施工，并且能兼顧提高結構抗裂性能和減少工程造價的新型橋梁大體積混凝土設計方法勢在必行5。因此，武漢理工大學和廣東省長大公路工程有限公司成立項目組，對大

39、體積混凝土結構在溫度應力作用下的開裂性能進行大量調研分析，以形成一套實現(xiàn)大體積混凝土結構取消冷卻水管施工的技術措施，以混凝土材料自身特性的設計和大體積混凝土結構的優(yōu)化設計為研究重點，簡化以往繁復的溫度控制施工工序，從而最大限度的提高工程施工效率，實現(xiàn)對我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極作用。1.2 大體積混凝土目前存在的問題及研究現(xiàn)狀1.2.1 大體積混凝土目前存在的問題（1）大體積混凝土溫度裂縫控制經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)大體積混凝土結構因溫度應力引發(fā)的早期裂縫往往在結構邊部發(fā)生6-7，澆筑初期結構整體的溫度均會隨著膠凝材料水化反應的進行而逐步升高；而當水化反應逐漸減弱時，混凝土自身放熱逐步減少，此階段大體

40、積混凝土結構外部混凝土的升溫狀況即主要受控于環(huán)境溫度，其溫度開始逐步下降，然而結構內部核心部分混凝土的熱量無法短時間消散，仍處于受熱膨脹的狀態(tài)，而邊部混凝土已經(jīng)受到環(huán)境溫度的影響開始受冷收縮，此一來處于外部的混凝土即受到了極大的拉應力作用，當同齡期混凝土自身的抗拉強度小于結構表層所產(chǎn)生的拉應力時，則導致結構邊部溫度裂縫的產(chǎn)生8-9。目前大體積混凝土工程中，為了抑制由上述原因導致的溫度裂縫，主要采取在大體積混凝土內部預埋冷卻水管的方式，通過循環(huán)冷卻水的流動帶走結構核心部位的集中熱量，以降低結構內外溫差，實現(xiàn)對溫度應力的控制。然而在實際操作工程中，由于施工單位技術水平的參差不齊，往往會出現(xiàn)因通水時

41、間和通水降溫速率控制不利而引發(fā)混凝土開裂的狀況，同時預埋冷卻水管部位常發(fā)生壓漿不密實，使有害離子更易侵入混凝土內部，引發(fā)結構內部鋼筋銹蝕，所以采取通冷卻水來控制大體積混凝土溫度裂縫的方法存在諸多弊端，急需改進。（2）入模溫度對膠凝材料水化放熱特性的影響對以往眾多工程項目大體積混凝土溫控數(shù)據(jù)進行總結后發(fā)現(xiàn)，于不同季節(jié)施工的大體積混凝土結構，由于施工期間的入模溫度差異較大，混凝土的水化放熱特性及溫度場的變化發(fā)展狀況都會產(chǎn)生明顯的差別。具體表現(xiàn)在，夏季施工的大體積混凝土結構其內部溫峰出現(xiàn)的時間早，放熱持續(xù)時間較長；而冬季施工的混凝土結構在相似的混凝土配合比條件下溫峰出現(xiàn)時間延后，絕對溫升的峰值也有削

42、減的趨勢。目前在對大體積混凝土結構的溫度應力場進行模擬計算的過程中，設計人員往往忽視了入模溫度對于結構溫度及應力發(fā)展狀況的影響，計算值與實測值差距較大，所以應在考慮入模溫度影響的基礎上，對以往的溫度場計算方式進行適當修正10。（3）服役環(huán)境對大體積混凝土使用壽命的影響我國的江河流域中含沙石量大，對于橋梁工程，其過水構筑物的在水流長期沖刷下的磨蝕損耗則是一個不可忽視的重要問題。當混凝土抗沖磨性能不良時，挾帶泥沙和碎石高速水流長期沖刷結構表面，就會造成混凝土保護層的剝落，影響結構使用壽命11。混凝土受沖磨破壞時，往往都是混凝土表層的水泥石或水泥砂漿層先受到磨蝕，產(chǎn)生嚴重的質量損失而導致破壞。而目前

43、國內的眾多橋梁工程，并未對大體積混凝土的抗沖磨性能予以考慮，以致部分工程的承臺結構出現(xiàn)了嚴重的磨蝕情況。所以為抵御水流磨蝕和含砂石水流的沖擊破壞，需要對過水流面以下部位大體積混凝土的抗沖磨性能進行考慮。1.2.2 大體積混凝土研究現(xiàn)狀隨著大型橋梁工程及水利水電工程的高速發(fā)展，大體積混凝土結構因為溫度應力控制不力，在施工過程中產(chǎn)生的一系列問題逐漸引起大家重視，對于大體積混凝土內外溫差及溫度裂縫的控制問題也引發(fā)眾多學者進行了研究工作并且取得了大量研究成果，其中：（1）大體積混凝土溫度應力計算研究HYPERLINK /Locate.ashx?ArticleId=bjgydxxb200709010&N

44、ame=楊慶生楊慶生等人通過基于瞬態(tài)溫度場和徐變應力的有限元算法，對混凝土在凝固過程中的溫度場與應力場時變規(guī)律進行了數(shù)值仿真和分析。發(fā)現(xiàn)實際大體積混凝土內部所產(chǎn)生的最高溫度，大多發(fā)生在混凝土澆筑后35天，而在澆筑7天左右混凝土內開始出現(xiàn)廣泛分布的溫度應力超強度區(qū)域，之后隨著內外溫差的逐漸趨于平穩(wěn)超強度的區(qū)域將逐漸減小，應力超強度區(qū)域大部分分布在應力集中的結構邊界處。提出調整混凝土外部保溫層，通過改善內外溫差狀況來控制應力超強區(qū)域的拉應力水平12。（2）大體積混凝土施工溫度控制研究張研等人根據(jù)某工程中大體積混凝土因受到外部約束較大而引發(fā)易開裂的特點，從而引入了考慮混凝土材料自身早期性能的熱力學模

45、型、熱傳導原理和等效時間理論，建立出相應的有限元求解方法13。在此模型基礎上對不同工況進行了有限元溫度場和應力場的仿真分析，從而得出最佳的施工方案。結果表明，采用預埋冷卻水管進行降溫的措施可有效降低內外溫差及最大溫度應力?，F(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)表明，通過數(shù)值仿真分析編制合理的施工方案對大體積混凝土的開裂控制具有指導意義14。目前大體積混凝土施工規(guī)范（GB504962009）規(guī)定：1.混凝土澆筑塊體的內外溫差不宜大于25；2.混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0/d；3.混凝土澆筑體表面溫度與大氣溫度間溫差不宜大于20。面對上述規(guī)定，施工單位常采用上述預埋冷卻水管的措施進行降溫，然而為了把混凝土內部溫度降

46、低，使內外溫差在規(guī)范范圍以內，實際操作過程中在降低冷卻水溫度的同時，亦加大了冷卻水與冷卻水管周圍混凝土之間的溫差，使得管壁周邊混凝土在短期內產(chǎn)生了較大的溫度應力。朱伯芳院士的研究指出，水管冷卻方式對混凝土內溫度應力影響極大15-16，改進后小溫差、早冷卻的冷卻方法，與傳統(tǒng)的大溫差、晚冷卻的冷卻方式相比，將混凝土與水溫之間的溫度減少到了46，從而可大幅度提高結構整體的抗裂安全度17-18。（3）大體積混凝土材料革新除了通過對傳統(tǒng)的大體積混凝土施工方法進行改進，從而改善結構整體的抗裂性能外，眾多學者也對混凝土材料本身的改善進行深入研究。HYPERLINK /Locate.ashx?ArticleI

47、d=jzclxb201003029&Name=史巍史巍等人利用相變儲能材料能夠在相變過程中吸收大量的熱量，并保持溫度相對穩(wěn)定的特點，提出了制備相變控溫儲能機敏混凝土來控制大體積混凝土溫度裂縫的技術途徑，即利用相變材料在特定溫度范圍中產(chǎn)生的相變，吸收混凝土內部的部分熱量，從而實現(xiàn)對大體積混凝土內部溫度場的有效控制，通過降低內外溫差進而減小大體積混凝土內部的溫度應力。采用石蠟作為相變材料，將石蠟作為集料采用等體積代砂法摻入，該研究測試了石蠟體系相變控溫混凝土作用下的中心溫度場分布改善狀況，測試了石蠟體系相變控溫混凝土的力學性能及耐久性能。研究結果表明：混凝土中摻入石蠟后，其抗壓強度發(fā)生降低而抗?jié)B性

48、則有所提高；摻入石蠟后，大體積混凝土內部的溫峰值減小，升溫速率以及降溫速率都有所下降19。HYPERLINK /Locate.ashx?ArticleId=tjdxxb201009015&Name=張永娟張永娟等人將有機膨潤土與癸酸復合，處理成為砂粒狀的相變砂，將其作為集料提高了相變材料與膠凝材料間的兼容性。文中探討了相變砂的細度及摻量對混凝土工作性能、力學性能及耐久性的影響。同時，采用有限元分析方法計算了相變砂對大體積混凝土溫控效果的影響。研究表明：相變砂作為集料摻入混凝土和易性較好；在相變砂對普通河砂的取代量為25%時，可以滿足坍落度和強度的要求；當相變砂摻入過多時，混凝土工作性能及力學性

49、能下降明顯，對于耐久性能則無明顯影響。通過有限元軟件對摻入相變砂后大體積混凝土的溫度場分析發(fā)現(xiàn)，混凝土內部中心溫度降低了4.5 20。高桂波研究發(fā)現(xiàn)混凝土水灰比、含氣量、粉煤灰摻量等因素的變化對混凝土的熱膨脹系數(shù)均會產(chǎn)生一定影響，而通過摻加碳纖維等功能材料對混凝土的導熱系數(shù)也會帶來改善作用。然而在常規(guī)配合比設計條件下，混凝土材料的熱膨脹特性及導熱特性的調控幅度均相當有限，并無法對大體積混凝土結構的溫度變形及溫度梯度帶來明顯的改善效果。同時，他還研發(fā)出了烷酸類相變微膠囊材料和相變導流體的制備方法，并探明了相變材料替代冷卻水管降低大體積混凝土內部溫升的可行性，即當相變材料摻量為水泥質量的10%時，

50、可實現(xiàn)混凝土內部溫升降低59%21。然而上述研究成果應用于目前的大體積混凝土施工依然存在這樣或那樣的問題，因為沒有準確地與材料本身的特性相結合，往往并不能代表真實的施工情況；由于目前各單位施工隊伍質量的參差不齊，對于冷卻水通水降溫的時機及水溫的掌控時常達不到控制要求，經(jīng)常發(fā)生局部降溫過快而引發(fā)開裂的狀況產(chǎn)生；對于相變蓄熱大體積混凝土材料的研究目前還處于起步階段，實際應用過程中還存在材料造價高、制備工藝復雜以及施工不易控制的特點，尚無法大規(guī)模進行工程應用。鑒于現(xiàn)階段我國建設工程的特點，眾多施工單位的設備裝備水平以及施工人員的技術水平有限，復雜施工工藝的引入并不適合大規(guī)模的推廣使用，所以急需從原材

51、料的優(yōu)化設計入手，開發(fā)出一種簡單易行的大體積混凝土抗裂設計技術。1.3 本文研究內容本文提出了一種”低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計與大體積混凝土梯度結構優(yōu)化設計”的設計方案，在最大程度抑制結構內部水化溫升的同時，增強結構邊部的抗裂性能（抗沖磨性能）。綜合采用溫升控制和增強混凝土物理力學性能相結合的方式，解決橋梁工程中廣泛出現(xiàn)的大體積混凝土開裂技術難題，提高橋梁工程的服役壽命。本文進行的主要研究內容有：（1）入模溫度對膠凝材料組份及膠凝材料體系水化放熱特性的影響研究及不同入模溫度下的大體積混凝土絕熱溫升計算方法修正；（2）提出低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計方法，并給出適用于不同結構部位的大體

52、積混凝土配合比；（3）提出大體積混凝土結構梯度設計方法，形成”低溫升抗裂大體積混凝土配合比設計與大體積混凝土梯度結構優(yōu)化設計”的大體積混凝土結構綜合抗裂設計方案；（4）低溫升抗裂大體積混凝土技術在實際工程中的應用效果。第二章 入模溫度對大體積混凝土絕熱溫升的影響眾多工程實踐發(fā)現(xiàn)，大體積混凝土在不同入模溫度下澆筑施工，其結構內部溫度場的狀況差異明顯。研究發(fā)現(xiàn)混凝土入模溫度越高對水化反應的促進作用愈強，膠凝材料的放熱速率和大體積混凝土結構內部的絕熱溫升也有明顯的提高，而低入模溫度則會對膠凝材料的水化放熱起到抑制作用22。大體積混凝土規(guī)范當中僅對不同種類礦物摻合料及不同摻量條件下的膠凝材料水化熱計算

53、給出相應計算公式，而公式中并未考慮入模溫度的影響23。本章綜合考慮膠凝材料中礦物摻合料種類、相對摻量及入模溫度，對不同入模溫度對大體積混凝土絕熱溫升及膠凝材料體系水化反應的影響進行深入研究，并對混凝土絕熱溫升的計算公式進行修正。2.1 試驗設備及原材料2.1.1 實驗設備（1）TAM Air型水化微量熱儀對膠凝材料體系的放熱規(guī)律研究采用的是美國TA公司生產(chǎn)的TAM Air型水化微量熱儀。該設備可對水化放熱速率及放熱量進行測定，測量精確度為20W，測試溫度范圍為5-90，可實現(xiàn)對本研究中設計入模溫度條件下膠凝材料水化放熱特性的研究。 圖2-1 TAM Air型水化微量熱儀（2）XRD采用日本Ri

54、gaku（理學）公司生產(chǎn)的D/Max-RB型X射線粉末衍射儀定性分析水化產(chǎn)物，XRD測試采用銅靶，電壓40kV，電流30mA，掃描范圍1080o，掃描速度10o/min，步長0.02o。（3）SEM采用日本電子株式會社（JEOL）生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌，儀器加速電壓為20kV。2.1.2 實驗原材料水泥：安徽“海螺”P.O 42.5R水泥，其化學成分和物理性能指標見表2-1，表2-2。表2-1 水泥的化學成分（%）成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOTiOMgOSO3Loss水泥23.735.884.0558.533.312.112.39表2-2 水泥的物理性

55、能指標細度（0.08mm篩余）凝結時間(min)抗壓強度（MPa）安定性初凝終凝3d28d2.7%18324630.548.9合格礦粉：浙江拓翔建材S95級，比表面積400m2/kg，實測比表面積為428 m2/kg。表2-3 礦粉的化學成分（%）成分SiO2Al2O3MgOCaOTiOFe2O3SO3Loss礦粉34.6210.128.7141.530.433.020.701.7表2-4 礦粉的主要性能指標燒失量細度（0.045mm方孔篩篩余）需水量比4.14.892粉煤灰：浙江長興電廠I級灰，其化學成分和主要性能指標見表2-5及表2-6。表2-5 粉煤灰的化學成分成分SiO2Al2O3Mg

56、OCaOTiOFe2O3SO3Loss粉煤灰45.7635.252.783.314.725.180.513.5表2-6 粉煤灰的主要性能指標燒失量細度（0.045mm方孔篩篩余）需水量比0.75895減水劑：浙江五龍ZWL-A-IX聚羧酸，固含量為37，減水率為28.6%。2.2 入模溫度對膠凝材料水化放熱特性的影響工程實例及相關研究表明，膠凝材料的水化放熱速率以及混凝土的絕熱溫升與混凝土施工時的入模溫度密切相關，隨著入模溫度的升高，膠凝材料的水化放熱速率、放熱量均會有不同程度的增長24。在大體積混凝土施工過程中，為了抑制水化升溫，常使用礦物摻合料超量取代水泥，本節(jié)對礦物摻合料單摻及復摻狀況下

57、的膠凝材料體系在不同入模溫度條件下的水化反應速率及放熱量進行研究25-26。在大體積混凝土的施工過程需使用大量水泥、粉煤灰和礦粉等膠凝材料，而現(xiàn)場拌合樓所用的這些膠凝材料大多情況下都是隨進隨用，所以存放在貯倉里的膠凝材料溫度常超過60，如遇大方量混凝土澆筑晝夜施工時，膠凝材料都未能經(jīng)過冷卻即進行使用，溫度高達90以上，使用如此高儲存溫度的膠凝材料拌合出來的混凝土，除了極端地區(qū)或極端天氣條件下，混凝土的入模溫度一般會高于1527，考慮到不同季節(jié)施工時，混凝土的入模溫度差異較大，故本文選取了15、25、35三個溫度段，對不同入模溫度對膠凝材料體系水化反應的影響進行研究。2.2.1 礦物摻合料換算放

58、熱量及放熱取代系數(shù)礦物摻合料水化活性不及純水泥，因此通常情況下不直接測定其水化放熱量。但礦物摻合料中的活性氧化硅、氧化鋁等會與水泥水化反應后析出的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，Ca(OH)2作為堿性激發(fā)劑，極大地促進了礦物摻合料的水化反應，而Ca(OH)2的含量與水泥摻量密切相關。因此，本文利用礦物摻合料換算放熱量及放熱取代系數(shù)分別來表征在不同水泥摻量條件下，單位質量礦物摻合料自身的水化放熱特性28。礦物摻合料換算放熱量及放熱取代系數(shù)計算公式按下式進行： (2-1) (2-2) 其中：C單位質量水泥放熱量(J/g)X礦物摻合料摻量(g)G單位質量膠材放熱量(J)Mt單位質量礦物摻合料換算放熱

59、量(J)Nt單位質量礦物摻合料放熱取代水泥系數(shù)2.2.2 入模溫度對純水泥體系水化放熱特性的影響水泥是水化反應初期最主要的反應物質，其水化初期反應速率及反應程度直接影響到其他礦物摻合料的二次水化反應29。試驗過程中固定水泥、外加劑及水的摻量，僅通過調整不同的入模溫度來研究溫度對水泥水化反應速率和放熱量的影響。 （1）試驗配合比表2-7 純水泥體系配合比水泥（%）減水劑（%）水灰比10010.35（2）不同入模溫度下水泥的放熱規(guī)律研究將上述配合比制備出的試樣放入TA，得到不同入模溫度下純水泥體系水化放熱速率，曲線反映的主要信息見下表：表2-8 純水泥體系放熱特性入模溫度3d放熱量（J/g）最大放

60、熱速率（mW/g）溫峰出現(xiàn)時間（h:min）15266.183.1812:4625315.165.3411:2135361.349.8907:37圖2-2 純水泥體系水化放熱速率曲線試驗結果表明，隨著入模溫度的升高，純水泥體系的溫峰出現(xiàn)時間大幅提前，其中35的溫峰出現(xiàn)時間較15時提前了約5h，同時最大放熱速率及放熱量也出現(xiàn)大幅提高，其中35的最大放熱速率較25和15時分別提高了185%及311%。2.2.3 入模溫度對水泥粉煤灰體系水化放熱特性的影響試驗配合比表2-9 水泥粉煤灰體系配合比編號水泥（%）粉煤灰（%）減水劑（%）水灰比FA109010 10.35FA208020 10.35FA3