高性能混凝土在新疆地区的温度控制分析

范骁宇

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830001)

伴随着西北大开发和一带一路的进行，新疆地区各种大型工程建设正在如火如荼的进行中。新疆地区由于其特殊的地理环境，昼夜温差大，四季最高和最低温差大的特点，对于新疆地区的工程建设带来了巨大的挑战。目前，混凝土是全世界使用的最多的建筑材料，根据建筑工程所处的环境不同，使用的混凝土的等级也有所不同。随着混凝土技术的高速发展，高性能混凝土越来越成为恶劣环境下建筑材料的首先选择。然而由于混凝土其独特的特性，在结构承受高温时，高性能混凝土会出现破裂等破坏现象，进而导致结构出现失稳、倒塌等工程灾害[1]。目前国内外一些学者已经开始对高性能混凝土高温下的特性进行研究，并取得了一定的成果。张桥[1]通过试验和模拟的手段对高温作用前后，高性能混凝土的力学特性、温度场等进行了研究。YF Houst[2]等学者对混凝土板在高温下的混凝土的收缩性能进行了研究，通过物理试验和数值模拟的方法对混凝土的收缩率进行了一定的研究。曲平[3]对各种复杂环境下，混凝土施工的温度控制进行了研究。过镇海和吴波[4- 5]等学者对混凝土板结构和钢筋混凝土的抗火性和进行了试验研究。王宗海和辛帅[6- 7]研究了冬季水利施工混凝土的掩护方法对其性能的影响。

本文基于ABAQUS对新疆地区高性能混凝土进行模拟，揭示其升温机制。通过物理试验研究高温对高性能混凝土强度的影响，为预防高温情况下混凝土结构失稳机理提供一定帮助。

1 高性能混凝土热应力数值模拟

1.1 数值模型

采用ABAQUS有限元计算软件模拟高温下混凝土内部热应力的传递情况，模型尺寸为50cm×50cm×12cm，划分为20×20×6个网格，模型如图1所示。混凝土质量密度设置为2400kg/m3，初始温度取14℃，对流换热系数为1500W/(m2·℃)，综合辐射系数为0.5W/(m2·℃)，对流换热系数值540W/(m2·℃)，将绝热面的绝对零度设置为-273℃，斯蒂芬-玻耳兹曼常数设置为3.402E- 6。

图1 数值模型

1.2 数值模拟结果

通过ABAQUS软件模拟得出的计算结果如图2所示，分别为0、60、120、140min时刻的温度场云图。

图2 不同时刻温度场结果

如图2所示，随着时间的增大，混凝土所承受的温度不断增大，在混凝土的厚度方向呈现出明显的温度梯度现象，这是由于混凝土板单向受热的原因，受热面温度升高较快，而非受热面主要依靠热传导传递温度，因此非受热面温度升高较慢。通过分析图2温度场结果发现，受热面中心温度高于四角温度，随时间由混凝土板中心向四周逐渐扩散，这是由于混凝土板非受热面与空气热交换造成的。由温度场云纹图所示，0min时温度为0°，60min温度为460℃左右，120min时温度为720℃左右，140min时温度为790℃左右。

图3 随时间变化混凝土板内各点温度模拟值

混凝土板内距离受热面距离分别为20m、50mm和70mm随时间变化温度值如图3所示，由图3可知，距离受热面不同距离处的温度曲线斜率不同，距离受热面越近温度升高速度越快。并且在30min后，距离受热面20mm处温度急剧升高。不同受热面温度与热应变、热应变的关系曲线如图4所示。

图4 不同受热面温度与热应变、热应变的关系曲线图

由图4(a)、(b)可知，热应变和热应力随温度的升高呈现先降低后升高的趋势。由图4(a)所示，在100℃下混凝土板所受的为压应变，这是由于离受热面越近温度上升速率越大，此时混凝土受热膨胀速率越大，而远离受热面温度上升速率越慢，因此混凝土的膨胀速率越慢，因此对距离受热面更近的混凝土具有阻碍作用，因此此时承受压应变。

2 混凝土实验

试验混凝土采用C50商品混凝土，采用试验电阻炉将试块升温到不同的温度，并进行自然冷却至室温。浇筑150mm×150mm×150mm的标准立方体抗压试件，水泥∶水∶砂∶石=1∶0.5∶1.9∶3，试件养护28d。图5为不同受热温度，混凝土试件强度曲线。

如图5所示，随着受热温度的升高，试件的抗压强度不断降低，如此说明，热损伤对混凝土试件的强度影响较大。如5图所示400°以下热损伤对试件的影响较小，而400°以后热损伤对混凝土试件的抗压强度影响较大。

图5 混凝土抗压强度曲线

3 结语

(1)随时间的增大混凝土板的温度不断升高，在混凝土板侧面呈现明显的温度梯度，且受热面中心温度高于四周温度，温度由中心向四周逐渐扩散。

(2)混凝土板不同位置处热应变和热应力均是随温度升高呈现先降低后升高的趋势。早期的热应变为负值，表明此时为压应变，热应力为负值，表明此时为压应力。

(3)混凝土试件随着受热温度的升高，试件的抗压强度不断降低，如此说明，热损伤对混凝土试件的强度影响较大。如图5所示400°以下热损伤对试件的影响较小，而400°以后热损伤对混凝土试件的抗压强度影响较大。