C80混凝土柱流变性能及水化热模拟研究

曹 霖

上海建工建材科技集团股份有限公司 上海 200086

近年来，随着工程建设的发展，现代工程形成了大跨度、超高层、重载荷及能适应严酷环境的建筑模式，这就对混凝土结构的综合力学性能和耐久性提出了更高的要求，也为高强混凝土提供了发展契机。C80高性能混凝土在确保建筑工程施工质量的同时，能大幅度提升施工效率，此外，还能大幅度增加建筑工程的有效空间并降低工程成本。目前，国内也多有C80～C100混凝土的研究报道和零星的工程应用[1-5]，但针对C80高性能混凝土泵送性能和C80大体积混凝土温升的研究较少。

1 工程概况

徐家汇中心虹桥路地块项目位于上海市徐汇区核心地带，作为大型城市高端综合体，项目建成后将成为新的城市地标。工程建筑总面积为772 643 m2，包括T1、T2塔楼、酒店与裙房。T1塔楼总高370 m，采用“劲性钢骨混凝土框架柱＋钢框架梁＋混凝土核心筒＋腰桁架”的结构形式；T2塔楼总高220 m，采用“劲性钢骨混凝土框架柱＋钢筋混凝土梁＋混凝土核心筒”的结构形式。根据设计要求，构造柱采用C80泵送混凝土浇筑。

2 试验原材料及测试方法

2.1 原材料

水泥采用海螺PII 52.5硅酸盐水泥，粉煤灰选用优质Ⅱ级C类灰，矿粉为S95级矿粉，硅灰为埃肯公司生产的硅灰，其SiO2含量为90%。外加剂选用复合麦斯特聚羧酸高性能减水剂（ACE8308）。石子选用符合JGJ 52—2006相关要求的粒径5～20 mm精品整形石。黄砂选用符合JGJ 52—2006相关要求的级配良好、细度模数为2.7～3.0的天然中砂，含泥量≤1.0%，泥块含量≤0.5%。

本研究采用的配合比如表1所示。其中S2配合比在S1配合比的基础上调整了硅灰掺量、粗细骨料的比例和外加剂掺量，以求获得良好的工作性能。

表1 C80混凝土配合比设计

2.2 测试方法

2.2.1 工作性能与力学性能测试

混凝土的工作性能参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，主要测定扩展度、倒锥时间和T500三项指标。混凝土的力学性能参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2.2.2 流变性能测试

混凝土流变性能采用丹麦ICAR混凝土流变仪进行测试。试验中采集到的扭矩T和转速N数据需要分别转换成剪切应力τ与剪切速度γ，绘制流变曲线，然后通过数据拟合建立经验流变模型，从而自动计算宾汉姆流变参数，即屈服应力和塑性黏度。

2.2.3 混凝土测温与水化热模拟

混凝土测温系统采用“混凝土温度远程测控仪”，该系统采用全数字式方式对大体积混凝土水化热过程中的温度变化状况进行监测，及时掌握混凝土的温差波动情况。混凝土温度测点布置如图1所示。

图1 混凝土测温点布置

目前，大体积混凝土热工计算一般是按照GB 50496—2018《大体积混凝土施工规范》中一维差分法进行，但本工程浇筑的大体积C80混凝土柱最大尺寸为2.3 m×2.3 m× 5.0 m，有2个维度长度仅2.3 m，均无法近似看作绝热状态。本文采用workbench有限元软件进行混凝土水化热模拟。考虑混凝土水化温度对水化速度的影响，对混凝土水化放热曲线进行修正。根据其结构对称性，取其1/8部分进行仿真模拟研究，其三维模型与网格划分如图2所示。

图2 1/8混凝土柱建模与网格划分（混凝土柱底部为厚1 m的混凝土层）

3 试验结果与讨论

3.1 C80混凝土配合比优化设计

从C80混凝土工作性（表2）来看，配合比S1所配制的C80混凝土黏度较高、包裹性较差，表面石子裸露，有轻微的离析现象，其工作性能也不能满足工程要求。S1在经过3 h的静置后，混凝土坍落度损失严重，故未对扩展度和倒锥时间进行测试。考虑后期的高泵送要求，应适当降低外加剂掺量；此外，在保证混凝土强度的前提下，适当减少硅灰的用量可以降低混凝土的黏度，有利于保证混凝土的流动性指标。

表2 C80混凝土工作性能和抗压强度

在此基础上，配合比S2通过砂率的提高、外加剂掺量的降低和硅灰掺量的降低，使混凝土的包裹性更好，从扩展度和倒锥时间数据来看，C80混凝土的黏度得到了有效的改善。

3.2 混凝土流变性能测试

针对配合比S2，为研究C80混凝土的可泵性，本文对比研究了静置与搅拌车拌和状态下C80混凝土的经时工作性能和流变性能，结果如表3所示。

表3 静置与搅拌车拌和状态下C80混凝土的经时工作性能和流变性能

从扩展度的数值变化来看，经过2 h和3 h之后，搅拌车搅拌状态下的C80混凝土工作性损失并不明显。而静置状态下的C80混凝土经过3 h之后，工作性损失较为明显。从倒锥时间和T500时间来看，2 h后的流动性反而比初始状态更佳，这主要与外加剂的缓释作用有关，可以有效地减轻混凝土的经时损失。

对于屈服应力和塑性黏度2个流变参数而言，2 h搅拌车拌和后的混凝土仍保持初始的流变性质，而经过2 h静置或3 h拌和后，塑性黏度开始增大，说明流动性开始变差。针对搅拌车搅拌下的C80混凝土，其3 h塑性黏度为66.3 Pa·s，结合C80混凝土柱现场泵送施工（如图3所示，现场实测泵送压力为28 MPa），可见本试验设计的配合比S2能够满足高强混凝土的泵送施工需求。

图3 C80混凝土柱泵送施工

3.3 C80大体积混凝土柱水化热模拟与测温

3.3.1 胶凝材料放热曲线的建立

胶凝材料的放热曲线是进行混凝土水化热分析的前提条件，目前胶凝材料放热拟合公式有很多种，本文选取双曲线型进行拟合计算。对S2配合比所用胶凝材料进行水化热测定，结果如表4所示。

表4 水化热测试结果

通过双曲线拟合得到胶凝材料的放热曲线，并对时间t求导，可得胶凝材料的生热率为：

水泥水化温度能显著影响水泥水化速度。由于水化热的作用，浇筑前期大体积混凝土温度会迅速升高，促进水泥水化，从而加快混凝土水化放热。因此，需要考虑大体积温升对生热率的影响。在化学反应过程中，温度对反应速度的影响一般满足Arrhenus方程：

式中：k——化学反应速度；

T——绝对温度；

E——化学活化能；

R——气体常数。

根据Arrhenus方程可知，当温度分别为T1，T2，混凝土的水化速度分别为k1，k2时，则有以下公式：

同时，生热率为时间相关函数，水化速度增大相当于时间加速：

由式（1）、式（3）、式（4）可得：

令T1为293 K，T2在实际柱中各处均不相同，混凝土外层有胶合板包裹，散热较慢，选用20 ℃时放热曲线的绝热温度作为混凝土水化温度，即：

式中：W——每方混凝土胶凝材料用量；

C——混凝土比热容；

ρ ——混凝土密度；

t ——时间。

3.3.2 混凝土水化热模拟

采用workbench有限元软件对混凝土进行模拟计算，混凝土内部最高温度随时间变化曲线如图4所示。混凝土达到最高温度时的温度场如图5所示。

图4 混凝土内部最高温度 随时间变化曲线

图5 混凝土达到最高温度 时的温度场

从图4可以看出，混凝土内部温度先升高后降低，最高温度在34 h左右达到最大，最高温度为89 ℃。

3.3.3 混凝土水化热实测对比

通过对预埋测温元件的监测，可以得到混凝土的升曲线，如图6所示。

图6 C80混凝土温升监测

将各个位置垂直线上的最高温度及最高温度出现时间的模拟结果与实测结果进行对比，对比结果如表5所示。

表5 模拟结果与实测结果对比

从表5可以看出，该模拟可以较为准确地反映C80大体积混凝土柱内部温度变化趋势，为后续施工提供一定参考价值。

4 结语

1）通过降低硅灰掺量、调整砂率、降低外加剂掺量，能够配制出工作性能与力学性能良好的C80高性能混凝土。

2）搅拌状态下的C80混凝土3 h扩展度与倒锥时间经时损失较小，塑性黏度为66.3 Pa·s，能够顺利进行泵送施工，为长距离的高强混凝土泵送浇筑提供了一定的参考价值。

3）基于workbench有限元软件对C80大体积混凝土温升模拟与现场温度监测进行对比，证明本试验所提出的计算方法能够准确地模拟出大体积混凝土内部温度的发展。