堆石混凝土絕熱溫升影響因素分析

羅 鍵，曾 旭

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 概述

堆石混凝土是由高自密實混凝土與堆石組成的新型復合筑壩材料，研究堆石混凝土絕熱溫升旨在排除外界影響的因素下，探求自密實混凝土水化熱量級及影響溫升的因素，從而通過設計和施工優化，達到減小堆石混凝土絕熱溫升的目的。本文根據文獻[3]中堆石混凝土絕熱溫升經驗公式，結合遵義市堆石混凝土壩建設情況，選取了9個已建項目進行溫度監測成果資料收集與分析。各工程特性參數及工程特點見表1。

表1 各工程特性參數及工程特點

2 絕熱溫升計算方法

根據SL 282—2018《混凝土拱壩設計規范》，混凝土絕熱溫升公式簡化為：

θ(τ)=θ0×(1-e-mτ)

(1)

根據文獻[3]利用最小二乘法擬合出的自密實混凝土絕熱溫升指數公式(2)—(3)，結合堆石混凝土特性，進一步推導出了堆石混凝土絕熱溫升公式如下：

θSCC=3441×(1-e-00339τ)

(2)

θSCC=292×(1-e-0442τ)

(3)

(4)

式中，θRFC—堆石混凝土絕熱溫升值，℃；θscc—自密實混凝土絕熱溫升值，℃；τ—自密實混凝土澆筑后時間，h；τ′—自密實混凝土澆筑后時間，d；Vrock—堆石體積，m3；Vscc—自密實混凝土體積，m3；ρrock—堆石容重，kg/m3；ρscc—自密實混凝土容重，kg/m3；Crock—堆石比熱容，KJ/(kg·℃)；Cscc—自密實混凝土比熱容，KJ/(kg·℃)。

結合實際工程，為便于探求最大絕熱溫升出現具體天數，本文自密實混凝土絕熱溫升分析采用公式(3)。

3 參數取值與計算結果

由于堆石混凝土為自密實混凝土和塊石組成的復合材料，堆石率和密度各工程均有統計，根據公式(4)求出自密實混凝土與塊石的比熱容，則可以推導出堆石混凝土絕熱溫升的經驗公式。

其中，自密實混凝土的導熱系數和比熱容是根據表2—3中各種材料參數按質量權重計算得出，具體計算成果見表4。

表2 各工程自密實混凝土配合比統計表 單位：kg/m3

表3 材料比熱容取值表 單位：KJ/(kg·℃)

表4 自密實混凝土及塊石比熱容計算成果

根據表4可知，雖然各項目自密實混凝土配合比存在一定差異，但自密實混凝土比熱容總體變化不大，Cscc=0.976±0.022(均值±標準差)。

將計算成果代入，得到相關參數和理論絕熱溫升最大值，見表5。

表5 堆石混凝土絕熱溫升相關參數計算結果

4 堆石混凝土絕熱溫升分析

4.1 堆石混凝土絕熱溫升最大值及出現時間

根據堆石混凝土指數計算公式和前述計算結果可知，選取的9個工程計算最大絕熱溫升范圍為13.4～15.5℃。同時在絕熱條件下，達到最大溫升所需時間約為20d。

4.2 堆石混凝土絕熱溫升值影響因素

4.2.1堆石率

選取堆石巖性(灰巖)相同的8個工程(除沙千水庫外)，通過繪制堆石率-堆石混凝土最大絕熱溫升線性回歸方程(圖1，相關系數為0.905)可知，適當提高堆石率以減少自密實混凝土用量有利于降低堆石混凝土最大絕熱溫升。

4.2.2水膠比

選取堆石率、粉煤灰摻量、堆石巖性相近的3個工程研究自密實混凝土比熱容對堆石混凝土最大絕熱溫升的影響，見表6。

表6 水膠比對堆石混凝土最大絕熱溫升的影響工程案例

通過繪制水膠比-堆石混凝土最大絕熱溫升線性回歸方程(圖2，相關系數為0.996)可知，在堆石率、粉煤灰摻量、堆石巖性相近的前提下，降低水膠比有利于降低堆石混凝土最大絕熱溫升。

4.2.3自密實混凝土比熱容

相同巖性的堆石比熱容接近，故選取了堆石率、水膠比、堆石巖性相近的3個工程研究自密實混凝土比熱容對堆石混凝土最大絕熱溫升的影響，見表7。

表7 自密實混凝土比熱容對堆石混凝土最大絕熱溫升的影響工程案例

通過繪制自密實混凝土比熱容-堆石混凝土最大絕熱溫升線性回歸方程(圖3，相關系數為0.997)，并結合堆石混凝土絕熱溫升計算公式相關參數β取值可知，在堆石率、堆石巖性相近的前提下，β的大小取決于自密實混凝土比熱容Cscc，Cscc越大，對應的β越大，從而堆石混凝土絕熱溫升越大。故較小的自密實混凝土比熱容有利于降低堆石混凝土最大絕熱溫升。

而根據表3各原材料比熱容取值可知，減小用水量和膠凝材料用量可以一定程度減小自密實混凝土比熱容，從而達到降低堆石混凝土絕熱溫升的目的。

4.2.4塊石熱力學性質

本文加入了沙千水庫(石英砂巖作為堆石料和混凝土粗骨料)進行對比分析，主要研究堆石巖性不同對堆石混凝土最大絕熱溫升的影響。根據上述原則，選取了堆石率相同的4個工程進行對比分析，見表8。

表8 塊石熱力學性質對堆石混凝土最大絕熱溫升的影響工程案例

通過繪制如圖4所示的堆石巖性-堆石混凝土最大絕熱溫升柱狀圖，可知，較小比熱容的堆石，吸熱效果越小，對應的堆石混凝土絕熱溫升越大。

4.3 堆石混凝土絕熱溫升與實測值對比

各項目堆石混凝土實測最大溫升為9.2～13.1℃，總體較計算堆石混凝土最大絕熱溫升低2～5℃。同時受外部環境影響，實測堆石混凝土最大溫升多集中在3～10d，見表9。

表9 堆石混凝土絕熱溫升與實測值對比表

4.4 堆石混凝土絕熱溫升與常態及碾壓混凝土對比

如圖5所示，通過對比堆石混凝土與常態混凝土和碾壓混凝土最大絕熱溫升，發現堆石混凝土由于水泥用量較少且堆石存在一定吸熱作用，故絕熱溫升相對較低，體現了堆石混凝土作為一種新型復合型筑壩材料在溫控方面的優勢。

5 結語

(1)通過對堆石混凝土絕熱溫升的研究，發現“增加堆石率、降低自密實混凝土水膠比、減小用水量和膠凝材料用量、采用比熱容較大的堆石”是降低堆石混凝土絕熱溫升的有效措施。

(2)通過理論計算得到各工程堆石混凝土絕熱溫升趨于13.4～15.5℃之間，較實測最大溫升高約2～5℃。對比常態混凝土和碾壓混凝土，堆石混凝土絕熱溫升明顯小于前二者，體現了其在溫控方面的優勢，同時也為堆石混凝土壩簡化溫控措施、不分縫或少分縫提供了理論依據。

(3)由于采用控制單一變量研究各項影響因素，從而使得樣本數量不足，后續還需進一步完善。