摘要
为确定钢纤维页岩陶粒混凝土(SFCC)现场实际的导热系数,与桥面板施工同步制作了不同钢纤维体积分数的SFCC试件,采用热板法进行测定,校核并扩展了导热系数预测公式,并且对高温沥青摊铺时SFCC桥面板的温度场进行了实测和数值模拟.结果表明:环境湿度为67%时,SFCC的实测导热系数为0.915~1.409 W/(m·K),增加钢纤维体积分数可提高SFCC导热系数;考虑湿度和钢纤维影响后的扩展Maxwell公式预测值与实测值吻合良好;高温沥青摊铺时桥面板SFCC混凝土内的温度梯度可达20.5 ℃,超过规范日温差,采用数值模拟可有效计算桥面板温度场.
轻质混凝土从本世纪初开始在中国桥梁工程材料中得到应用.通常将传统混凝土中的骨料置换为页岩陶粒、粉煤灰陶粒和煤矸石等轻质骨料,以制备轻质混凝土.虽然其较低的容重可有效减小结构恒载,但由于韧性差、弹性模量低和强度无显著优势等原因,轻质混凝土的发展仍受到很大制
目前有关钢纤维轻质混凝土在抗压、劈裂、抗拉强度和韧性等基本力学性能方面已有很多成
本文首先在桥面施工时同步制作不同钢纤维体积分数的SFCC试件,测定其导热系数以及钢纤维的影响规律,然后校核并扩展已有的导热系数预测公式;并在桥面加密布置温度传感器,测试得到高温沥青摊铺作用下SFCC桥面板的温度场分布特征;最后对桥面板温度场进行仿真和参数分析.本研究对于完善钢纤维轻质混凝土导热性分析理论和实际应用均具有重要意义.
本文研究的背景工程为深圳前海2号桥,其结构形式为梁拱组合体系,其中主梁采用了钢主梁+SFCC桥面板的新型叠合梁结构.主梁及桥面示意图如

图1 主梁及桥面示意图
Fig.1 Main girder and deck detail (size:mm)
SFCC桥面完成80 d时,进行40 mm厚高黏度改性沥青玛蹄脂混合料(SMA‑13)铺装,出料控制温度为130 ℃,通过预埋在SFCC桥面板中的温度传感器,对高温摊铺温度场进行实测.
由于现场桥面与试件同步浇筑,因此试件混凝土的设计强度等级与桥面一致,均为LC50.在原设计配合比基础上,根据钢纤维混凝土设计规程,在0%~2.0%范围内调整钢纤维体积分数(φSF),钢纤维采用深圳恒驰远科技有限公司生产的剪切波纹型钢纤维.骨料采用湖北汇腾轻集料环保产品有限公司生产的R900级破碎页岩陶粒,粒径为5~16 mm,密度为1 900 kg/
Item | Cement | Sand | Ceramiste | Fly ash | Steel fiber | Additive | Water |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Production place | Huarun | Guangzhou | Hubei Huiteng |
Shajiao Power Plant |
Shenzhen Hengchiyuan | Shenzhen Tiandi | Shenzhen |
Specification | P·O 42.5R | Medium sand | Grade 900 | Grade Ⅱ | Shear ripple‑shaped |
High performance retarder | Tap‑water |
制备0#~4#共5组配合比试件,每组至少3个试件.其中0#试件无钢纤维掺入;2#试件采用桥面施工配合比,钢纤维体积分数为1.0%;1#、3#、4#试件配合比中钢纤维的体积分数分别为0.6%、1.4%和1.8%.具体配合比如
Specimen | Water‑cement ratio | Volume fraction/% | Sand ratio (by mass)/% | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Water | Cement | Sand | Ceramiste | Fly ash | Steel fiber | Additive | |||
0#‑1,2,3 | 0.33 | 15.0 | 14.6 | 28.0 | 34.2 | 7.7 | 0 | 0.5 | 51.89 |
1#‑1,2,3,B1,B2 | 0.33 | 15.0 | 14.6 | 28.0 | 33.6 | 7.7 | 0.6 | 0.5 | 50.54 |
2#‑1,2,3,B1 | 0.33 | 15.0 | 14.6 | 28.0 | 33.2 | 7.7 | 1.0 | 0.5 | 49.72 |
3#‑1,2,3 | 0.33 | 15.0 | 14.6 | 28.0 | 32.8 | 7.7 | 1.4 | 0.5 | 48.92 |
4#‑1,2,3 | 0.33 | 15.0 | 14.6 | 28.0 | 32.4 | 7.7 | 1.8 | 0.5 | 48.01 |
导热系数试件初始制备尺寸为300 mm×300 mm×30 mm,达到设计强度后对试件进行二次切割,控制试件接触面平整并平行,平面尺寸为190 mm×190 mm,厚度为20~21 mm,其精确值由测试仪器对试件加压后自动测量.导热系数试件如

图2 导热系数试件
Fig.2 Thermal conductivity specimen

图3 试件3#‑3的局部图
Fig.3 Partial view of specimen 3#‑3
采用湘仪仪器DPRL‑III型导热系数测试仪,按照GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》进行试验,平均测试温度(22±2) ℃.测试前观察试件中钢纤维分布,避免钢纤维贯穿或相互连接而形成热短路.导热系数和温差有一定的关系,考虑到仪器温度可控范围以及热铺沥青施工情况,并经过调试,热板和冷板的温度设定为68、34 ℃,实际测试的温度略有浮动,偏差控制在0.2 ℃以内.
混凝土温度场实测间距通常在5~10 c

图4 桥面板温度场传感器布设
Fig.4 Distribution of deck temperature sensors(size:cm)

图5 实测温度场传感器布设
Fig.5 Distribution of sensors of temperature field
各试件导热系数试验值如

图6 各试件导热系数试验值
Fig.6 Experimental value of thermal conductivity of each specimen
取SFCC实测导热系数平均值与钢纤维体积分数进行拟合分析,发现二者呈线性相关,相关系数

图7 SFCC与普通钢纤维混凝土的导热系数
Fig.7 Thermal conductivity of SFCC and general steel fiber concrete
与不含钢纤维时相比,SFCC和SFC的导热系数增长率如

图8 SFCC与SFC的导热系数增长率
Fig.8 Growth rate of thermal conductivity for SFCC and SFC
为简化计算,本文模型假设如下:(1)页岩陶粒混凝土按均一材料处理;(2)钢纤维在SFCC中均匀分布.在上述假设下,SFCC为由页岩陶粒混凝土和钢纤维组成的二相材料.本文干燥状态下页岩陶粒混凝土的导热系数为0.682 W/(m·K),约为普通混凝土导热系数的0.4~0.5倍;钢纤维的导热系数较易获得,本文所用剪切波纹型钢纤维的导热系数为36.000 W/(m·K).
工程中实际使用的混凝土为不完全干燥状态但也未达到饱和含水率,处于非饱和状态,其有效导热系数很难计算;但从试验的角度,饱和状态与干燥状态下的导热系数相对关系是稳定的.文献[
混凝土导热系数的理论计算模型包括串联模型、并联模型和Maxwell模型.其中Maxwell模型应用最为广泛,在其基础上扩展的模型有Bruggeman模型和Hasselman模型等.前3个模型将混凝土按二相均匀混合材料处理,扩展的2个模型考虑了界面热阻的影响.根据二相材料假定,本文首先采用Maxwell模型对SFCC的有效导热系数进行拟合,计算式如下:
(1) |
式中:为页岩陶粒混凝土的导热系数;为钢纤维的导热系数.
按照
(2) |
式中:钢纤维影响系数αs经试算取8.9.

图9 Maxwell公式计算值与试验值对比
Fig.9 Comparison of thermal conductivity from Maxwell equation and experimental value
采用

图10 扩展公式计算值与试验值对比
Fig.10 Comparison of thermal conductivity from extended equation and experimental value
综上,本文建议SFCC导热系数预测的简化计算步骤为:(1)页岩陶粒混凝土的导热系数(干燥状态)在不具备条件时,可通过相近配合比普通混凝土(页岩陶粒置换为普通骨料)乘以0.4~0.5的折减系数得到;(2)饱和状态下SFCC导热系数可由其干燥状态下的导热系数乘以1.5得到;(3)实际状态下SFCC的含水率可根据王卫伦
为了验证扩展公式的适用性,选取文献[

图11 模型适用性分析
Fig.11 Model feasibility analysis
桥面板温度场主要通过沿深度方向的一维温度梯度表征.约定SFCC桥面板顶面位置坐标为0 cm,坐标沿深度方向递增,桥面板厚7 cm,则SFCC桥面板底面坐标为7 cm.规范图示和已有研究均表明,钢梁导热性极佳,温度可近似为均匀分布,其数值与接触的混凝土温度相同,因此下列图表中仅示出混凝土层的温度分布.
桥梁SFCC桥面板上部的高温沥青摊铺在上午10:00完成,其实测温度场时变分布如

图12 实测温度场时变分布
Fig.12 Distribution of temperature field varying with time
将高温摊铺30 min时的温度场扣除摊铺前的温度(初始温度),即得到高温摊铺产生的温度梯度,如

图13 温度梯度对比
Fig.13 Comparison of temperature gradient
采用通用软件Abaqus对试验构件建立有限元模型.采用二维Shell单元建模,桥面板的弹性模量为2.15×1

图14 Abaqus模拟时变温度分布
Fig.14 Abaqus simulation of temperature distribution varying with time
对有限元模型温度场(见
导致计算值与实测值产生误差的主要原因是:(1)SFCC为页岩陶粒混凝土和钢纤维组成的二相材料,材料比热容大小对温度有一定影响,比热容大时桥面板内温度下降较快;比热容小时则温度下降较慢.而混凝土的比热容会随着温度的升高而增大.目前对该桥面板的比热容变化规律尚不明确,本文按恒定比热容考虑.(2)大气温度采用天气预报数据,与桥位的实际温度会有一定差异,将会影响对流换热参数.(3)温度传感器测量桥面板温度时亦存在一定系统误差.
基于有限元仿真,对不同钢纤维体积分数SFCC桥面板高温摊铺30 min时的温度场进行参数化分析,假定掺入钢纤维后SFCC比热容恒定,导热系数取实测值,结果如

图15 导热系数对温度场影响的参数分析
Fig.15 Parameter analysis of effect of thermal conductivity on temperature field
(1)与普通钢纤维混凝土(SFC)相比,钢纤维页岩陶粒混凝土(SFCC)的导热系数显著降低,为0.915~1.409 W/(m·K),约为SFC的54.2%~57.6%;钢纤维的掺入会提高SFCC的导热系数,其体积分数每提高0.5%,SFCC导热系数可提高0.146 W/(m·K),但其涨幅低于SFC;随着钢纤维体积分数的提高,SFCC导热系数增长率降低,当钢纤维体积分数接近上限2.0%时,SFCC导热系数的增长率下降.
(2)考虑钢纤维影响系数提出了Maxwell扩展模型,该模型可有效提高SFCC和SFC导热系数预测值的准确性,模型中钢纤维影响系数建议值为8.9.
(3)SFCC桥面板在高温沥青摊铺作用下的顶底温差达到20.5 ℃,高于SFC,亦高于现行规范,在结构设计时应予考虑.SFCC和SFC在高温沥青摊铺时,在顶面产生的温度梯度基本相同,但向下传递时SFCC中温度衰减更快,产生的温度梯度更大.
(4)使用Abaqus有限元模型可有效模拟SFCC桥面板温度变化.模拟得到的桥面板温度梯度与实测温度梯度吻合良好,实际工程中可通过桥面表层温度的测试值来推测桥面板内温度场分布;提高SFCC导热系数可减小高温沥青摊铺时桥面板内温度梯度.此外目前有关饱和度对钢纤维导热系数影响的研究和试验数据相对较少,后续可进一步研究.
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