钻孔灌注桩混凝土水化热与冻土环境耦合作用下时变温度场研究

This subject adopts laboratory tests combined theoretical analysis to study hydration heat calculation model and thermal conductivity prediction model of bored cast-in-place pile concrete in permafrost environment, and time-varying temperature field under the coupling effect of concrete hydration heat and permafrost environment is further obtained. By using the test method for hydration heat of cement, heat discharge of cementitious material is tested at different ages, influence of factors such as mold temperature, curing temperature, water-binder ratio, composition and amount of cementitious material on the hydration heat of concrete was discussed; test of thermal conductivity of concrete at different ages by using a double plate method of thermal conductivity measurement, nuclear magnetic resonance analyzer is used to test porosity, water content and ice content in the pore of concrete, influence of factors such as water-binder ratio, porosity, pore water content, ice content on thermal conductivity of concrete under different curing conditions were analyzed. Based on theory of heat transfer in porous media, control equation of concrete temperature field of bored cast-in-place pile in permafrost environment is established, numerical method is used to solve the problem, influence of frozen soil temperature, ice content, concrete mold temperature, hydration heat and pile diameter on the temperature field of cast-in-place pile concrete under frozen soil environment were revealed. Through in-depth systematic experiments and theoretical research, it can provide a theoretical support for concrete strength, durability and service life prediction of cast-in-place pile in permafrost regions.

本课题采用室内试验、理论分析相结合的方法，研究冻土环境钻孔灌注桩混凝土水化热计算模型和导热系数预测模型，并进一步得到钻孔灌注桩混凝土水化热与冻土环境耦合作用下时变温度场。通过水化热试验测试不同龄期胶凝材料放热量，探讨入模温度、养护温度、水胶比、胶凝材料组成和用量等因素对混凝土水化热的影响规律；应用双平板法导热系数测定仪测试混凝土导热系数，同时利用核磁共振分析仪测试混凝土孔隙率、孔内含水率、含冰率，分析不同养护条件下混凝土水胶比、孔隙率、孔内含水率、含冰率等因素对混凝土导热系数的影响规律；基于多孔介质传热学理论，建立冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场控制方程，采用数值计算方法求解，揭示冻土地温、含冰量、混凝土入模温度、水化热、桩径等因素对冻土环境钻孔灌注桩混凝土温度场的影响规律。通过深入系统地进行试验和理论研究，为多年冻土区钻孔灌注桩混凝土强度、耐久性以及服役寿命预测提供理论支撑。

随着我国西部大开发、东北振兴战略的持续推进，高原高海拔、高纬度冻土地区铁路、公路、建筑工程等基础设施建设方兴未艾。各类工程基础结构修建在冻土地基之中，钻孔灌注桩基础是一种常用的基础结构形式。开展灌注桩与冻土环境的时变温度场研究，是分析钻孔灌注桩混凝土结构强度、耐久性及寿命预测的依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。.混凝土水化热和导热系数是影响冻土环境钻孔灌注桩时变温度场的关键参数。采用直接法测试了水泥浆体的水化热，以此来模拟钻孔灌注桩混凝土浇筑后水泥迅速水化的生热过程，分析了水胶比、入模温度、粉煤灰掺量对水泥浆体水化热的影响。采用溶解热法测试了恒温养护条件下水泥浆体水化热，以此来模拟冻土环境钻孔灌注桩混凝土温度稳定后水泥水化生热过程，分析了水胶比和恒定养护温度对水泥水化热的影响规律。基于稳态法测试了恒温养护下不同龄期时处于非饱和状态混凝土的导热系数，分析了水胶比、初始含气量、粉煤灰掺量、养护龄期及养护温度对混凝土导热系数的影响规律。阐明了水胶比、养护温度等因素对混凝土水化热和导热系数的影响机理，建立了混凝土水化热和导热系数时变计算模型，为冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场研究中生热量函数和混凝土导热系数的合理选用提供依据。采用分离变量法进行了冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场微分方程的求解，从物理学和热力学的角度出发，提出了采用“热冲量法”的方法来解决时变温度场模型中非齐次微分方程的求解难题。基于Bessel函数基本原理，确定了时变温度场模型基本计算参数，建立了冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场模型。室内制备了人工冻土灌注桩模型，开展了人工冻土灌注桩温度场试验来验证时变温度场理论模型的适用性，结果表明在边界条件合适的情况下，可以采用建立的理论模型对冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场进行定量分析。本项目研究成果，可为冻土环境钻孔灌注桩混凝土原材料和配合比的定量化反向设计提供理论支撑。