一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法

1.本发明属于土木工程混凝土施工技术领域，具体涉及一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法。


背景技术：

2.目前，大体积混凝土水化热温控技术已较为完善，但研究多基于工程实例开展，得到的单点应用方案仅仅是根据现有条件去测算大体积混凝土可能发生的升温历程，均没有将绝热升温曲线作为一个控制变量去调整实际温升。考虑到混凝土绝热方程一般都是通过专用的仪器－绝热温升试验仪来获得相应的实测资料，需要花费大量人力、物力。一次实验若不能满足工程设计需求，将导致更大的工程成本和更多的时间花费，为降低技术成本，急需结合抑制剂温控和已有成果技术与模拟，建立一套完整系统与方法，将其应用于不同工程场景。一方面可以确保工程节能环保，另一方面还提高工程经济效益及社会效益。
3.近年来，国内外主要通过工程实例、数值分析以及实验研究三个方面来对抑制剂与冷却水管的温控效果进行研究。在混凝土中添加抑制剂表现为降低水泥水化放热速率、延迟放热时长、降低早期放热总量、又由于外界散热因此削减了温峰。在混凝土中嵌入冷却水管的控温效果表现为冷却水带走混凝土内部热量，削减温峰。但当管冷控温能力不足时，则需要配合抑制剂控温；当管冷控温能力过剩时则会造成材料浪费成本增加。
4.因此发明一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法对于提高工程执行效率、响应速度和质量具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，对实验获取的绝热温升方程进行优化，得到结构化、定量化、精确化的绝热温升方程调控模型，该方法可对大体积混凝土温度场进行精确控制，提高施工执行效率、响应速度和质量，降低技术和施工成本。
6.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
8.s1、在施工实验基础上，建立混凝土传热与水泥水化模型，包括混凝土热学参数及绝热温升方程的获取；
9.s2、基于绝热温升方程，由混凝土水化温升抑制剂规范与水化温升理论推导和优化得到结构化、定量化、精确化的绝热温升方程f(x)调控模型，该调控模型于掺入不同延迟放热时间的抑制剂建立；
10.s3、基于步骤s2的绝热温升方程f(x)及步骤s1获取的混凝土热学参数，结合混凝土结构几何参数、边界换热条件、建造与养护措施建立基于水化度的精细温度场数值计算模型，基于水化度的精细温度场数值计算热传导方程如下：
[0011][0012]
式中：ρ为混凝土密度；c为基于水化度的比热；t为温度；k为基于水化度的导热系数；t为龄期；te为等效龄期；f为基于水化度的绝热温升方程；
[0013]
s4、在步骤s3的基础上开展某一工程背景下的大体积混凝土施工温度场分析，求得施工监测点ts-1～26的温度历程；
[0014]
s5、提取混凝土结构内部最高温度、里表最大温差温控指标，在满足规范要求的前提下与设计要求对比；
[0015]
s6、分析对比结果，若满足要求，此时的建造与养护措施和添加抑制剂的低热混凝土制备指标可作为温度控制技术打包输出；若不满足要求，则需要调整建造与养护措施中的结构边界温差控制和养护控制，改变抑制剂与粉煤灰掺量、进行混凝土分层浇筑及内散外蓄养护，调整绝热温升方程f(x)中的延迟放热时间t
de
；
[0016]
s7、采用步骤s3的精细温度场数值计算模型重新获取混凝土结构内部最高温度、里表最大温差温控指标，重复步骤s5，直至满足要求可作为温度控制技术打包输出。
[0017]
而且，所述步骤s1中的混凝土热学参数包括导热系数k、比热c、凝胶材料质量w及混凝土密度ρ，热学参数与水化度α(t)共同决定绝热温升方程，同时导热系数k与比热c也随着水化度α(t)动态变化，水化度基于热量计算和测量，公式为：
[0018]
α(t)＝q(t)/q
∞
[0019]
式中：q
∞
为完全水化累计的热量，q(t)为在t时刻释放的热量；
[0020]
基于实验的水化度α(t)包含四种形式：指数表达式、双曲线表达式、双指数式、组合双指数式，拟合式有：
[0021]
α(t)＝1-e-mt
[0022]
α(t)＝t/(n+t)
[0023][0024][0025]
基于水化程度会导致混凝土结构体中不同部位的温度和龄期，比热、导热系数也随水化反应不断变化，
[0026]
基于水化度的导热系数k公式为：
[0027]
k(α)＝k
∞
(1.33-0.33α)
[0028]
式中：k
∞
为混凝土硬化后最终的导热系数；α为当前的水化度；
[0029]
基于水化度的比热c公式为：
[0030]
c＝(wcαc
cef
+wc(1-α)cc+waca+w
wcw
)/ρ
[0031]ccef
＝8.4t+339
[0032]
式中：wc,wa,ww分别为每立方水泥、骨料和水的质量；
[0033]cc
，c
α
，cw分别为水泥，骨料和水的比热；
[0034]ccef
为混凝土水泥的假定比热；
[0035]
t为当前温度；
[0036]
温度对化学反应速率的影响用成熟度函数来计算，公式为：
[0037][0038]
式中：ea为反应活化能；r为理想气体常数；tr为等效龄期参考温度，t为时间间隔内的平均混凝土温度；δt为计算时间增量；te为等效龄期；
[0039]
根据大体积混凝土施工标准，混凝土绝热温升方程为：
[0040]
f(t)＝wq
∞
α(te)/cρ。
[0041]
而且，所述步骤s2中，掺入不同延迟放热时间的抑制剂的绝热温升方程调控模型如下，只需要变动t
de
参数，即添加抑制剂后的延迟放热时间；
[0042][0043]
式中：t
de
为快速升温拐点时间，即放热量达到30.0j/g的时间节点，水化温升调控设计时可根据规范控制要求设置；
[0044]
t
ra
为快速反应持续时间，相同的材料，根据抑制剂掺量增加，可能会延长快速反应期，但变化不大；
[0045]
基于最不利的安全设计需求，可取抑制放热天数为1d的快速反应持续时间，并将其考虑到更长抑制时间的计算当中，在某一工程背景下，快速反应时间取为50h；f
t
(t
de
)受材料热扩散系数影响，因此即使设置的延迟时间t
de
相同，不同的配合比的材料之间f
t
(t
de
)也不尽相同，由于f
t
(t
de
)存在在水化放热早期，因此可忽略水化度的影响，其值取为30w/cρ，一般为3-5℃；q为混凝土水化绝热温升峰值。
[0046]
而且，所述步骤s3中，边界换热条件包括环境风速与温度、结构内置冷却水管、浇筑层之间传热，边界条件包含四类：
[0047]
第一类、混凝土结构的表面温度t是时间t的自定义函数：
[0048]
t(t)＝f(t)
[0049]
在实际工程模拟中，环境温度或混凝土顶面恒温水养护属于该类边界条件，
[0050]
第二类、混凝结构表面热流量是时间t的已知函数：
[0051][0052]
式中，为表面法线方向的温度梯度，λ为混凝土的导热系数；
[0053]
可考虑为结构外表面辐射条件，如日照、火灾；
[0054]
第三类、结构表面与外界环境存在对流热交换，即混凝土表面热流量与表面温度t与大气温度ta之差成正比：
[0055][0056]
式中，β为放热系数，当β趋于无限时，t＝ta，此时为第一类边界条件，当β为0时，此时为绝热边界条件；
[0057]
当混凝土表面有模板或保温层时，等效放热系数βs：
[0058]
βs＝1/((1/β)+∑(hi/λi)
[0059]
式中：hi为混凝土结构表面第i层模板或保温层厚度，λi为对应的导热系数；
[0060]
第四类、固体之间往往接触不良，有t1≠t2，即温度是不连续的，忽略接触缝隙中的热容量，基于热平衡的边界条件：
[0061][0062][0063]
式中，βc为因固体间接触不良而产生的热接触导率，可由实验确定；接触面热传导包括浇筑层之间热接触、结构与水管之间热接触、覆盖物与混凝土之间热接触。
[0064]
而且，所述步骤s4中的温度场分析时的温度测点布置原则为：
[0065]
(1)根据构件对称性的特点，选取构件的1/4块布置测点；
[0066]
(2)根据温度场的分布规律，对高度方向的温度测点间距作适当调整，距离水管间距需≥25cm；
[0067]
(3)充分考虑温控指标的测评，温度测点布设包括表面温度测点及内部测温点，表面温度测点在构件中心部位短边长边中心线表面以下5cm布置，内部测温点布置在构件中心处。
[0068]
而且，所述步骤s5中设计要求的混凝土温控目标为：
[0069]
(1)混凝土内部温度峰值降至60℃；
[0070]
(2)混凝土内表温差极大值不大于20℃；
[0071]
(3)环表温度极大值降至17℃；
[0072]
(4)混凝土入模温度降至24℃。
[0073]
本发明的优点和有益效果为：
[0074]
1、本发明致力于基于抑制剂控制升温曲线，以得到规范化的水化温升和养护策略，与此同时应用最恰当的管冷布设方案；利用该方法解决了基于单点应用的工程实例确认水化热调控方案的局限性，确认可应用不同工程场景的水化热工程调控决策，降低技术和施工成本。因此本发明确保工程节能环保，提高了工程经济效益及社会效益。且该方法可对大体积混凝土温度场进行精确控制，提高施工执行效率、响应速度和质量。
[0075]
2、本发明通过重构、优化绝热温升方程，省去不同类型和掺量抑制剂的延迟放热试验，基于一次试验的结果即可预估该种混凝土的绝热温升和大体积凝土施工的温度历程；
[0076]
3、本发明通过某一背景工程的仿真计算结果发现混凝土掺入抑制剂相比基准混凝土延迟了温峰出现时间和与外界换热时间，减小了里表温差，随着延迟放热时间增加将显著降低温峰；混凝土内嵌冷却水管相比基准混凝土降低了温峰，减小了里表温差；在新旧混凝土接触面附近嵌入冷却水管将削减混凝土在一定浇筑时间间隔内的热量积蓄。
[0077]
4、本发明结合绝热温升模型和混凝土多层浇筑工程实例，发现了延迟放热时间与混凝土里表最高温度的相关性，确定了最佳延迟放热时间。
附图说明
[0078]
图1为本发明的温控流程图；
[0079]
图2为本发明的实验装置图；
[0080]
图3为本发明的试验测点温度历程图；
[0081]
图4为本发明的试验块绝热温升曲线图；
[0082]
图5为本发明基于抑制剂的水泥水化热释放概念图；
[0083]
图6为本发明的抑制剂混凝土实测与模拟温度持续曲线的比较图；
[0084]
图7为本发明的承台大体积混凝土施工浇筑1/4模型图；
[0085]
图8为本发明的技术路线图；
[0086]
图9为本发明的承台混凝土内部最高温度包络图；
[0087]
图10为四种计算工况下承台混凝土的温度变化情况图；
[0088]
图11为不同延迟放热时间混凝土放热的变化规律图。
具体实施方式
[0089]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0090]
一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，如图1所示，其创新之处在于：所述方法的步骤为：
[0091]
步骤s1，在施工实验基础上，建立混凝土传热与水泥水化模型，包括混凝土热学参数的获取与的绝热温升方程的获取。
[0092]
步骤s2，根据步骤s1的水泥水化绝热温升方程，由混凝土水化温升抑制剂规范与水化温升理论推导和优化得结构化、定量化、精确化的绝热温升方程f(x)调控模型，该模型是基于掺入不同延迟放热时间的抑制剂建立的。
[0093]
步骤s3，根据步骤s2优化后的可调控绝热温升方程f(x)和步骤s1获取的混凝土热学参数，结合结构几何参数、边界换热条件(环境风速与温度、结构内置冷却水管、浇筑层之间传热)、建造与养护措施(浇筑间隔、保温养护)建立基于水化度的精细温度场数值计算模型。
[0094]
步骤s4，在步骤s3的基础上开展某一工程背景下的大体积混凝土施工温度场分析，求得施工监测点ts-1～26温度历程。
[0095]
步骤s5，在步骤s4的基础上提取结构内部最高温度、里表最大温差温控指标，在满足规范要求的前提下与设计要求对比。
[0096]
步骤s6，根据步骤s5的对比结果，若满足要求，此时的建造与养护措施和添加抑制剂的低热混凝土制备指标可作为温度控制技术打包输出；若不满足要求，则需要调整建造与养护措施中的结构边界温差控制和养护控制，更重要的是要调整的绝热温升方程f(x)中的延迟放热时间t
de
。基于延迟放热时间t
de
调控的绝热温升方程的优点是方便作为低热混凝土的制备指导指标。
[0097]
步骤s7，在步骤s6调整设计的基础上，采用精细温度场数值计算模块重新获取结构内部最高温度、里表最大温差温控指标，重复步骤s5，直至满足要求可作为温度控制技术打包输出。
[0098]
上述方法具体实施例为：
[0099]
1、建立混凝土传热与水泥水化模型
[0100]
施工队伍在施工实验基础上，对低热大体积混凝土配合比设计及水化热抑制剂作用效能进行检验，实验装置如图2所示，图2a)为测温件平面图，图2b)为测温件立面图，图2c)为图2a)的a-a向剖视图，图2d)为图2a)的b-b向剖视图，图2e)为图2a)的c-c向剖视。
[0101]
浇筑布设边界条件，见表1。首先配置低热大体积混凝土，采用粉煤灰与矿粉双掺(凝胶质量50％)和引入水化热抑制剂的技术手段，实现降低温峰和延缓升温过程的控温效
果，进而实现与传统冷却水管控温方案交替使用，甚至代替使用。
[0102]
表1浇筑混凝土设计边界条件
[0103][0104]
(1)获取低热混凝土热学参数
[0105]
c35混凝土配合比，见表2；通过计算得到混凝土热学参数见表3；试验各组测点的温度变化曲线发现，由于实际工程中，结构表面与外界不同程度的换热，空白组混凝土热量在试件中心点偏下积蓄，整体温度梯度较大；抑制剂混凝土热量在试件中心点积蓄，整体温度梯度较小，如图3所示，图3a)为第一层中心和表面测量温度，图3b)为第一层中心偏点测量温度，图3c)第二层中心和表面测量温度，图3d)第二层中心偏点测量温度。
[0106]
表2c35混凝土设计配合比(kg/m3)
[0107][0108]
表3混凝土热学参数(当水化度a为1时)
[0109]
类型线膨胀系数1/t比热容(kj/(kg
·
k))导热系数(w/(m
·
k))c35混凝土1
×
10-5
0.9872.5318c25地基1
×
10-5
0.8371.9766
[0110]
随着水化度变化的导热系数公式如下：
[0111]
k(α)＝k
∞
(1.33-0.33α)
[0112]
式中：k
∞
为混凝土硬化后最终的导热系数；α为当前的水化度。
[0113]
随着水化度变化的比热容公式如下：
[0114]
c＝(wc
αccef
+wc(1-α)cc+waca+w
wcw
)/ρ
[0115]
式中：wc,wa,ww分别为每立方水泥、骨料(掺合料、砂和碎石)和水的质量；
[0116]cc
，c
α
，cw分别为水泥，骨料和水的比热；
[0117]ccef
为混凝土水泥的假定比热，取值为8.4t+339；t为当前温度。
[0118]
(2)获取绝热温升方程
[0119]
在fem软件中进行水化热计算，需要先确定混凝土的绝热温升方程。使用热活性微量热仪测量了与之前试验各组相同配合比试件的120h水化热曲线。再根据《大体积混凝土施工标准》(gb 50496-2018)附录b计算混凝土绝热温升，公式如下：
[0120]
f(t)＝wq
∞
α(t)/cρ
[0121]
其中：w是凝胶材料质量；α(t)为先前测得120h水化热曲线的拟合函数，通过在origin软件中调用自定义指数拟合函数来实现拟合。
[0122]
拟合空白组混凝土水化热数据的公式如下：
[0123]
[0124]
拟合抑制剂组混凝土水化热数据的公式如下：
[0125][0126]
结合120h水化热曲线，得到空白组混凝土与抑制剂组混凝土绝热温升曲线与对应方程如图4所示。
[0127]
2、优化、重构绝热温升方程f(x)
[0128]
将绝热温升曲线简化为分段函数，如图5所示。基于规范《混凝土水化温升抑制剂》与水化温升理论推导和优化得结构化、定量化、精确化的绝热温升方程f(x)调控模型，公式如下：
[0129][0130]
式中：t
de
为快速升温拐点时间，即放热量达到30.0j/g的时间节点，水化温升调控设计时可根据规范控制要求设置，掺入不同延迟放热时间的抑制剂；t
ra
为快速反应持续时间，相同的材料，根据抑制剂掺量增加，可能会延长快速反应期，但变化不大。
[0131]
基于最不利的安全设计需求，可取抑制放热天数为1d的快速反应持续时间，并将其考虑到更长抑制时间的计算当中。根据图5，本次实验中快速反应时间取为50h；f
t
(t
de
)受材料热扩散系数影响，因此即使设置的延迟时间t
de
相同，不同的配合比的材料之间f
t
(t
de
)也不尽相同。由于f
t
(t
de
)存在在水化放热早期，因此可忽略水化度的影响，其值取为30w/cρ，一般为3-5℃；q为混凝土水化绝热温升峰值。
[0132]
3、建立基于水化度的精细温度场数值计算模型
[0133]
综合考虑之前获取的混凝土热学参数，构建适用本工程的延迟放热24h的分段绝热温升方程，公式如下：
[0134][0135]
将使用分段函数构建的绝热温升方程加载abaqus主程序进行试算，试算结果与试验结果作对比如图6所示。从图6的试算结果与试验值的对比可以看出，两者数值较为接近，验证了分段函数应用添加抑制剂绝热温升方程的合理性，可作为水化热调控函数用于其他工程体系的分析判断。
[0136]
主程序试算前，建立的模型按工程几何参数、边界换热条件(环境风速与温度、结构内置冷却水管、浇筑层之间传热)、建造与养护措施(浇筑间隔、保温养护)进行前处理设置。
[0137]
各种边界传热和保温养护措施通过主程序中内嵌的膜换热设置和调用film子程序实现。本工程首件施工的试件表面散热系数取值在15kj/(m2·h·
℃)至35kj/(m2·h·
℃)之间。
[0138]
混凝土浇筑间隔通过主程序时间步设置和生死单元实现。
[0139]
在umatht子程序中将增量时间换算为等效龄期进行水化度计算。
[0140]
4、大体积混凝土浇筑换热过程调控方法研究
[0141]
(1)仿真计算模型参数
[0142]
选取某桥桥塔承台为典型代表进行仿真计算。
[0143]
构件尺寸：37.2
×
31.6m，高度6m。
[0144]
约束条件：仿真计算取为2.4m厚地基约束，其等效强度按c25混凝土。
[0145]
分层分块：一次浇筑3m，一次间隔7d。
[0146]
低热大体积混凝土配合比：凝胶材料400kg/m3，粉煤灰与矿粉双掺掺量50％，水化热抑制剂(按延迟放热天数设置)，见表4。
[0147]
表4低热大体积混凝土配合比(kg/m3)
[0148][0149]
模拟部位：取承台1/4混凝土进行温度场计算，计算模型见图7，图7a)为模型装配视图，图7b)为网格划分图。
[0150]
(2)混凝土浇筑过程安排
[0151]
主塔承台大体积混凝土浇筑边界条件见表5所示。
[0152]
表5大体积混凝土边界条件
[0153][0154][0155]
边界等效散热系数根据《大体积混凝土温度应力与温度控制(第2版)》(朱伯芳著，中国电力工业出版社，2012年)3.3节“边界条件的近似处理”进行计算。
[0156]
施工风速取4m/s，承台侧面等效散热系数取35.49kj/(m2·h·
℃)，承台顶面等效散热系数取15.79kj/(m2·h·
℃)。
[0157]
混凝土内嵌换热条件：在温度场有限元模型中，冷却水管的对流在与混凝土接触的面上被设置为“表面热交换条件”，对流系数设置为371.67w/(m2·
℃)，见表6。
[0158]
表6冷却水管布设条件
[0159]
尺寸(mm)流入温度(℃)渗流率(m3/hr)对流换热系数(w/m
·
℃)d48
×
3.536.8
±
0.61.2371.67
[0160]
基于温升调控的大体积混凝土施工温控系统在更多工程实例中应用的方法如图8
所示。在图8中绝热温升方程经过空白组、抑制剂组、水管+抑制剂组的逐步试算，调整方程参数，最终得到符合设计和规范要求的温控技术方案，其核心是水化热绝热温升曲线的确认。在抑制剂组中，相比空白组确认了满足设计和规范要求的最低抑制剂掺量。在水管+抑制剂组中，相比抑制剂组，确认了在添加抑制剂仍然不满足设计和规范要求的情况下，搭配其他水化热调控方案的最低抑制剂掺量。
[0161]
依托背景工程应用温控技术方法，选取四种不同混凝土浇筑方式的工况，考虑不同换热调控措施，建立桥塔承台施工早期混凝土的温度场计算模型。
[0162]
工况1：不考虑任何换热调控措施。
[0163]
工况2：考虑管冷的温度调控效果。
[0164]
工况3：考虑抑制剂的温度调控效果。
[0165]
工况4：分层单独考虑管冷或抑制剂的换热调控效果。
[0166]
工况4为管冷与抑制剂组合温控浇筑，监测桥梁承台实际施工采用了该方法。其中承台第二层施工时冷却水管停用，仅使用抑制剂温控。
[0167]
(3)温度场计算结果
[0168]
在以上设定条件下，承台大体积混凝土内部最高温度及最大内表温差计算结果见表7。
[0169]
表7温度计算结果表
[0170][0171]
在规范与设计要求中，混凝土内部与外部表面的温差设计值为20℃，极限为25℃。显然，冷却水管温控可使里表温差显著降低，但内部温峰控制能力有限。对于抑制剂温控，
随着延迟放热时间的增加，承台第一层混凝土内部温峰不断减小，里表温差也随之不断减小。至于承台第二层混凝土在延迟放热3d之后温差甚至增大了。
[0172]
承台混凝土内部最高温度包络图见图9，图9a)为空白组混凝土温度包络图(201h)，图9b)为管冷组混凝土温度包络图(193h)，图9c)～h)分别为抑制剂组混凝土延迟放热1d温度包络图(244h)、延迟放热2d温度包络图(257h)、延迟放热3d温度包络图(257h)、延迟放热5d温度包络图(371h)、延迟放热8d温度包络图(391h)、延迟放热10d温度包络图(411h)，图9i)为管冷-tri组混凝土温度包络图(244h)，图9j)tri-管冷组混凝土温度包络图(197h)。
[0173]
图10为四种计算工况下承台混凝土的温度变化情况，图10a)为空白组混凝土内外温度历程，图10b)为管冷组混凝土内外温度历程，图10c)～h)分别为抑制剂组混凝土延迟放热1d、2d、3d、5d、8d、10d内外温度历程，图10i)为管冷-tri组混凝土内外温度历程，图10j)为tri(3d)-管冷组混凝土内外温度历程。四种工况下，混凝土的最高温度出现在不同的位置和时间。在工况1中，由于混凝土体积大，且未采取温控措施，峰值温度达到66.1℃。在工况2中，由于采取管冷温控，承台第一层和第二层混凝土温度峰值分别降低了3.7℃和3.6℃。在工况3中，采取不同延迟放热时间的抑制剂温控，相对于空白组，第一层混凝土温度峰值降低值逐渐增大，第一层混凝土温度峰值降低值先增大后减小。在工况4中，采取抑制剂与管冷组合温控手段，承台第一层和第二层混凝土温度峰值降低值达到7.3℃和4.9℃。
[0174]
不同延迟放热时间混凝土放热的变化规律如图11，总体来说，混凝土最高温度和里表温差随着抑制放热天数的增加而降低。然而，延迟放热5d后第二层承台最高温度开始回升。这是由于混凝土抑制放热，在浇筑间隔时间内没有向外界适当散热，水泥放热抑制结束后集中放热导致的内部热量积蓄。事实上，在抑制放热1d后，第二层承台最高温度达到了设计要求60℃，第一层承台最高温度达到了使用管冷措施的温控效果。在抑制放热3d之后，两层承台最高温度均小于设计最高温度60℃。因此综合温控措施和设计需求，采取3d的抑制放热是最佳选择；若能降低1～2℃第一层混凝土的入模温度，则可采取1d的抑制放热措施。
[0175]
本发明通过重构、优化绝热温升方程，省去不同类型和掺量抑制剂的延迟放热试验，基于一次试验的结果即可预估该种混凝土的绝热温升和大体积凝土施工的温度历程；
[0176]
本发明通过某一背景工程的仿真计算结果发现：混凝土掺入抑制剂相比基准混凝土延迟了温峰出现时间和与外界换热时间，减小了里表温差，随着延迟放热时间增加将显著降低温峰；混凝土内嵌冷却水管相比基准混凝土降低了温峰，减小了里表温差；在新旧混凝土接触面附近嵌入冷却水管将削减混凝土在一定浇筑时间间隔内的热量积蓄。
[0177]
本发明结合绝热温升模型和混凝土多层浇筑工程实例，发现了延迟放热时间与混凝土里表最高温度的相关性，确定了最佳延迟放热时间。
[0178]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述方法的步骤为：s1、在施工实验基础上，建立混凝土传热与水泥水化模型，包括混凝土热学参数及绝热温升方程的获取；s2、基于绝热温升方程，由混凝土水化温升抑制剂规范与水化温升理论推导和优化得到结构化、定量化、精确化的绝热温升方程f(x)调控模型，该调控模型于掺入不同延迟放热时间的抑制剂建立；s3、基于步骤s2的绝热温升方程f(x)及步骤s1获取的混凝土热学参数，结合混凝土结构几何参数、边界换热条件、建造与养护措施建立基于水化度的精细温度场数值计算模型，基于水化度的精细温度场数值计算热传导方程如下：式中：ρ为混凝土密度；c为基于水化度的比热；t为温度；k为基于水化度的导热系数；t为龄期；t
e
为等效龄期；f为基于水化度的绝热温升方程；s4、在步骤s3的基础上开展某一工程背景下的大体积混凝土施工温度场分析，求得施工监测点ts-1～26的温度历程；s5、提取混凝土结构内部最高温度、里表最大温差温控指标，在满足规范要求的前提下与设计要求对比；s6、分析对比结果，若满足要求，此时的建造与养护措施和添加抑制剂的低热混凝土制备指标可作为温度控制技术打包输出；若不满足要求，则需要调整建造与养护措施中的结构边界温差控制和养护控制，改变抑制剂与粉煤灰掺量、进行混凝土分层浇筑及内散外蓄养护，调整绝热温升方程f(x)中的延迟放热时间t
de
；s7、采用步骤s3的精细温度场数值计算模型重新获取混凝土结构内部最高温度、里表最大温差温控指标，重复步骤s5，直至满足要求可作为温度控制技术打包输出。2.根据权利要求1所述的基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述步骤s1中的混凝土热学参数包括导热系数k、比热c、凝胶材料质量w及混凝土密度ρ，热学参数与水化度α(t)共同决定绝热温升方程，同时导热系数k与比热c也随着水化度α(t)动态变化，水化度基于热量计算和测量，公式为：α(t)＝q(t)/q
∞
式中：q
∞
为完全水化累计的热量，q(t)为在t时刻释放的热量；基于实验的水化度α(t)包含四种形式：指数表达式、双曲线表达式、双指数式、组合双指数式，拟合式有：α(t)＝1-e-mt
α(t)＝t/(n+t)α(t)＝t/(n+t)基于水化程度会导致混凝土结构体中不同部位的温度和龄期，比热、导热系数也随水化反应不断变化，基于水化度的导热系数k公式为：
k(α)＝k
∞
(1.33-0.33α)式中：k
∞
为混凝土硬化后最终的导热系数；α为当前的水化度；基于水化度的比热c公式为：c＝(w
c
αc
cef
+w
c
(1-α)c
c
+w
a
c
a
+w
w
c
w
)/ρc
cef
＝8.4t+339式中：w
c
,w
a
,w
w
分别为每立方水泥、骨料和水的质量；c
c
，c
α
，c
w
分别为水泥，骨料和水的比热；c
cef
为混凝土水泥的假定比热；t为当前温度；温度对化学反应速率的影响用成熟度函数来计算，公式为：式中：e
a
为反应活化能；r为理想气体常数；t
r
为等效龄期参考温度，t为时间间隔内的平均混凝土温度；δt为计算时间增量；t
e
为等效龄期；根据大体积混凝土施工标准，混凝土绝热温升方程为：f(t)＝wq
∞
α(t
e
)/cρ。3.根据权利要求1所述的基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述步骤s2中，掺入不同延迟放热时间的抑制剂的绝热温升方程调控模型如下，只需要变动t
de
参数，即添加抑制剂后的延迟放热时间；式中：t
de
为快速升温拐点时间，即放热量达到30.0j/g的时间节点，水化温升调控设计时可根据规范控制要求设置；t
ra
为快速反应持续时间，相同的材料，根据抑制剂掺量增加，可能会延长快速反应期，但变化不大；基于最不利的安全设计需求，可取抑制放热天数为1d的快速反应持续时间，并将其考虑到更长抑制时间的计算当中，在某一工程背景下，快速反应时间取为50h；f
t
(t
de
)受材料热扩散系数影响，因此即使设置的延迟时间t
de
相同，不同的配合比的材料之间f
t
(t
de
)也不尽相同，由于f
t
(t
de
)存在在水化放热早期，因此可忽略水化度的影响，其值取为30w/cρ，一般为3-5℃；q为混凝土水化绝热温升峰值。4.根据权利要求1所述的基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述步骤s3中，边界换热条件包括环境风速与温度、结构内置冷却水管、浇筑层之间传热，边界条件包含四类：第一类、混凝土结构的表面温度t是时间t的自定义函数：t(t)＝f(t)在实际工程模拟中，环境温度或混凝土顶面恒温水养护属于该类边界条件，第二类、混凝结构表面热流量是时间t的已知函数：
式中，为表面法线方向的温度梯度，λ为混凝土的导热系数；可考虑为结构外表面辐射条件，如日照、火灾；第三类、结构表面与外界环境存在对流热交换，即混凝土表面热流量与表面温度t与大气温度t
a
之差成正比：式中，β为放热系数，当β趋于无限时，t＝t
a
，此时为第一类边界条件，当β为0时，此时为绝热边界条件；当混凝土表面有模板或保温层时，等效放热系数β
s
：β
s
＝1/((1/β)+∑(h
i
/λ
i
))式中：h
i
为混凝土结构表面第i层模板或保温层厚度，λ
i
为对应的导热系数；第四类、固体之间往往接触不良，有t1≠t2，即温度是不连续的，忽略接触缝隙中的热容量，基于热平衡的边界条件：容量，基于热平衡的边界条件：式中，β
c
为因固体间接触不良而产生的热接触导率，可由实验确定；接触面热传导包括浇筑层之间热接触、结构与水管之间热接触、覆盖物与混凝土之间热接触。5.根据权利要求1所述的基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述步骤s4中的温度场分析时的温度测点布置原则为：(1)根据构件对称性的特点，选取构件的1/4块布置测点；(2)根据温度场的分布规律，对高度方向的温度测点间距作适当调整，距离水管间距需≥25cm；(3)充分考虑温控指标的测评，温度测点布设包括表面温度测点及内部测温点，表面温度测点在构件中心部位短边长边中心线表面以下5cm布置，内部测温点布置在构件中心处。6.根据权利要求1所述的基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，其特征在于：所述步骤s5中设计要求的混凝土温控目标为：(1)混凝土内部温度峰值降至60℃；(2)混凝土内表温差极大值不大于20℃；(3)环表温度极大值降至17℃；(4)混凝土入模温度降至24℃。

技术总结
一种基于温升调控的大体积混凝土施工温控方法，包括：建立基于实验的水泥水化与混凝土传热模型；根据结构几何参数、边界换热条件、建造与养护措施建立基于水化度的精细温度场数值计算模型；提取模型内部最高温度、里表最大温差温控指标，在满足规范要求的前提下与设计要求对比；满足要求的可作为温度控制技术打包输出。本发明致力于基于抑制剂控制升温曲线，以得到规范化的水化温升和养护策略，与此同时应用最恰当的管冷布设方案；利用该方法解决基于单点应用的工程实例确认水化热调控方案的局限性，确认可应用不同工程场景的水化热工程调控决策系统，降低技术和施工成本。因此本发明确保工程节能环保，提高工程经济效益及社会效益。社会效益。社会效益。


技术研发人员：杨益波 许为民 王子意 朱劲松 郭智渊 张磊 富志强 李德强 韩炜 荣伟 邵广彪 时继浩 涂雄伟 张俭成 宋国胜 郭永兵 司林灿 程敬臣
受保护的技术使用者：中交一公局第三工程有限公司 天津大学 济南城市建设集团有限公司 山东省交通规划设计院集团有限公司 山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司 山东省交通工程监理咨询有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/6