CN105842278A - 一种室内测量混凝土表面放热系数的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种室内测量混凝土表面放热系数的方法，其能对试验块所在的环境温度和保温材料的含水率等参数进行精确的控制，对试验块表面放热系数进行高精度反演分析计算，进而能精确测试覆盖保温材料(包括含水结冰保温材料)的混凝土表面放热系数。该方法包括步骤：(1)制备试验块，试验块内埋设一定数量的温度测点；(2)将铺设保温材料的试验块放置在自动控制和记录测点温度、防冻液温度和箱内温度的冻融试验箱内，该保温材料包括含水结冰材料，设定合理的温度值进行试验；(3)根据试验数据，反演分析得到铺设保温材料的试验块试验条件下的试验块表面放热系数β₁；(4)经公式推导计算，得到现场条件下混凝土表面放热系数β_S。

Description

一种室内测量混凝土表面放热系数的方法

技术领域

本发明属于混凝土温控防裂的技术领域，具体地涉及一种室内测量混凝土表面放热系数的方法，其能够精确、高效地测量覆盖保温材料(包括含水结冰保温材料)混凝土表面放热系数。

背景技术

温度荷载是坝体开裂的主要荷载，内外温差为主要温度荷载之一，有效的保温措施能较好的控制温度荷载，高寒地区，年平均气温低，日气温年变幅大，温度荷载是坝体开裂的最主要荷载，而保温措施能较大程度的减小混凝土的温度荷载。坝体所用的保温材料包括：聚苯板、大坝保温被、挤塑板和聚氨酯。

大体积混凝土施工期容易产生温度裂缝，适当的温控防裂措施能减少或避免混凝土开裂。为选择适时合理的温控措施，需要进行混凝土温度场的仿真计算，温度场精确与否直接关系到温控措施是否合理，而温控参数是关系温度场精确与否的关键因素。在混凝土温控计算中，体现混凝土表面保温的参数为表面放热系数，如何准确获得混凝土表面放热系数是混凝土温控防裂计算重要研究内容之一。

目前覆盖保温材料混凝土表面放热系数主要通过保温材料导热系数计算获得和直接测量获得：

(1)通过保温材料导热系数推导铺设保温材料混凝土表面放热系数。朱伯芳院士的《大体积混凝土温度控制和温度应力》中已经有详细的关于表面保温材料导热系数和铺设保温材料混凝土表面放热系数关系的推导公式。对于完全干燥的材料的表面放热系数，按朱伯芳院士提出的方法可做到覆盖保温材料混凝土表面放热系数的精确测量。保温材料对混凝土温度应力影响主要体现在其对混凝土表面放热系数影响上，表面放热系数和含水率密切相关。材料保温性能和含水率的研究较多，徐婷婷等认为建筑节能中广泛使用的大部分多孔建筑材料属于含湿非饱和多孔介质，其有效导热系数受含水率影响显著；段恺等认为：不同保温材料和墙体材料在不同含水率状态下的导热系数是不同的。理论上，表面放热系数可以根据导热系数推导得到，由于保温材料含水率分布不均匀、含水结冰材料导热系数难以测定等原因，应用该方法具有一定的局限性，难以测量含水结冰材料表面放热系数。

(2)通过室外试验，直接测量混凝土表面放热系数。目前该方面的研究成果众多。朱岳明利用试验结果，采用阻尼最小二乘法对温度场的绝热温升计算参数、导热系数、表面热交换系数进行反分析计算。张宇鑫、宋玉普采用遗传算法对混凝土的绝热温升参数、导温系数和表面热交换系数进行了反分析，采用最优保护策略和二点交叉、对适应性函数进行拉伸的方法对基本的遗传算法进行改进，并用于温度场参数的反分析。王振红等也在应用室外试验的方法直接测量混凝土表面放热系数上进行了较多深入研究。然而现场试验花费较大，试验周期较长，试验试验块往往在其他工程不能反复使用，且试验过程中干扰较大，试验结果的可靠性有待改进。

目前，西藏高寒地区是我国水电开发的重点区域，该地区冬季气温较低，由于冲毛和施工用水等多方面原因，很多保温材料处于含水结冰状态，测量含水结冰材料表面放热系数方法需要重点关注。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种室内测量混凝土表面放热系数的测量方法，其能对试验块所在的环境温度和保温材料的含水率等参数进行精确的控制，对混凝土表面放热系数进行高精度反演分析计算，进而能精确测试覆盖保温材料(包括含水结冰保温材料)的混凝土表面放热系数。

本发明的技术解决方案是：这种室内测量混凝土表面放热系数的方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备试验块，试验块内埋设一定数量的温度测点；

(2)将铺设保温材料的试验块放置在自动控制和记录测点温度、防冻液温度和箱内温度的冻融试验箱内，该保温材料包括含水结冰材料，设定合理的温度值进行试验；

(3)根据试验数据，反演分析得到铺设保温材料的试验块试验块试验条件下的试验块表面放热系数β₁；

(4)经公式(1)推导计算，得到现场条件下混凝土表面放热系数β_S

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{k\β}}_1}}---\left(1\right)$

其中：k为风速影响系数，可参考规范取值，β₀为不覆盖保温材料时物体表面放热系数，β₁为试验条件下试验块表面放热系数。

本发明通过制备试验块，试验块内埋设一定数量的温度测点，将试验块放置在冻融试验箱内进行试验，根据试验数据进行反演来得到铺设保温材料(包括含水结冰材料)的表面放热系数，即试验条件下试验块表面放热系数，再经公式推导计算，得到现场条件下混凝土表面放热系数，因此能够对室内环境和参数性能进行精确的控制，进行参数高精度反演，能精确测试覆盖含水结冰材料表面的放热系数。

附图说明

图1是测点位置的布置的侧视图。

图2示出了截面A-A,B-B,C-C,D-D的测点布置图。

图3示出了本发明的试验流程图。

图4示出了本发明的反演分析流程图。

图5出示了本发明的试验块模具实例图。

图6出示了本发明的测点布置实例图。

图7出示了本发明的成品试块实例图。

图8出示了本发明的冻融试验箱内试块布置实例图。

图9出示了本发明测点的试验值和反演计算值对比实例图。

具体实施方式

这种室内测量混凝土表面放热系数的方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备试验块，试验块内埋设一定数量的温度测点；

(2)将铺设保温材料的试验块放置在自动控制和记录测点温度、防冻液温度和箱内温度的冻融试验箱内，该保温材料包括含水结冰材料，设定合理的温度值进行试验；

(3)根据试验数据，反演分析得到铺设保温材料的试验块试验块试验条件下的试验块表面放热系数β₁；

(4)经公式(1)推导计算，得到现场条件下混凝土表面放热系数β_S

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{k\β}}_1}}---\left(1\right)$

其中：k为风速影响系数，可参考规范取值，β₀为不覆盖保温材料时物体表面放热系数，β₁为试验条件下试验块表面放热系数。

本发明通过制备试验块，试验块内埋设一定数量的温度测点，将试验块放置在冻融试验箱内进行试验，根据试验数据，反演分析得到铺设保温材料(包括含水结冰材料)的试验块表面放热系数，即得到试验条件下试验块表面放热系数，再经公式推导计算，得到现场条件下混凝土表面放热系数，因此能够对室内环境和参数性能进行精确的控制，进行参数高精度反演，能精确测试覆盖含水结冰材料的混凝土表面放热系数。

优选地，所述步骤(1)中试验块为60cm×60cm×50cm的长方体砂浆试块，试验块内部布置一系列的温度探头以跟踪各个点的温度历程，每列4个测点，每层测点距离均为10cm，共24个测点。

优选地，所述步骤(1)中试验块的材料为水、水泥和沙，比例为0.4:1:1.3；被测保温材料仅覆盖在试验块的顶面，侧面与底面用8cm干燥挤塑聚苯乙烯塑料泡沫覆盖。

优选地，所述步骤(2)中试验块置于不锈钢槽中，与防冻液隔绝，试验块底面与侧面均用8cm聚氨酯包裹，被测保温材料置于试验块的顶面，然后将一不锈钢水槽置于被测保温材料上，利用水泵实现防冻液循环，并于防冻液中布置温度传感器，使防冻液温度按照试验要求保持稳定。

优选地，所述步骤(2)中将试验块置于冻融试验箱中，设定特定的温度，记录试验块内部不同位置的温度变化情况。

优选地，所述步骤(1)中试验块的制备包括以下步骤：

(a)架立钢筋，固定温度探头；

(b)浇筑试验块；

(c)间歇一段时间以消除绝热温升的影响。

优选地，覆盖的保温材料根据施工现场的要求来制备不同含水率的保温材料。

优选地，所述步骤(2)中使防冻液温度按照试验要求保持稳定的试验要求为：第一阶段冷冻液温度-5℃持续时间达到48小时，第二阶段冷冻液温度-20℃，持续时间达到72小时；测量覆盖含水保温材料混凝土表面放热系数时，设定两个阶段冷冻液的温度，温度大于0℃，两个阶段的温度相差大于15℃，第一阶段持续时间达到48小时，第二阶段持续时间达到72小时；试验过程通过监测仪器自动测量数据。自动记录的数据包括试验块内的温度过程以及防冻液和冻融试验箱内的温度变化。

优选地，所述步骤2中试验块顶部所覆盖的保温材料需采取一定的措施模拟施工现场可能出现的情况(例如制备不同含水率的保温材料等)。

优选地，所述步骤(3)中反演的计算步骤包括：①假定顶面的初始放热系数定为50kJ/m²·℃·d，设定四周和底面的表面放热系数为30Kj/m²·℃·d；②输入初始温度条件(覆盖保温材料后立即测量各测点的温度作为初始温度)，输入边界条件；③计算各点的温度过程，并计算不同表面放热系数情况下的误差；④增大放热系数5Kj/m²·℃·d，并重复步骤①～③，直到获取最小平均误差。

优选地，所述步骤③中误差通过公式(2)计算：

$ER=\sqrt{\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(x_i\right(t)-y_i(t\left)\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，n表示测点的个数，m表示测量时间点的总数，x_i(t)表示测点i在测点时间点t的监测值，y_i(t)为x_i(t)对应的计算值。

以下更详细地说明本发明。

(1)试验块温度测量

该试验需要测定的参数包括：保温材料的含水率、试验块的导热系数、试验块的导温系数和覆盖保温材料的试验块的表面放热系数。这些参数，除试验块表面放热系数外，其余参数均可由相应的仪器直接测量。由于铺设保温材料的物体表面放热系数值只与物体表面光滑的程度相关和保温材料材料性能无关，且砂浆较混凝土更为均匀，砂浆可以较小而不会影响温度探头的布置，故试验块应优先选用砂浆。本发明设计60cm×60cm×50cm的长方体试验块，试验块的材料为水、水泥和沙，比例为0.4:1:1.3。理论上，测点应均匀布置在整个试验块内，但考虑到冻融试验机的温度是均匀的，测点仅要布置在试验块部分区域即可，测点共6列，每列4个测点，每层测点距离均为10cm，共24个测点，模型和测点位置见图1～2。

试验用保温材料仅覆盖在顶面，侧面与底面用8cm干燥挤塑聚苯乙烯塑料泡沫覆盖，试验块中预埋温度测试探头。利用冻融试验机对试验块进行试验。试验块置于不锈钢槽中，与防冻液隔绝，试验块底面与侧面均覆盖8cm挤塑聚苯乙烯泡沫塑料，被测保温材料置于试验块顶面，然后将一特制不锈钢水槽置于保温材料上，利用水泵实现防冻液循环，并于防冻液中布置温度传感器，使防冻液温度按照试验要求保持稳定。设定特定的温度，记录试验块内部不同位置的温度变化情况。试验的步骤如下：

架立钢筋，固定温度探头；浇筑试验块；间歇一段时间以消除绝热温升的影响；覆盖保温材料并采取一定的措施模拟施工现场可能的环境；记录各个测点数据。流程表见图3。

(2)试验数据反演分析

通过试验获取的计算资料，通过反演分析即可得到表面放热系数。有限元网格模型和试验块大小需要完全一致，有限元节点需要包含试验块的测点；若有限有限元节点无相应的测点对应，此时，节点初始温度的取值可以采用对称和差值的方法取得。根据资料计算步骤包括：

①假定初始放热系数，顶面的初始放热系数定为50Kj/m²·℃·d，设定四周和底面的表面放热系数为30Kj/m²·℃·d；②输入初始温度条件(覆盖保温材料后立即测量各测点的温度作为初始温度)，输入边界条件；③根据步骤1～2计算各点的温度过程并和计算实测值和计算值的平均误差；④增大放热系数，每次增加3～5Kj/m²·℃·d，并重复步骤①～③，直到获取最小平均误差。流程见图4。

本试验定义的误差定义如下：

$ER=\sqrt{\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(x_i\right(t)-y_i(t\left)\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，n表示测点的个数，m表示测量时间点的总数，x_i(t)表示测点i在测点时间点t时的监测值，y_i(t)为x_i(t)对应的计算值。

该测量结果应用于工程现场时，如现场混凝土表面为流水情况，则测量值可直接应用。如保温材料和空气接触，考虑到空气和风等作用因素，在试验的基础上，现场的表面放热系数可用以下公式计算：

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{k\β}}_1}}---\left(1\right)$

其中：k为风速影响系数，可参考规范取值，β₀为不覆盖保温材料时物体表面放热系数，β₁为本发明测量的放热系数。

测量铺设含水结冰保温材料混凝土表面放热系数时，防冻液能达到的温度必须低于-20℃。如环境试验室的室内温度可控制在-20℃以下，冻融试验箱也可用环境实验室替代。

本发明的发明内容均有实例验证，图5～图8为本发明的试验块制作、试验块成品和冻融试验箱内试块布置实例图。图9为测点的试验值和反演计算值对比实例，该图表明，通过本发明获得的表面放热系数可使得试验值和反演计算值十分吻合，通过本发明获得的表面放热系数精确性极高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)制备试验块，试验块内埋设一定数量的温度测点；

(2)将铺设保温材料的试验块放置在自动控制和记录测点温度、防冻液温度和箱内温度的冻融试验箱内，该保温材料包括含水结冰材料，设定合理的温度值进行试验；

(3)根据试验数据，反演分析得到铺设保温材料的试验块试验条件下的试验块表面放热系数β₁；

(4)经公式(1)推导计算，得到现场条件下混凝土表面放热系数β_S

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{k\β}}_1}}---\left(1\right)$

其中：k为风速影响系数，可参考规范取值，β₀为不覆盖保温材料时物体表面放热系数，β₁为试验条件下试验块表面放热系数。

2.根据权利要求1所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤(1)中试验块为60cm×60cm×50cm的长方体砂浆试块，试验块内部布置一系列的温度探头以跟踪各个点的温度历程，每列4个测点，每层测点距离均为10cm，共24个测点。

3.根据权利要求2所述的室内测量混凝土表面放热系数的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中试验块的材料为水、水泥和沙，比例为0.4:1:1.3；被测保温材料仅覆盖在试验块的顶面，侧面与底面用8cm干燥挤塑聚苯乙烯塑料泡沫覆盖。

4.根据权利要求2所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤(2)中试验块置于不锈钢槽中，与防冻液隔绝，试验块底面与侧面均用8cm聚氨酯包裹，被测保温材料置于试验块的顶面，然后将一不锈钢水槽置于被测保温材料上，利用水泵实现防冻液循环，并于防冻液中布置温度传感器，使防冻液温度按照试验要求保持稳定。

5.根据权利要求1所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤(2)中将试验块置于冻融试验箱中，设定特定的温度，记录试验块内部不同位置的温度变化情况以及防冻液和冻融试验箱内的温度变化。

6.根据权利要求2或3所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤(1)中试验块的制备包括以下步骤：

(a)架立钢筋，固定温度探头；

(b)浇筑试验块；

(c)间歇一段时间以消除绝热温升的影响。

7.根据权利要求3或4所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：覆盖的保温材料根据施工现场的要求来制备不同含水率的保温材料。

8.根据权利要求5所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤(2)中使防冻液温度按照试验要求保持稳定的试验要求为：第一阶段冷冻液温度-5℃持续时间达到48小时，第二阶段冷冻液温度-20℃，持续时间达到72小时；测量覆盖含水保温材料混凝土表面放热系数时，设定两个阶段冷冻液的温度，温度大于0℃，两个阶段的温度相差大于15℃，第一阶段持续时间达到48小时，第二阶段持续时间达到72小时；试验过程通过监测仪器自动测量数据。

9.根据权利要求1所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤(3)中反演的计算步骤包括：①假定顶面的初始放热系数定为50kJ/m²·℃·d，设定四周和底面的表面放热系数为30Kj/m²·℃·d；②输入初始温度条件，输入边界条件；③计算各点的温度过程，通过和实测数据对比分析得到误差；④增大顶面放热系数5Kj/m²·℃·d，并重复步骤①～③，直到获取最小平均误差。

10.根据权利要求1所述的室内测量混凝土表面放热系数的方法，其特征在于：所述步骤③中误差通过公式(2)计算：

$ER=\sqrt{\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(x_i\right(t)-y_i(t\left)\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，n表示测点的个数，m表示测量时间点的总数，x_i(t)表示测点i在测点时间点t的监测值，y_i(t)为x_i(t)对应的计算值。