CN109940751B - 一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置及其养护方法 - Google Patents

Abstract

一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置及其养护方法。在寒区冬季施工中，现行混凝土养护措施耗能大且存在安全隐患，难以匹配寒区冬季混凝土养护。本发明中养护装置为四个侧板依次围合形成矩形框体，矩形框体内填充有混凝土，顶板和底板分别水平设置在矩形框体的顶部和底部，模板框的外壁上设置有相变材料层，相变材料层为通电蓄热的层体，相变材料层的外壁设置有保温层；本发明中的方法是将处于模板框和保温层之间的相变材料层通过模板框对混凝土进行传热，相变材料层通过重复充放热的方式实现对混凝土持续供热养护。本发明用于寒区冬季现场施工中的混凝土养护。

Description

一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置及其养护方法

技术领域

本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置及其养护方法。

背景技术

在寒区冬季施工过程中，混凝土面临的最大问题就是混凝土的受冻破坏问题。养护不当会出现裂纹，强度发展不足耐久性质量下降等问题。为了防止混凝土冻害，《建筑工程冬期施工规程》定义了“受冻临界强度”做为混凝土冬季施工的重要指标，用于判断混凝土是否具备抵抗受冻的能力。冬季施工的方法很多，主要包括蓄热法、综合蓄热法、构建外部加热法(电加热养护法、蒸汽养护法、暖棚法)以及掺防冻剂法等。蓄热法及综合蓄热法是最简单常见的方法，通过需要搅拌混凝土的原材料水、砂子和石子进行加热，使得混凝土具备较高的入模温度，之后以合适的方式进行保温，利用其初始温度及水化热使其内部温度保持正温状态，进而强度得以发展至临界抗压强度，此种方法操作起来较为方便，在实际工程能有一定的效果。此方法在施工温度在-10℃以上时，能够取得较好的效果，然而在我国的三北地区，冬季温度往往远低于-10℃，与外界空气传热较为迅速，故此方法很难获得预期效果。而构建外部加热法的热源有多种，常见的有暖棚法和蒸汽加热养护。该方法有较好的效果，然而需要高昂的费用，费工，使用大量材料，需要的成本巨大。除此之外，掺防冻剂也是一种广泛应用在寒区混凝土冬季施工的方法。通过在混凝土中添加防冻剂以降低水的冰点，使得混凝土内部在负温下仍可以继续水化，进而强度得以发展。然后此方法的弊端是防冻剂的掺入可能在混凝土内部引入氯化钙或氯化钠，其中的氯离子会使得钢筋遭受严重腐蚀，且同时一些碱性盐会催化碱骨料反应，对工程质量造成更不利的影响。总之，在寒区冬季施工中，混凝土的养护措施耗能大且存在安全隐患，现行养护措施难以匹配寒区冬季混凝土施工，导致混凝土养护后难以发展至临界抗压强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置及其养护方法，以解决在寒区冬季施工中，混凝土的养护措施耗能大且存在安全隐患，现行养护措施难以匹配寒区冬季混凝土施工，导致混凝土养护后难以发展至临界抗压强度的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置，它包括模板框、相变材料层和保温层，所述模板框包括顶板、底板和四个侧板，四个侧板竖直并列设置，四个侧板依次围合形成矩形框体，矩形框体内填充有混凝土，顶板和底板分别水平设置在矩形框体的顶部和底部，模板框的外壁上设置有相变材料层，相变材料层为通电蓄热的层体，相变材料层的外壁设置有保温层。

作为优选方案：矩形框体的横向截面小于顶板或/和底板的板面积，顶板的外壁上加工有配合相变材料层的第一凹槽，底板的外壁上加工有配合相变材料层的第二凹槽。

作为优选方案：第一凹槽的中心处加工有第一凸起，第一凸起的高度小于第一凹槽的槽深；第二凹槽的中心处加工有第二凸起，第二凸起的高度小于第二凹槽的槽深。

作为优选方案：相变材料层内设置有第一温度传感器，混凝土的端角处设置有第二温度传感器，混凝土的中心处设置有第三温度传感器。

作为优选方案：相变材料层是由至少一个电热带和至少两个相变材料片交替复合形成的层体。

作为优选方案：顶板、底板和侧板均为木模板。

利用具体实施方式一所述的一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置实现的养护方法，将处于模板框和保温层之间的相变材料层通过模板框对混凝土进行传热，相变材料层通过重复充放热的方式实现对混凝土持续供热养护过程。

作为优选方案：该养护方法包括如下步骤：

步骤一：根据寒区冬季施工中对混凝土养护时间和养护温度的要求计算得出相变材料层的厚度；

步骤二：将保温层设置在模板框外，根据步骤一中相变材料层的厚度确定保温层和模板框之间的预留间隙，使预留间隙与相变材料层的厚度相等，将第一温度传感器设置在预留间隙中，将电热带预先设置在预留间隙中，将第二温度传感器和第三温度传感器分别设置在模板框内，第二温度传感器靠近模板框的内壁设置，第三温度传感器设置在模板框内部的中心处；

步骤三：相变材料层的制备和封装：

制备复合相变材料，制备过程为在相变材料中加入SAP高吸水树脂和粗细粒珍珠岩，形成复合相变材料，再将复合相变材料注入模板框和保温层之间的预留间隙中直至电热带全部埋在复合相变材料中，从而形成相变材料层，再对相变材料层进行封装；

步骤四：浇筑混凝土并养护：

将第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器分别与温度记录仪相连接，在模板框内浇筑混凝土，当第三温度传感器检测到混凝土内部温度降至5℃以下时，对电热带通电，使其所处的相变材料层的温度上升，相变材料层通过模板框对混凝土进行养护，直至第一温度传感器检测到的温度超出相变材料层相变点1～2℃时停止对相变材料层加热，加热的最高温度为35℃，利用相变材料层的相变潜热持续对混凝土进行养护，当第三温度传感器检测到混凝土内部温度降至5℃以下时，再次对电热带通电，使其所处的相变材料层的温度再次上升，周而复始，形成相变材料层通过重复充放热的方式实现对混凝土持续供热养护。

作为优选方案：计算得出相变材料层厚度的过程如下：

根据公式一计算得出对流换热系数h_c，

公式一中风速v是指寒区冬季施工场地的风速，通过在寒区冬季施工场地监测得出；

获取混凝土、模板框以及保温层的比热熔、导热系数、初始温度和密度；相变材料的导热系数、相变温度和相变焓值后，结合寒区冬季施工中对混凝土养护时间值和养护温度值，通过有限元软件的计算，得出混凝土对应的相变材料层的设置厚度。

作为优选方案：相变材料层中复合相变材料的制备过程如下：

将水合盐、细粒珍珠岩、粗粒珍珠岩和高吸水树脂按照质量份数比为1：0.1：0.02：0.0187进行混合，混合顺序为先将水合盐、细粒珍珠岩和粗粒珍珠岩按照质量份数比为1：0.1：0.02进行干拌均匀形成混合物，搅拌的同时对混合物进行水浴加热，使混合物加热至相变融化，再称量高吸水树脂均匀撒在混合物的表面并继续搅拌加热，直至混合物形成果冻状胶体时停止搅拌。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

一、本发明为一种利用相变材料制成的混凝土养护装置，并利用该装置实现的养护方法，适用于寒地冬季里现场施工对混凝土实现持续且节能的养护过程，养护过程无需人工全程监督，养护方式具有往复循环、安全且节能的特点，整个养护进程中使养护混凝土始终处于有效温度范围内，避免无效低温或高温出现而导致养护效果不连贯的缺陷，确保混凝土的各个位置养护均匀，确保混凝土养护后在冬季低温环境中具有优质抗压强度，有利于提高冬季施工的质量。

二、本发明中的养护方法能够有效养护冬季施工的混凝土，原料成本较低，复合相变材料相变点较低，且潜热巨大，热性能良好，相变材料层通过重复充放热的方式使其相变潜热能对混凝土长时间加热。相变材料层通过放热使温度降至相变点之后，可通过重新加热再次发生相变，储存巨大的潜热，作为一种可重复充放热的热电池来对混凝土进行养护。相变材料层的制备过程操作简单，适用于施工现场。相变材料层中的相变材料选取灵活，根据养护混凝土选择合适的相变材料，包括各种有机和无机相变材料。

三、本发明是将相变材料层、模板框和保温层相结合形成结构简单且养护效果均匀的养护装置，其利用相变材料层对混凝土进行养护，还避免相变材料层与混凝土直接接触造成对混凝土耐久性的不利影响。

四、当利用相变材料层中相变材料的相变潜热作为外热源对混凝土加热时，会使得混凝土内部温度保持在相变点附近，温度值维持在5-35℃之间，从而使混凝土内部水泥较好的水化，同时相变材料层温度最高加热到35℃能够直接避免了现有直接电加热法在夜晚工人下班时无法控制温度，很容易引发火灾的弊端。本发明中的相变材料层为复合层体，选用具有阻燃效果的成分组成相变材料，能够增强相变材料的使用安全性，同时相变点温度较低，其巨大的相变潜热一方面能够实现对混凝土持续加热，另一方面还能够防止温度过高带来的火灾风险的发生。

五、本发明中的养护装置简单且成本较低，养护效果全面均匀，无需配合复杂的机械结构，容易加工移动，可多次重复利用。

六、通过在施工现场试验可知，本发明适用于混凝土冬季施工的养护，尤其适用于温度极低的环境中(-15～-30℃)，以能够适用于寒区冬季的较长时间，延长在寒区冬季可施工的天数，且在低温施工中对混凝土的养护效果更为均匀显著，确保施工质量。

附图说明

图1是在本发明养护装置中各个温度传感器分布位置的立体结构示意图；

图2是相变材料层的主视结构示意图；

图3是本发明养护装置的俯视结构示意图；

图4是图3中A-A处的剖面结构示意图；

图5是模板框、相变材料层、保温层和混凝土之间连接关系的主视结构剖面图；

图6是图3中B-B处的剖面结构示意图；

图7是模板框、相变材料层、保温层和混凝土之间连接关系的侧视结构剖面图；

图8是模板框的第一立体结构示意图；

图9是模板框的第二立体结构示意图，图中去掉两个侧板；

图10是模板框的第三立体结构示意图；

图11是本发明的养护装置在养护T形梁时的主视结构剖面图；

图12是混凝土的端角处和内部中心温度变化情况的曲线图。

图中，1-模板层；2-相变材料层；3-保温层；4-混凝土；5-第一凹槽；6-第一凸起；7-第一温度传感器；8-第二温度传感器；9-第三温度传感器；10-测温仪；1-1-顶板；1-2-底板；1-3-侧板；2-1-电热带；2-2-相变材料片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12说明本实施方式，本实施方式包括模板框、相变材料层2和保温层3，所述模板框包括顶板1-1、底板1-2和四个侧板1-3，四个侧板1-3竖直并列设置，四个侧板1-3依次围合形成矩形框体，矩形框体内填充有混凝土4，顶板1-1和底板1-2分别水平设置在矩形框体的顶部和底部，模板框的外壁上设置有相变材料层2；处于顶板1-1外的相变材料层2起到对混凝土4顶面的养护，处于底板1-2外的相变材料层2起到对混凝土4底面的养护，处于每个侧板1-3外的相变材料层2起到对混凝土4侧面的养护。

图1示意了模板层1、相变材料层2、保温层3和混凝土4之间相对位置，相变材料层2内设置有第一温度传感器7，第一温度传感器7的最佳设置位置为相变材料层2的端角处，混凝土4的表面或浅层处设置有第二温度传感器8，混凝土4浅层处指的是混凝土4的浅表层，其距离混凝土表面2～20cm，第二传感器8的最优设置位置为混凝土4的端角处，混凝土4的中心处设置有第三温度传感器9。第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9配合设置有测温仪10，第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9分别与测温仪10相连接，各个温度传感器7与测温仪10相配合的过程与现有技术相同。

进一步的，相变材料层2、保温层3和混凝土4之间厚度关系如下：

模板层1最优选取为木模板，其厚度为2cm，根据混凝土4、模板框以及保温层3的比热熔、导热系数、初始温度和密度，相变材料的导热系数、相变温度和相变焓值后，结合寒区冬季施工中对混凝土养护时间值和养护温度值通过计算能够得到相变材料层2设置厚度，相变材料层2的设置厚度为木模板的两倍以上。保温层3的厚度与木模板的厚度相等或比木模板厚度小1cm，该厚度设置既起到保温效果，维持相变材料层2产生的热量不扩散浪费，还确保了保温材料的用量，减少浪费。

图2示意了相变材料层2是由两个电热带2-1和三个相变材料片2-2交替复合形成的层体，两个相变材料片2-2之间夹持有电热带2-1，表明当电热带2-1的个数为多个，相变材料片2-2的个数为多个时，电热带2-1和相变材料片2-2交替设置，确保相邻的两个相变材料片2-2之间设置有一个电热带2-1即可，电热带2-1和相变材料片2-2之间的距离等距或不等距均可。电热带2-1为现有产品，其能够实现通电加热的效果，其通电加热的工作过程与现有电热带的工作过程相同。电热带2-1为相变材料片2-2提供热源。相变材料片2-2为多种材料形成的复合相变材料层。

进一步的，相变材料层2的外壁设置有保温层3。保温层3为挤塑苯板、棉被、气泡膜或其他现有保温材料制成的层体。模板框为木模板框。其为木质板体，厚度均匀。

进一步的，混凝土4选用C60混凝土，尺寸为400mm×400mm×120mm。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，如图8、图9和图10所示，矩形框体的横向截面的设置形式多种，第一种为矩形框体的横向截面小于顶板1-1的板面积，第二种为矩形框体的横向截面小于底板1-2的板面积，第三种为矩形框体的横向截面小于顶板1-1的板面积，同时矩形框体的横向截面小于底板1-2的板面积，上述多种设置形式均是为了矩形框体的外壁与顶板1-1或底板之间形成填充相变材料层2的空间，便于混凝土4的侧面养护。

顶板1-1的外壁上加工有配合相变材料层2的第一凹槽5，第一凹槽5与保温层3相配合形成填充相变材料层2的预留间隙，增大相变材料层2的填充空间，从而实现在不影响木模板的支撑性能的基础上，为养护提供更加持久且均匀的热量来源，加强混凝土4顶面的养护效果，增大相变材料层2的用量，使无电时养护温度更加持久。同理于底板1-2的外壁上加工有配合相变材料层2的第二凹槽的设置目的，加强混凝土4底面的养护效果。

作为优选实例，第一凹槽5的中心处还加工有第一凸起6，第一凸起6的高度小于第一凹槽5的槽深，从而形成对混凝土4顶面处设置的相变材料层2不等厚的设置形式，如此设置是为了加强混凝土4顶面端角以及边缘处的养护效果。

如图8所示，当第一凹槽5为方形槽体，第一凸起6为十字形凸台时，第一凸起6的四个端部分别与第一凹槽5的四个内侧壁相连接，从而通过第一凸起6的隔离作用在第一凹槽5内形成四个加强养护点，每个加强养护点对应混凝土4顶面的一个端角，便于为相变材料层2提供更多填充空间，在利用相变材料层2同时对混凝土4的顶面进行加热时，能够通过不等厚的设置对混凝土4顶面端角加强养护，从而使混凝土4的养护效果更加均匀，提高养护质量。同理于第二凹槽和第二凸起的设置目的。通过不等厚相变材料层2实现对混凝土4底面端角的加强养护，提升整体养护效果均匀的目的。

作为优选实例，如图9所示，当第一凹槽5为方形槽体，第一凸起6为十字形凸台时，第一凸起6的四个端部分别与第一凹槽5的四个内侧壁间隙设置时，通过第一凸起6的隔离作用在第一凹槽5内形成四个加强养护点和四个边缘加强带，加强养护点和边缘加强带交替设置，每个加强养护点对应混凝土4顶面的一个端角，每个加强养护点对应混凝土4顶面的一个边，便于为相变材料层2提供更多填充空间，在利用相变材料层2同时对混凝土4的顶面进行加热时，能够通过不等厚的设置对混凝土4顶面端角和边缘加强养护，从而使混凝土4的养护效果更加均匀，提高养护质量。同理于第二凹槽和第二凸起的设置目的。通过不等厚相变材料层2实现对混凝土4底面端角的加强养护，提升整体养护效果均匀的目的。

作为优选实例，如图10所示，与图9所示不同之处为，第一凸起6为矩形凸台，为了增大对混凝土4顶面的端角和边缘的养护面积。

作为优选实例，侧板1-3的外壁结构也可根据养护要求设置为与顶板1-1外壁相同的结构方式，从而形成配合不等厚的相变材料层2使用，针对需要加强养护的位置对应设置即可，此时矩形框体的横向截面等于顶板1-1的板面积，同理于侧板1-3与底板1-2的连接关系。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二提及的养护装置实现的养护方法，具体是选择制备合适的相变材料，将相变材料设置在模板框和保温层3之间形成相变材料层2，在模板框内预埋温度传感器，相变材料层2通过模板框实现对混凝土4传热，相变材料层2通过重复充放热的方式实现对混凝土4持续供热养护过程，当混凝土4成型至预定龄期后检测混凝土4的抗压强度。预定龄期为三天。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，本实施方式中的养护方法如下：

步骤一：根据寒区冬季施工中对混凝土养护时间和养护温度的要求计算得出相变材料层2的厚度；

步骤二：将保温层3设置在模板框外，根据步骤一中相变材料层2的厚度设定保温层3和模板框之间的预留间隙，使预留间隙与相变材料层2的厚度相等，将第一温度传感器7设置在预留间隙中，将电热带2-1预先设置在预留间隙中，电热带2-1悬空设置，其配合预留间隙留出配合复合相变材料的填充空间，将第二温度传感器8和第三温度传感器9分别设置在模板框内，第二温度传感器8靠近模板框的内壁设置，第三温度传感器9设置在模板框内部的中心处；

步骤三：相变材料层2的制备和封装：

制备复合相变材料，其制备过程为在相变材料中加入SAP高吸水树脂、粗粒珍珠岩和细粒珍珠岩，形成复合相变材料，再将复合相变材料注入模板框和保温层3之间的预留间隙中直至电热带2-1全部埋设在复合相变材料中形成相变材料层2，再进行封装；

步骤四：浇筑混凝土4并养护：

将第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9分别与温度记录仪10相连接，在模板框内浇筑混凝土4，当第三温度传感器9检测到混凝土4内部温度降至5℃以下时，对电热带2-1进行加热，使其所处的相变材料层2的温度上升，对通过模板框对混凝土4进行养护，直至第一温度传感器7检测到的温度超出相变材料层2相变点1～2℃时停止对相变材料层2加热，利用相变材料层2的相变潜热持续对混凝土4进行养护，当第三温度传感器9检测到混凝土4内部温度降至5℃以下时，再次电热带2-1对相变材料层2内的相变材料再次进行加热，周而复始，形成相变材料层2通过重复充放热的方式实现对混凝土4间歇式导热过程。

进一步的，步骤一中计算得出相变材料层2的厚度的过程如下：

根据公式一计算得出对流换热系数h_c，

公式一中风速v是指寒区冬季施工场地的风速，风速v是通过在寒区冬季施工场地测得；

获取混凝土4、模板框以及保温层3的比热熔、导热系数、初始温度和密度，相变材料的导热系数、相变温度和相变焓值后，结合寒区冬季施工中对混凝土4的养护时间值和养护温度值，通过有限元软件，计算得出混凝土1对应的相变材料层2的厚度，混凝土4、模板框以及保温层3的初始温度通过温度测量即可获得。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式四的进一步限定，本养护方法还包括：测量抗压强度以评定养护效果的过程，具体如下：

对于冬季施工混凝土4，其早期强度与其受冻情况密切相关，将混凝土4养护至三天后测量其抗压强度，对施工现场养护的混凝土4进行抽样检测即可，通过切割机获得标准尺寸试样测量抗压强度，以及受冻程度与其强度相对应。强度越小，代表混凝土受冻损伤越严重；强度越高，说明其养护效果越好。若其抗压强度超出临界抗冻强度，则该混凝土4说明通过本发明的养护装置养护三天之后符合施工要求，能够在冬季施工。上述过程使用的切割机为现有切割混凝土的设备，工作过程与现有切割机相同。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，相变材料层2是在施工现场中现场制备并使用的，制备过程简单，使用性能可靠，具体制备过程如下：

首先将相变材料、粗粒珍珠岩和细粒珍珠岩干拌均匀，之后加热32～33℃至相变，在其表面按比例均匀加入SAP，继续搅拌直至其粘度不再增大为止。将其迅速转移到固定厚度养护装置中，并进行封装。

进一步的，复配质量份数比为水合盐：细粒珍珠岩：粗粒珍珠岩：SAP高吸水树脂＝1：0.1：0.02：0.0187。复配相变材料时首先将水合盐、粗细粒珍珠岩按照固定比例干拌均匀，在搅拌的同时用通过水浴加热的方式使其加热至相变融化。之后将称量的SAP高吸水树脂均匀撒在其表面继续搅拌加热，其粘度逐渐增大直至成为果冻状胶体。

进一步的，封装使用简单的塑料布或其他的能够避免相变材料和空气直接接触的材料。养护开始后，通过预埋在相变材料和混凝土内部的热电偶来监测混凝土角落和相变材料温度，避免混凝土受冻。

进一步的，储能材料利用的是相变材料，包括十水硫酸钠、十二水磷酸氢二钠和十水碳酸钠等无机相变材料及石蜡等有机相变材料。本发明中选择价格较为低廉且相变点较低的无机水合盐为主要相变材料，利用SAP高吸水树脂定型，利用粗细粒珍珠岩进行复配。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六进一步限定，本发明能够通过耦合电热带2-1多次重复冲放热，以此适应不同的低温环境，易于施工质量控制。材料相变层2厚度的具体设定是基于有限元基本理论，通过测量相变材料层2、保温层3、混凝土4以及木模板的热性质(主要是导热系数，热熔，潜热，密度等热参数)，表面对流换热系数，各部分初始温度，及设计的一轮养护时间，利用公式二和公式三：

公式二：

公式三：

即可计算出相变层厚度。其中[K]为传导矩阵，包括导热系数、对流系数及辐射率的形状系数(本试验中辐射率的形状系数忽略不计)；[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T}为节点温度向量；

温度对时间的导数；{Q}为节点热流率向量。相变材料层2、保温层3、混凝土4以及木模板的热性质的各个指标如下表：

	比热容(J/kg·K)	导热系数(W/(m·K)	密度(kg/m<sup>3</sup>)
				混凝土	975	1.321	2480
木模板	2410	0.130	450
				挤塑苯板	1530	0.042	27
相变材料		0.620

相变材料层2的相变过程通过定义相对焓值得到，通过DSC方法测得相变潜热为220kJ/kg，相变温度为32.1℃。

温度(℃)	-20	32	33	85
					焓值(J/m<sup>3</sup>)	0	52000090	272100090	324100180

对流换热系数以下公式计算得到，针对施工场地风速为1.62m/s的环境下，利用下列经验公式计算得到对流换热系数为12W/(m^2·℃)。

混凝土4、木模板及挤塑苯板初始温度设为20℃，相变材料层2的初始温度设为35℃(此时相变层已完全发生相变)。通过有限元软件计算得出，当相变材料层2的厚度为4cm的情况下，一次充热完成后，相变材料层2能够使得混凝土在27个小时内温度保持在5℃以上，符合混凝土4的养护时间和养护温度的要求。

具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，如图11所示，当本发明用于养护T形梁时，顶板1-1外壁的设置结构不变，为不等厚的相变材料层2提供设置空间，底板1-2为平板即可，侧板1-3的外壁上从上至下依次加工有多个不等高的水平槽，每个水平槽的槽高根据相变材料层2、保温层3、混凝土4以及木模板的热性质计算进行具体设定，划分多个规则形状进行具体计算即可。

具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八的进一步限定，电热带2-1的电源与测温仪10之间配合设置有控制器，控制器为现有产品，用于通过测温仪10采集的温度信号，控制电热带2-1的停止加热和启动加热的过程，电热带2-1的电源、测温仪10和控制器之间的控制过程与现有技术相同。

具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九进一步限定，本发明经过试验测试可知，在冬季施工中，室外温度低于-15℃，第一天先对相变材料层2进行加热，加热时间为3至4小时，然后在模板框内浇筑混凝土4(时间为第一天晚上六时)，到第二天晚上十一点，第二温度传感器8检测到混凝土4的边角温度降至5℃，再次启动相变材料层2进行充热，充热至第三天凌晨四点，相变材料层2再次充满热，停止对相变材料层2充热，至第三天凌晨六点，混凝土角落温度再次降至5℃，至此不在重复加热，直至三天龄期即可，整个过程实现对相变材料层2间歇式加热，相变材料层2实现对混凝土4多天无间断的恒温养护，从而说明本发明相对于现有全天式加热的养护方式，加热时间短，热能利用率高，耗能少，符合节能减排的要求。

结合本发明的有益效果说明以下实施例：

结合图12说明本实施例：利用相变材料对C60混凝土在-15℃的外界环境下进行养护，通过预埋在混凝土4中心、角落和相变材料内部的热电偶来控制相变材料充热时间。混凝土4的尺寸为400mm×400mm×120mm。新拌混凝土转入-15℃冷库中，利用相变材料养护3天。提前配置相变材料使其相变，快速装入模板框和保温层3之间形成的预留间隙中，从而形成相变材料层2，并将其包覆在混凝土4表面。

本实验采用的相变材料为十水硫酸钠，相变点为32.1℃，相变潜热为220kJ/kg。在混凝土内部温度降至5℃时，通过均匀布置的伴热带对相变材料层2加热，直至相变材料层2的温度为35℃(表示此时相变材料层2内部相变材料已全部发生相变)。三天之后，通过双轴切割机对将混凝土4切割成标准尺寸试样用于测量其抗压强度。通过测温仪10记录混凝土4的内部温度曲线，掌握对混凝土4内部温度随时间变化的情况，最终测得混凝土4三天后的抗压强度为34.7MPa。从图12中能够看到，通过相变材料层2的第一轮相变放热养护能够使混凝土4内部在28h内温度在5℃以上，混凝土4内部水泥能够进行较好的水化。混凝土4的温度降至5℃之后再次对相变材料层2进行充热直至其温度到达35℃，此时可认为相变材料层2已经完全发生相变，储存了巨大的相变潜热持续对混凝土4的养护。对该结构来说，养护期间对相变材料再进行一次充热即可使得混凝土4的内部在三天内充分进行水化。三天龄期后测量得到的混凝土抗压强度超出混凝土冬季施工规范中给出的临界受冻强度，说明本发明的可靠性。

综上，作为一种在寒区冬季施工养护混凝土的装置和方法，本发明利用相变材料层2来对混凝土进行养护，在用于养护时，提前制备封装相变材料，并在其内部提前布置电热带2-1形成相变材料层2，电热带2-1用于对相变材料进行充热。提前将相变材料温度加热到相变点以上，将其包覆在木模板的表面，外面覆盖一层保温层3，直接放在负温环境中进行养护，并通过在混凝土4内部预埋热电偶来检测混凝土4内部温度，通常混凝土4角落处温度低于内部温度。通过检测混凝土角落温度来对确定对相变材料充热的时间。养护至3天龄期后，通过测量其抗压强度来评定其养护效果。本发明通过多次样品试验结果可知，本发明对寒区冬季施工中混凝土的养护效果均匀稳定，对混凝土的养护工作具有指导意义。

Claims (6)

1.一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置，其特征在于：它包括模板框、相变材料层(2)和保温层(3)，所述模板框包括顶板(1-1)、底板(1-2)和四个侧板(1-3)，四个侧板(1-3)竖直并列设置，四个侧板(1-3)依次围合形成矩形框体，矩形框体内填充有混凝土(4)，顶板(1-1)和底板(1-2)分别水平设置在矩形框体的顶部和底部，模板框的外壁上设置有相变材料层(2)，相变材料层(2)为通电蓄热的层体，相变材料层(2)的外壁设置有保温层(3)；

相变材料层(2)内设置有第一温度传感器(7)，混凝土(4)的端角处设置有第二温度传感器(8)，混凝土(4)的中心处设置有第三温度传感器(9)；

矩形框体的横向截面小于顶板(1-1)或/和底板(1-2)的板面积，顶板(1-1)的外壁上加工有配合相变材料层(2)的第一凹槽(5)，底板(1-2)的外壁上加工有配合相变材料层(2)的第二凹槽；

第一凹槽(5)的中心处加工有第一凸起(6)，第一凸起(6)的高度小于第一凹槽(5)的槽深；第二凹槽的中心处加工有第二凸起，第二凸起的高度小于第二凹槽的槽深；

相变材料层(2)是由多个电热带(2-1)和多个相变材料片(2-2)交替复合形成的层体，相邻两个相变材料片(2-2)之间夹持有电热带(2-1)；

当第一凹槽(5)为方形槽体，第一凸起(6)为十字形凸台时，第一凸起(6)的四个端部分别与第一凹槽(5)的四个内侧壁相连接，从而通过第一凸起(6)的隔离作用在第一凹槽(5)内形成四个加强养护点，每个加强养护点对应混凝土(4)顶面的一个端角；

当第一凹槽(5)为方形槽体，第一凸起(6)为十字形凸台时，第一凸起(6)的四个端部分别与第一凹槽(5)的四个内侧壁间隙设置时，通过第一凸起(6)的隔离作用在第一凹槽(5)内形成四个加强养护点和四个边缘加强带，加强养护点和边缘加强带交替设置，每个加强养护点对应混凝土(4)顶面的一个端角，每个加强养护点对应混凝土(4)顶面的一个边。

2.根据权利要求1所述的一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置，其特征在于：顶板(1-1)、底板(1-2)和侧板(1-3)均为木模板。

3.利用权利要求2所述的一种用于寒区冬季施工的混凝土养护装置实现的养护方法，其特征在于：将处于模板框和保温层(3)之间的相变材料层(2)通过模板框对混凝土(4)进行传热，相变材料层(2)通过重复充放热的方式实现对混凝土(4)持续供热养护过程。

4.根据权利要求3所述的养护方法，其特征在于：该养护方法包括如下步骤：

步骤一：根据寒区冬季施工中对混凝土养护时间和养护温度的要求计算得出相变材料层(2)的厚度；

步骤二：将保温层(3)设置在模板框外，根据步骤一中相变材料层(2)的厚度确定保温层(3)和模板框之间的预留间隙，使预留间隙与相变材料层(2)的厚度相等，将第一温度传感器(7)设置在预留间隙中，将电热带(2-1)预先设置在预留间隙中，将第二温度传感器(8)和第三温度传感器(9)分别设置在模板框内，第二温度传感器(8)靠近模板框的内壁设置，第三温度传感器(9)设置在模板框内部的中心处；

步骤三：相变材料层(2)的制备和封装：

制备复合相变材料，制备过程为在相变材料中加入SAP高吸水树脂和粗细粒珍珠岩，形成复合相变材料，再将复合相变材料注入模板框和保温层(3)之间的预留间隙中直至电热带(2-1)全部埋在复合相变材料中，从而形成相变材料层(2)，再对相变材料层(2)进行封装；

步骤四：浇筑混凝土(4)并养护：

将第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)和第三温度传感器(9)分别与温度记录仪(10)相连接，在模板框内浇筑混凝土(4)，当第三温度传感器(9)检测到混凝土(4)内部温度降至5℃以下时，对电热带(2-1)通电，使其所处的相变材料层(2)的温度上升，相变材料层(2)通过模板框对混凝土(4)进行养护，直至第一温度传感器(7)检测到的温度超出相变材料层(2)相变点1～2℃时停止对相变材料层(2)加热，加热的最高温度为35℃，利用相变材料层(2)的相变潜热持续对混凝土(4)进行养护，当第三温度传感器(9)检测到混凝土(4)内部温度降至5℃以下时，再次对电热带(2-1)通电，使其所处的相变材料层(2)的温度再次上升，周而复始，形成相变材料层(2)通过重复充放热的方式实现对混凝土(4)持续供热养护。

5.根据权利要求4所述的养护方法，其特征在于：计算得出相变材料层(2)厚度的过程如下：

根据公式一计算得出对流换热系数h_c，

公式一中风速v是指寒区冬季施工场地的风速，通过在寒区冬季施工场地监测得出；

获取混凝土(4)、模板框以及保温层(3)的比热熔、导热系数、初始温度和密度；相变材料的导热系数、相变温度和相变焓值后，结合寒区冬季施工中对混凝土养护时间值和养护温度值，通过有限元软件的计算，得出混凝土(4)对应的相变材料层(2)的设置厚度。

6.根据权利要求4或5所述的养护方法，其特征在于：相变材料层(2)中复合相变材料的制备过程如下：

将水合盐、细粒珍珠岩、粗粒珍珠岩和高吸水树脂按照质量份数比为1：0.1：0.02：0.0187进行混合，混合顺序为先将水合盐、细粒珍珠岩和粗粒珍珠岩按照质量份数比为1：0.1：0.02进行干拌均匀形成混合物，搅拌的同时对混合物进行水浴加热，使混合物加热至相变融化，再称量高吸水树脂均匀撒在混合物的表面并继续搅拌加热，直至混合物形成果冻状胶体时停止搅拌。

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