CN111579582A - 一种堆石混凝土绝热温升的确定方法 - Google Patents

一种堆石混凝土绝热温升的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种堆石混凝土绝热温升的确定方法。首先，通过试验方法分别获得堆石和自密实混凝土的导热系数、比热容、密度等基本物理量的值，并通过绝热温升试验确定自密实混凝土的绝热温升表达式。然后，构建堆石混凝土试件的细观有限元模型，用有限单元法模拟自密实混凝土的发热过程、自密实混凝土与堆石之间的传热过程以及自密实混凝土和堆石的温升过程，计算不同龄期时堆石混凝土试件的温度场，通过将试件各部分的温度值按体积进行平均，获得堆石混凝土不同龄期的宏观绝热温升值。最后对获得的绝热温升数据进行曲线拟合，得到相应的函数表达式。本发明能够提供更加全面、准确的绝热温升结果。

Description

一种堆石混凝土绝热温升的确定方法
技术领域
本发明涉及一种堆石混凝土绝热温升的确定方法，属于水利水电工程技术领域。
背景技术
大体积混凝土，特别是大坝混凝土，在水利水电建设中占有极其重要的地位。大体积混凝土结构在施工期和运行期，由于温度变化，经常会产生较大的拉应力，导致结构出现裂缝，破坏结构的整体性。因此，温度控制是大体积混凝土应用的关键问题。
温度控制的重要措施之一是降低混凝土的水化热。一般而言，可以采用减少用水量或采用大粒径骨料以增加骨料用量的方法，而堆石混凝土恰恰满足这一要求。
堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，简称RFC)是指先将满足一定粒径要求的块石(或卵石)自然堆满仓面，然后在堆石体表面浇注满足特殊要求的自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，简称SCC)，无需振捣，仅依靠其自重充填堆石体的空隙，所形成的完整密实的混凝土。
相比于水利水电工程中较常使用的常态混凝土和碾压混凝土，堆石混凝土的水泥用量更少，骨料用量更大，具有低碳环保、低水化热、工艺简便、造价低廉、施工速度快等特点。堆石混凝土在大体积混凝土工程中具有巨大的应用潜力。
绝热温升是衡量混凝土发热性能的重要指标，是进行混凝土结构设计的重要依据，一般由试验直接测定。但是，由于堆石混凝土中的堆石粒径可高达1m，很难直接进行绝热温升试验，因此目前获得堆石混凝土的绝热温升的主要方法是采用经验公式，直接将自密实混凝土的绝热温升和堆石(假定堆石不发热)按堆石率进行平均。这种取值方法过于依赖经验，不能准确的给出堆石混凝土的绝热温升过程。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种堆石混凝土绝热温升的确定方法。用该方法可以获得描述堆石混凝土宏观绝热温升的表达式，进而获得堆石混凝土任意龄期的宏观绝热温升值。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种堆石混凝土绝热温升的确定方法，包括以下步骤：
S1：通过试验方法，分别获得堆石和自密实混凝土的导热系数、比热容、密度；
S2：测定堆石混凝土的堆石率；
S3：通过绝热温升试验，获得自密实混凝土的绝热温升参数，确定其绝热温升表达式；
S4：分别测量堆石和自密实混凝土的入仓温度，将二者的入仓温度按照堆石率进行平均，获得堆石混凝土的入仓温度；
S5：根据堆石率和堆石的粒径分布情况，建立堆石混凝土试件的细观有限元模型；
S6：根据上述获取的计算参数和建立的模型，用有限单元法，计算堆石混凝土试件不同龄期时的温度场；
S7：将计算得到的温度场中各单元的温度值按体积进行平均，获得堆石混凝土试件的不同龄期时的宏观温度值；
S8：将堆石混凝土试件的不同龄期时的宏观温度值减去堆石混凝土的入仓温度，从而获得堆石混凝土不同龄期时的宏观绝热温升值；
S9：对计算得到的堆石混凝土不同龄期的宏观绝热温升值进行数据拟合，获得能够描述堆石混凝土绝热温升的表达式。
进一步的，具体的包括以下步骤：
S1：通过试验方法，获取堆石的导热系数λr、比热容cr、密度ρr和自密实混凝土的导热系数λr、比热容cr、密度ρr等物理量的值；
S2：测定堆石混凝土的堆石率n；
S3：通过绝热温升试验，获得自密实混凝土的绝热温升参数θ0 scc、ascc、bscc，确定其绝热温升θscc(τscc)的表达式：
绝热温升θscc(τscc)的表达式：
Figure BDA0002499222040000021
其中的θ0 scc、ascc、bscc为自密实混凝土的绝热温升参数；
τscc表示自密实混凝土的龄期；
S4：测量堆石的入仓温度T0 r和自密实混凝土的入仓温度T0 scc，将二者的入仓温度按照堆石率n进行平均，获得堆石混凝土的入仓温度T0 rfc：
Figure BDA0002499222040000022
T0 r为堆石的入仓温度；
T0 scc为自密实混凝土的入仓温度；
n为堆石率；
S5：根据堆石率n和堆石的粒径分布情况，建立堆石混凝土试件的细观有限元模型；
S6：根据S1～S5步获取的计算参数和建立的模型，综合考虑自密实混凝土的发热过程、自密实混凝土与堆石之间的传热过程以及自密实混凝土和堆石的温升过程，用有限单元法，计算堆石混凝土试件不同龄期τ时的温度场；
S7.将计算得到的温度场中各单元的温度值按体积进行平均，获得堆石混凝土试件的不同龄期的宏观温度值Trfc(τ)：
Figure BDA0002499222040000031
公式3中，x,y,z表示模型中的笛卡尔坐标系的坐标，τ表示堆石混凝土的龄期，i表示模型中的单元编号，m为模型中的单元总数，T(x,y,z,τ)表示模型中点(x,y,z)在龄期τ时的温度值，△Ri表示模型中第i个单元的体积，V为模型的总体积；
S8：将堆石混凝土不同龄期的宏观温度值Trfc(τ)减去堆石混凝土的入仓温度T0 rfc，得到堆石混凝土的宏观绝热温升值θrfc(τ)：
Figure BDA0002499222040000032
S9：对计算得到的堆石混凝土不同龄期τ对应的宏观绝热温升值θrfc(τ)进行数据拟合，获得能够描述堆石混凝土绝热温升的表达式：
Figure BDA0002499222040000033
θrfc(τ)为宏观绝热温升值；θ0 rfc、arfc、brfc为自密实混凝土的绝热温升参数；
根据公式5，即可获得堆石混凝土任意龄期时的绝热温升值。
本发明申请提供的一种堆石混凝土绝热温升的确定方法，具有有益效果：
本发明采用有限单元法，精确地模拟自密实混凝土的发热过程、自密实混凝土与堆石之间的传热过程以及自密实混凝土和堆石的温升过程，将堆石混凝土各部分的温度值按体积进行平均，从而获得堆石混凝土不同龄期的宏观绝热温升值，最后对获得的绝热温升数据进行曲线拟合，得到相应的函数表达式；应用该表达式，可以准确获取堆石混凝土任意时刻的绝热温升值，为堆石混凝土结构设计和数值仿真计算提供准确的参数。
附图说明
图1是实施例堆石混凝土的构成示意图；
图2A是实施例堆石混凝土试件的细观模型；
图2B是实施例堆石混凝土试件的细观模型的有限元网格；
图3(1)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为0.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(2)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为1天的堆石混凝土的温度场；
图3(3)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为1.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(4)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为2.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(5)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为3.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(6)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为5.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(7)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为7.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(8)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为10.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(9)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为13.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(10)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为19.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(11)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为25.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(12)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为35.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(13)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为50.5天的堆石混凝土的温度场；
图3(14)是实施例用有限单元法计算得到的龄期为70.5天的堆石混凝土的温度场。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
下面以图1所示某堆石混凝土为例，确定堆石混凝土的绝热温升，包括以下步骤：
S1：通过试验方法，获取堆石的导热系数λr、比热容cr、密度ρr和自密实混凝土的导热系数λr、比热容cr、密度ρr等物理量的值，如表1所示：
表1
Figure BDA0002499222040000041
S2：测定堆石混凝土的堆石率n为0.53。
S3：通过绝热温升试验，获得自密实混凝土的绝热温升参数，并确定其绝热温升θscc(τscc)的表达式，如公式6所示，其中的τscc表示自密实混凝土的龄期。
Figure BDA0002499222040000042
S4：通过测量，获得堆石的入仓温度T0 r为10℃，自密实混凝土的入仓温度T0 scc为25℃，将二者的入仓温度按照堆石率n进行平均，如公式2所示，计算获得堆石混凝土的入仓温度T0 rfc为17.05℃。
Figure BDA0002499222040000051
S5：根据堆石率n和堆石的粒径分布情况，建立堆石混凝土试件的细观有限元模型，如图2A和图2B所示；
S6：根据S1～S5步获取的计算参数和建立的模型，考虑自密实混凝土的发热过程、自密实混凝土与堆石之间的传热过程以及自密实混凝土和堆石的温升过程，用有限单元法，计算堆石混凝土试件不同龄期τ时的温度场，如图3(1)到图3(14)所示。
S7.将计算得到的温度场中各单元的温度值按体积进行平均，如公式3所示，获得堆石混凝土试件的不同龄期的宏观温度值Trfc(τ)，见表2。
Figure BDA0002499222040000052
公式3中，x,y,z表示模型中的笛卡尔坐标系的坐标，τ表示堆石混凝土的龄期，i表示模型中的单元编号，m为模型中的单元总数，T(x,y,z,τ)表示模型中点(x,y,z)在龄期τ时的温度值，△Ri表示模型中第i个单元的体积，V为模型的总体积。
表2
Figure BDA0002499222040000053
S8：将堆石混凝土不同龄期的宏观温度值Trfc(τ)减去堆石混凝土的入仓温度T0 rfc，如公式4所示，得到堆石混凝土的宏观绝热温升值θrfc(τ)，如表3所示；
Figure BDA0002499222040000061
表3
Figure BDA0002499222040000062
S9：对表3中计算得到的堆石混凝土不同龄期τ对应的宏观绝热温升值θrfc(τ)进行数据拟合，获得能够描述堆石混凝土绝热温升的双指数表达式，如公式7所示：
Figure BDA0002499222040000063
根据公式7，即可获得堆石混凝土任意龄期时的绝热温升值。

Claims (3)

1.一种堆石混凝土绝热温升的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过试验方法，分别获得堆石和自密实混凝土的导热系数、比热容、密度；
S2：测定堆石混凝土的堆石率；
S3：通过绝热温升试验，获得自密实混凝土的绝热温升参数，确定其绝热温升表达式；
S4：分别测量堆石和自密实混凝土的入仓温度，将二者的入仓温度按照堆石率进行平均，获得堆石混凝土的入仓温度；
S5：根据堆石率和堆石的粒径分布情况，建立堆石混凝土试件的细观有限元模型；
S6：根据上述获取的计算参数和建立的模型，用有限单元法，计算堆石混凝土试件不同龄期时的温度场；
S7：将计算得到的温度场中各单元的温度值按体积进行平均，获得堆石混凝土试件的不同龄期时的宏观温度值；
S8：将堆石混凝土试件的不同龄期时的宏观温度值减去堆石混凝土的入仓温度，从而获得堆石混凝土不同龄期时的宏观绝热温升值；
S9：对计算得到的堆石混凝土不同龄期的宏观绝热温升值进行数据拟合，获得能够描述堆石混凝土绝热温升的表达式。
2.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土绝热温升的确定方法，其特征在于，S4步骤中所述的堆石混凝土的入仓温度T0 rfc：
Figure FDA0002499222030000011
T0 r为堆石的入仓温度；
T0 scc为自密实混凝土的入仓温度；
n为堆石率。
3.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土绝热温升的确定方法，其特征在于，S7步骤中堆石混凝土试件的不同龄期的宏观温度值Trfc(τ)：
Figure FDA0002499222030000012
x,y,z表示模型中的笛卡尔坐标系的坐标，τ表示堆石混凝土的龄期，i表示模型中的单元编号，m为模型中的单元总数，T(x,y,z,τ)表示模型中点(x,y,z)在龄期τ时的温度值，△Ri表示模型中第i个单元的体积，V为模型的总体积。
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