CN114544700A - 一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法，包括步入式高低温交变湿热试验箱和大体积混凝土样本，所述大体积混凝土样本内部从上至下预埋有多层温湿度传感器和温度传感器，大体积混凝土样本内部竖向设有加热棒，所述温湿度传感器和温度传感器的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱外部的数据采集装置连接，本发明能够基于温度热响应原理，实时、快速、无损地测试混凝土导热系数。

Description

一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土大坝智能温度调控技术领域，具体地指一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法。

背景技术

在我国西北方极寒地区，由于外界气候条件较复杂，气温变化剧烈(日变幅可达40℃)，通常导致坝体内部出现较大的温度梯度，从而产生温度应力。混凝土是一种具有良好抗压性能的材料，却不能抵抗过大的拉应力。由于温度的变化，混凝土坝在施工期和运行期经常会出现较大拉应力，而混凝土是一种脆性易开裂的材料，在较大拉应力作用下易产生裂缝，从而破坏结构整体性，降低结构耐久性，对大坝的安全运行产生影响。传统的大坝混凝土温度控制主要以控制混凝土最大温升为主，施工期结束以后，坝体只能被动应对内外部温度变化所带来的温度应力和其他应力破坏，而在极端气温变化条件下，常规的保温措施无法满足要求，使得坝体内产生过大的温度梯度，从而产生过大的温度应力，导致坝体产生裂缝。

在外界气温剧烈变化条件下，混凝土内部的温度热传导过程对大坝混凝土智能温度调控起着关键作用。影响混凝土内部热量传导的主要因素包括混凝土的导热系数、比热容以及密度等。其中，影响混凝土导热系数的因素最为复杂，其导热性能不仅受混凝土自身材料组成的影响，例如骨料种类、水泥品种、孔隙率、龄期等，也受外界环境温度、湿度等因素的影响。研究混凝土导热系数在多种因素耦合作用下的变化规律，能够为大坝混凝土智能温度调控系统提供科学的参数支撑。

国内外已有众多学者对混凝土导热系数测试方法开展了研究，目前，混凝土导热系数测试方法主要分为稳态法和瞬态法。其中，稳态法包括防护热板法、热流计法以及水流量平板法；瞬态法包括热线法、瞬态平面热源法、激光闪射法。稳态法立足于傅里叶定律，具有计算简单、直观易行的特点，是导热系数测试常用的方法，但是由于稳态法中构建稳定的温度梯度较为困难，所以稳态法的测试周期一般较长。这也导致稳态法测试的结果差异性较大，精度不高，例如，不同防护热板法测试装置在-20℃～80℃的测试结果差异约为2％～3％，高温区的差异可达到10％以上。此外，混凝土的导热系数随着外界环境条件、自身水化反应等因素不断变化，因此，稳态法不能够实时、准确快速的对混凝土导热系数进行测试。瞬态法的测试原理是对处于热平衡的试样施加热干扰，通过测试试样的温度变化，结合非稳态导热微分方程，采用一定的数值手段计算出待测物的导热系数。瞬态法不需要构建稳定的温度梯度，因此具有快速、便捷的特点，同时也对环境的要求低。目前常用的基于瞬态法的混凝土导热系数测试方法主要包括瞬态平面热源法、瞬态热线法等方法。混凝土是典型的非均质材料，其内部各部位的导热系数变化复杂，目前基于瞬态法发展的导热系数测试方法大多仅能测试混凝土某一点的导热系数，无法衡量混凝土整体的导热能力，从而无法运用于工程实践。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法，以解决背景技术中提出的问题，能够基于温度热响应原理，实时、快速、无损地测试混凝土导热系数。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种大体积混凝土导热系数测试装置，包括步入式高低温交变湿热试验箱和大体积混凝土样本，所述大体积混凝土样本内部从上至下预埋有多层温湿度传感器和温度传感器，大体积混凝土样本内部竖向设有加热棒，所述温湿度传感器和温度传感器的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱外部的数据采集装置连接。

优选地，大体积混凝土样本侧部和底部包裹有温度补偿及保温材料。

优选地，所述温度补偿及保温材料由内向外依次包括陶瓷纤维纸、加热丝、聚氨酯和橡塑保温棉。

优选地，所述大体积混凝土样本为圆柱体结构，其中心线区域竖向设置加热棒。

优选地，所述大体积混凝土样本内部每相邻两层温湿度传感器彼此异面，每相邻两层温度传感器彼此异面，位于同一层的温湿度传感器和温度传感器彼此交错对称设置。

优选地，所述大体积混凝土样本为直径1m、高1m的圆柱体结构；所述温湿度传感器在大体积混凝土样本内部不同深度布置十层，各层由上到下布置由密到疏，各层间距由上到下逐渐增大，从最小间距4cm增大到最大间距18cm，每层布置有四支温湿度传感器，布置形式为交错对称布置，位于半径3cm和33cm或者位于18cm和48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心横向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心竖向对称排列。

优选地，所述温度传感器在样本内部不同深度布置了十层，第七层为中心层，除了中心层对称布置了十二支以外，其余每层对称布置八支，位于半径3cm、18cm、33cm、48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心竖向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心横向对称排列。

另外，本发明还公开上述大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，它包括如下步骤：

S1、将温湿度传感器和温度传感器的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱外部的数据采集装置连接；

S2、预设步入式高低温交变湿热试验箱内所需要的温度和湿度条件；

S3、关闭步入式高低温交变湿热试验箱的箱门，启动大体积混凝土样本内的加热棒，开始进行试验；

S4、观察和记录温度及湿度数据，根据记录到的实时数据调整加热棒的运行时间；

S5、试验结束后，根据记录到的数据，利用基于有限元的最小二乘法，对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试。

进一步地，所述S5中对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试的过程如下：

计算域内任意点都满足热传导方程：

式中λ为导热系数，W/(m·K)；Q为混凝土内部单位时间内单位体积中产生的水化热，kJ/(m³·h)；Q′为加热丝工作时补偿的热量，kJ/(m³·h)；Q″为内部加热棒工作时产生的热量，kJ/(m³·h)；T为温度，℃；t为时间，h。

初始温度场是已知函数，认为初始瞬间的温度分布为常数，初始条件亦为已知常数；而边界条件为第三类边界条件，混凝土样本上表面的热流量与上表面温度和气温之差成正比，四周和底面为绝热面，表面放热系数为0，转化为绝热条件；

对式(1)在空间域采用伽辽金方法离散，在时间域采用中心差分方案(伽辽金法)，即η取0.5，得到的有限元格式如下：

其中{T}为节点温度矩阵，[C]和[K]分别为热容矩阵和导热系数矩阵，{F}为节点荷载矩阵；矩阵[C]里面的元素是混凝土体积比热容的函数，而矩阵[K]是导热系数的函数，带入相应的温度向量，式(2)改写为：

[C′]{ρc}^t+[K′]{λ}^t＝{F}，t∈[t_m，t_m+Δt] (3)

其中[C′]和[K′]分别为热容和导热系数的系数矩阵，表示为节点温度的函数：

式(2)可以简化为：

Ax^t＝F，t∈[t_m，t_m+Δt] (6)

式(6)中A、x^t分别为该时间步待求材料参数列阵及系数矩阵：

A＝[C′ K′] (7)

式(6)是以热容(ρc)^t和导热系数λ^t为基本未知量的超方程组，通常方程数大于待求未知量个数，采用最小二乘法求解，寻求一组解x_j，使函数f(x)取得最小值：

在得到比热容及导热系数的系数矩阵之后，可通过左右各乘系数矩阵的转置对其进行求解。

进一步地，基于有限元的最小二乘法的混凝土导热系数求解步骤如下：

1)根据需求确定计算步长；

2)建立划分有限元计算网格，给定边界条件和初始条件，输入不同时间的温度、湿度变化数据；

3)计算和矩阵；

4)在计算时间步内采用有限元进行求解；

5)进行下一时间步的计算；

6)检验计算结果的合理性和正确性。

本发明的有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1)采用高精度的温度传感器和温湿度传感器，相比较现有的导热系数测试技术，测得的数据误差较小；

2)温度传感器、温湿度传感器在不同深度布置了十层，且每层布置较密集合理，测得的有效数据量更多，更合理，更可靠；

3)试验箱内的温度、湿度可以自由控制调节，加热棒内源的运行时间也可以人为控制，从而能模拟实际工程中不同时期、不同时间的情况；

4)大体积混凝土样本侧面和底面采用多层保温材料及加热丝包裹，进行绝热处理，尽可能保证热量仅沿竖向一维传导，简化复杂的多维度热量传导过程；

5)本发明同时考虑了温度和湿度对混凝土导热系数的影响，温度和湿度本身会相互影响，对导热系数的影响是综合的、复杂的，同时也是更合理的、更真实的；

6)本发明是基于有限元的最小二乘法来对数据进行处理，提前给定边界条件和初始条件，得到混凝土的导热系数，实现导热系数的测试，数值计算的结果较为可靠、可信；

7)本发明大体积混凝土导热系数测试装置搭建完成后，只需将数据整理完成，输入程序运行计算即可，操作较为简便快捷。

附图说明

图1为本发明的整体内部前视结构示意图；

图2为本发明传感器在大体积混凝土样本内埋设的层距结构示意图；

图3为本发明每层传感器在大体积混凝土样本内埋设的俯视结构示意图；

图4为本发明加热丝及保温材料在大体积混凝土样本表面的分布示意图；

图5为预设试验箱温度模拟年气温变化曲线图；

图6为大体积混凝土样本内半径为3cm处的各层温度变化曲线图；

图7为大体积混凝土样本内半径为18cm处的各层温度变化曲线图；

图8为大体积混凝土样本内半径为33cm处的各层温度变化曲线图；

图9为大体积混凝土样本内半径为48cm处的各层温度变化曲线图；

图10为大体积混凝土样本模型网格划分图；

图11为大体积混凝土样本温度云图；

图12为大体积混凝土样本导热系数及温度变化过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至4所示，一种大体积混凝土导热系数测试装置，包括步入式高低温交变湿热试验箱1和大体积混凝土样本2，所述大体积混凝土样本2内部从上至下预埋有多层温湿度传感器3和温度传感器4，大体积混凝土样本2内部竖向设有加热棒5，所述温湿度传感器3和温度传感器4的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱1外部的数据采集装置6连接。在本实施例中，数据采集装置6包括温度采集模块、温湿度采集模块、直流电源、显示器和主机；直流电源为采集模块提供所需的24V电压；显示器上显示采用Fortran和C#联合编写的数据采集程序，显示并记录传感器采集的温湿度数据。试验箱1采用方正计量检测有限公司生产的步入式高低温交变湿热试验箱，温度控制范围为-40℃～90℃，湿度控制范围为30％～95％，温度和湿度偏差分别在±1.5℃和±3％以内；所述试验箱通过在显示控制屏上预设数值来控制试验箱内的温度和湿度，所述显示控制屏设置有定值和程式两种模式，定值即输入恒定的温度、湿度值，程式即输入预设好的变化的温度、湿度值。温度传感器4采用曼伦精度为0.1℃的PT-100型高精度温度传感器；温湿度传感器3采用上海搜博公司的SLHT7-9高精度温湿度传感器，温度、湿度精度分别为±0.3℃、±1.5％；加热棒5采用直径8mm、长度150mm、电压220V、功率300W的单端加热棒。

优选地，大体积混凝土样本2侧部和底部包裹有温度补偿及保温材料7。对大体积混凝土而言，热量在其内部的传导过程是多维度的，且混凝土各部位的导热系数均不相同，因此体积较大混凝土的导热系数测试较为复杂；本发明大体积混凝土样本2的四周和底部包裹有温度补偿及保温材料7，使热量在混凝土内部仅沿一个方向传导，简化混凝土的导热系数测试。

优选地，所述温度补偿及保温材料7由内向外依次包括陶瓷纤维纸71、加热丝72、聚氨酯73和橡塑保温棉74。加热丝72外面包裹一层聚氨酯73可以保温阻燃。

优选地，所述大体积混凝土样本2为圆柱体结构，其中心线区域竖向设置加热棒5。在本实施例中，加热棒5为圆柱体状，在大体积混凝土样本2内部中心层中间布置两支加热棒5作为内源来施加热扰动，加热棒5的导线从大体积混凝土样本顶部延展出来。

优选地，所述大体积混凝土样本2内部每相邻两层温湿度传感器3彼此异面，每相邻两层温度传感器4彼此异面，位于同一层的温湿度传感器3和温度传感器4彼此交错对称设置。

优选地，所述大体积混凝土样本2为直径1m、高1m的圆柱体结构；所述温湿度传感器3在大体积混凝土样本2内部不同深度布置十层，各层由上到下布置由密到疏，各层间距由上到下逐渐增大，从最小间距4cm增大到最大间距18cm，每层布置有四支温湿度传感器3，布置形式为交错对称布置，位于半径3cm和33cm或者位于18cm和48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心横向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心竖向对称排列。

优选地，所述温度传感器42在样本4内部不同深度布置了十层，第七层为中心层，除了中心层对称布置了十二支以外，其余每层对称布置八支，位于半径3cm、18cm、33cm、48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心竖向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心横向对称排列。

另外，本发明还公开上述大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，它包括如下步骤：

S1、将温湿度传感器3和温度传感器4的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱1外部的数据采集装置6连接；

S2、预设步入式高低温交变湿热试验箱1内所需要的温度和湿度条件；预设的试验箱温度模拟年气温变化情况，如图5所示；

S3、关闭步入式高低温交变湿热试验箱1的箱门，启动大体积混凝土样本2内的加热棒5，开始进行试验；

S4、观察和记录温度及湿度数据，根据记录到的实时数据调整加热棒5的运行时间；

S5、试验结束后，根据记录到的数据，利用基于有限元的最小二乘法，对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试。

进一步地，所述S5中对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试的过程如下：

计算域内任意点都满足热传导方程：

式中λ为导热系数，W/(m·K)；Q为混凝土内部单位时间内单位体积中产生的水化热，kJ/(m³·h)；Q′为加热丝工作时补偿的热量，kJ/(m³·h)；Q″为内部加热棒工作时产生的热量，kJ/(m³·h)；T为温度，℃；t为时间，h。

初始温度场是已知函数，认为初始瞬间的温度分布为常数，初始条件亦为已知常数；而边界条件为第三类边界条件，混凝土样本上表面的热流量与上表面温度和气温之差成正比，四周和底面为绝热面，表面放热系数为0，转化为绝热条件；

对式(1)在空间域采用伽辽金方法离散，在时间域采用中心差分方案(伽辽金法)，即η取0.5，得到的有限元格式如下：

其中{T}为节点温度矩阵，[C]和[K]分别为热容矩阵和导热系数矩阵，{F}为节点荷载矩阵；矩阵[C]里面的元素是混凝土体积比热容的函数，而矩阵[K]是导热系数的函数，带入相应的温度向量，式(2)改写为：

[C′]{ρc}^t+[K′]{λ}^t＝{F}，t∈[t_m，t_m+Δt] (3)

其中[C′]和[K′]分别为热容和导热系数的系数矩阵，表示为节点温度的函数：

式(2)可以简化为：

Ax^t＝F，t∈[t_m，t_m+Δt] (6)

式(6)中A、x^t分别为该时间步待求材料参数列阵及系数矩阵：

A＝[C′ K′] (7)

式(6)是以热容(ρc)^t和导热系数λ^t为基本未知量的超方程组，通常方程数大于待求未知量个数，采用最小二乘法求解，寻求一组解x_j，使函数f(x)取得最小值：

在得到比热容及导热系数的系数矩阵之后，可通过左右各乘系数矩阵的转置对其进行求解。

整理出大体积混凝土每层温度随时间的变化情况，按照传感器布置形式绘制了四个不同半径3cm、18cm、33cm、48cm处各层的温度变化曲线，分别如图6、7、8、9所示。

进一步地，基于有限元的最小二乘法的混凝土导热系数求解步骤如下：

1)根据需求确定计算步长；

2)建立划分有限元计算网格，给定边界条件和初始条件，输入不同时间的温度、湿度变化数据；

3)计算和矩阵；

4)在计算时间步内采用有限元进行求解；

5)进行下一时间步的计算；

6)检验计算结果的合理性和正确性。

计算过程中网格划分及温度云图如图10、11所示，共划分17790个节点、16153个单元，求解出的导热系数与温度变化过程如图12所示。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大体积混凝土导热系数测试装置，包括步入式高低温交变湿热试验箱(1)和大体积混凝土样本(2)，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)内部从上至下预埋有多层温湿度传感器(3)和温度传感器(4)，大体积混凝土样本(2)内部竖向设有加热棒(5)，所述温湿度传感器(3)和温度传感器(4)的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱(1)外部的数据采集装置(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：大体积混凝土样本(2)侧部和底部包裹有温度补偿及保温材料(7)。

3.根据权利要求2所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述温度补偿及保温材料(7)由内向外依次包括陶瓷纤维纸(71)、加热丝(72)、聚氨酯(73)和橡塑保温棉(74)。

4.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)为圆柱体结构，其中心线区域竖向设置加热棒(5)。

5.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)内部每相邻两层温湿度传感器(3)彼此异面，每相邻两层温度传感器(4)彼此异面，位于同一层的温湿度传感器(3)和温度传感器(4)彼此交错对称设置。

6.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)为直径1m、高1m的圆柱体结构；所述温湿度传感器(3)在大体积混凝土样本(2)内部不同深度布置十层，各层由上到下布置由密到疏，各层间距由上到下逐渐增大，从最小间距4cm增大到最大间距18cm，每层布置有四支温湿度传感器(3)，布置形式为交错对称布置，位于半径3cm和33cm或者位于18cm和48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心横向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心竖向对称排列。

7.根据权利要求6所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述温度传感器(42)在样本(4)内部不同深度布置了十层，第七层为中心层，除了中心层对称布置了十二支以外，其余每层对称布置八支，位于半径3cm、18cm、33cm、48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心竖向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心横向对称排列。

8.一种权利要求1至7任一项所述大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、将温湿度传感器(3)和温度传感器(4)的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱(1)外部的数据采集装置(6)连接；

S2、预设步入式高低温交变湿热试验箱(1)内所需要的温度和湿度条件；

S3、关闭步入式高低温交变湿热试验箱(1)的箱门，启动大体积混凝土样本(2)内的加热棒(5)，开始进行试验；

S4、观察和记录温度及湿度数据，根据记录到的实时数据调整加热棒(5)的运行时间；

S5、试验结束后，根据记录到的数据，利用基于有限元的最小二乘法，对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试。

9.根据权利要求8所述的大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，其特征在于：所述S5中对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试的过程如下：

计算域内任意点都满足热传导方程：

式中λ为导热系数，W/(m·K)；Q为混凝土内部单位时间内单位体积中产生的水化热，kJ/(m³·h)；Q′为加热丝工作时补偿的热量，kJ/(m³·h)；Q″为内部加热棒工作时产生的热量，kJ/(m³·h)；T为温度，℃；t为时间，h。

初始温度场是已知函数，认为初始瞬间的温度分布为常数，初始条件亦为已知常数；而边界条件为第三类边界条件，混凝土样本上表面的热流量与上表面温度和气温之差成正比，四周和底面为绝热面，表面放热系数为0，转化为绝热条件；

对式(1)在空间域采用伽辽金方法离散，在时间域采用中心差分方案(伽辽金法)，即η取0.5，得到的有限元格式如下：

其中{T}为节点温度矩阵，[C]和[K]分别为热容矩阵和导热系数矩阵，{F}为节点荷载矩阵；矩阵[C]里面的元素是混凝土体积比热容的函数，而矩阵[K]是导热系数的函数，带入相应的温度向量，式(2)改写为：

[C′]{ρc}^t+[K′]{λ}^t＝{F}，t∈[t_m，t_m+Δt] (3)

其中[C′]和[K′]分别为热容和导热系数的系数矩阵，表示为节点温度的函数：

式(2)可以简化为：

Ax^t＝F，t∈[t_m，t_m+Δt] (6)

式(6)中A、x^t分别为该时间步待求材料参数列阵及系数矩阵：

A＝[C′ K′] (7)

式(6)是以热容(ρc)^t和导热系数λ^t为基本未知量的超方程组，通常方程数大于待求未知量个数，采用最小二乘法求解，寻求一组解x_j，使函数f(x)取得最小值：

在得到比热容及导热系数的系数矩阵之后，可通过左右各乘系数矩阵的转置对其进行求解。

10.根据权利要求9所述的大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，其特征在于：基于有限元的最小二乘法的混凝土导热系数求解步骤如下：

1)根据需求确定计算步长；

2)建立划分有限元计算网格，给定边界条件和初始条件，输入不同时间的温度、湿度变化数据；

3)计算和矩阵；

4)在计算时间步内采用有限元进行求解；

5)进行下一时间步的计算；

6)检验计算结果的合理性和正确性。

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