CN115392082B - 一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法，属于建筑工程领域。所述水化热温度预测系统中，绝热温升曲线采集模块采集并绘制绝热温升曲线；放热量计算模块计算水化反应过程的放热量；水化反应速率计算模块根据温升曲线及放热量计算水化反应速率；热源函数修正模块根据水化反应速率模型对热源函数进行修正；导热系数标定模块标定导热系数时变模型；边界条件确定模块根据现场状态确定热交换边界条件参数；水化热温度预测模块根据修正的水化热源函数模型及水泥浆导热系数时变模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件预测水化热温度。本发明测试装置便捷、成本低、可重复利用且操作性强，同时提高了温度预测的准确性。

Description

一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法
技术领域
本发明属于建筑工程领域，具体涉及一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法。
背景技术
混凝土作为一种建筑材料广泛应用于各类建筑结构中。在大型混凝土结构中，如大跨度桥梁、大型堤坝等，随着建筑结构的大型化，其各部件的尺寸也在相应的不断增加，所需浇筑的混凝土量也逐渐增多。但是，在混凝土的凝结硬化过程中会释放大量的热量，导致大体积混凝土结构中心温度远大于边界处温度，若不采取合理的散热措施，当结构内表温差超过25℃时会产生混凝土表面裂缝，影响混凝土结构的耐久性。
现有技术中，工程技术人员为了解决温度拉应力引起的开裂问题，会借助温度场的数值计算深入探究大体积混凝土结构内部的温度发展过程及应力产生规律，从而为施工中预防温度裂缝的产生提供有效的温控措施。在进行温度场的数值计算时，一般根据经验来确定热源函数以及边界条件等参数，采用有限元软件来模拟混凝土浇筑产生水化热的全过程，然后计算得出相应的温度场和应力场。但是，通过有限元模型计算的结果与实测值有较大差别，数据不够准确从而无法准确地指导现场施工，也无法有效地提高混凝土的温度耐久性。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法，提高现场水化热温度预测的准确性以指导施工。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统，包括绝热温升曲线采集模块、放热量计算模块、水化反应速率计算模块、热源函数修正模块、导热系数修正模块、边界条件确定模块及混凝土水化热温度预测模块；其中，
所述绝热温升曲线采集模块用于采集当前配比条件下混凝土的绝热温升曲线；
所述放热量计算模块用于根据绝热温升曲线生成放热曲线，并计算水化反应过程的放热量；
所述水化反应速率计算模块用于根据绝热温升曲线及放热量计算水化反应过程中四个阶段的水化反应速率，得到水化反应速率模型；
所述热源函数修正模块用于根据水化反应速率模型对热源函数进行修正，得到修正的水化热源函数模型；
所述导热系数标定模块用于在实验室条件下实时修正水泥浆体导热系数，构建水泥浆体导热系数时变模型；
所述边界条件确定模块用于根据现场状态确定热交换边界条件参数；
所述水化热温度预测模块用于根据修正的水化热源函数模型及水泥浆体导热系数时变模型，基于有限元模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件及水化热仿真模型预测混凝土水化热温度。
上述方案中，所述绝热温升曲线采集模块包括反应盒、隔热材料、排气装置、温度传感器及温升曲线生成仪；其中，
所述的反应盒用于放置被测试的试件；
所述隔热材料填充于反应盒内的环形空间内，用于降低反应盒内热量的散失；
所述排气装置由两个抽气式排气装置组成，对称布置于反应盒外壁，用于试验前排除珠光砂内部的空气，降低热量的丧失；
所述温度传感器为微型电子埋入式温度传感器，测试精度为0.1℃；沿反应盒直径方向在盒内的待测试样品中对称布置五个温度传感器，用于测定水泥浆体体系温度的变化；
所述温升曲线生成仪用于采集温度传感器在水化过程中不同时间点所测定的温度值，并生成绝热温升曲线。
上述方案中，所述反应盒由外壁、内壁、顶部隔热层和顶部密封层四个部分组成，内壁和外壁为纤维-树脂混合材料，顶部隔热层材料为纤维材料，顶部密封层为普通树脂材料，密封侧内层设置有螺纹构造，能与容器壁紧密贴合；反应盒呈圆环状，外部直径为100-500mm，内部直径为50-200mm，高70-300mm；优选地，外部直径为300mmm，内部直径为100mm，高150mm。
上述方案中，所述隔热材料导热系数在0.022～0.025(w/(m.k))之间，粒径小于1.2mm。优选地，采用珠光砂。
上述方案中，所述放热量计算模块进一步用于：
根据热量与温度之间的换算关系计算放热曲线，换算公式如式(1)所示
Qt＝Cp(Tt-T0)+K∑F                  (1)
式(1)中，Qt表示龄期为t时水泥水化过程的总热量，J；Cp表示总热容量，J/℃；Tt表示龄期为t时的水泥浆体温度，℃；T0表示水泥浆体的初始温度，℃；F表示恒温线和水泥浆体温度曲线间的面积，h/℃；K表示散热常数，J/(h·℃)，且：
Figure BDA0003811904130000031
式(2)中，W表示加水质量，g；C表示温度传感器的热容量，J/℃；θ1表示试验开始后6h读取的温度传感器温度，℃；θ2表示试验开始后44h读取的温度传感器温度，℃；ΔT表示θ1到θ2的时间差，优选为38h；
Cp＝[CC×(MC-M)]+M×C水+C           (3)
式(3)中，Cc表示水泥净浆的比热容，0.84J/℃；C水表示水的比热容，4.1816J/℃；MC表示水泥净浆的质量，g；M表示水的质量，g；C表示热量瓶的热容量，J/℃。
上述方案中，所述四个阶段，包括诱导期、加速期、减速期和稳定期。
上述方案中，水化反应速率模型，其函数表达式如下所示：
Figure BDA0003811904130000032
式(8)中，V表示水化放热速率，W水胶表示水胶比；τ表示龄期。
上述方案中，所述热源函数修正模块中，水化反应速率和绝热温升之间采用双曲线函数映射关系，函数公式如下式：
Figure BDA0003811904130000041
式(9)中，θ为水泥浆在不同龄期时段的绝热温升值，℃；θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；Vτ为水泥浆在龄期为τ时的水化放热速率；t为水泥浆绝热温升过程结束的时间，单位为天；t0为水泥浆绝热温升过程开始的时间，单位为天；
将水化反应速率模型V代入式(9)中，得到水泥浆的热源函数模型如下所示：
Figure BDA0003811904130000042
式(10)中，θ表示水泥浆在龄期为τ时的绝热温升值，℃；θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；t表示水泥浆整个绝热温升过程持续的时间，d；W水胶为表示水泥浆的水胶比。
采用下式将水泥水化热与混凝土绝热温升的关系换算为混凝土的水化热：
Figure BDA0003811904130000043
最终的混凝土热源函数模型如下所示：
Figure BDA0003811904130000051
式(11)和(12)中，θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；θ混为混凝土的最终绝热温升值，℃；Mc为水泥的用量，kg/m3；Mmix为混合材的用量，kg/m3；k为折减系数。
上述方案中，所述导热系数的时变模型的函数表达式为一双折线函数，函数表达式如式(13)所示：
Figure BDA0003811904130000052
式(13)中，λ为混凝土的导热系数，W/(m·k)；t为龄期，d；W水胶为水胶比，T为养护温度，℃；t为龄期，h；W外为外掺剂含量。
第二方面，本发明实施例还提供了一种现场大体积混凝土水化热温度预测方法，包括如下步骤：
步骤S1，采用电替代法对温度传感器进行校准，得到温度传感器的总热损失系数α和热容μ；
步骤S2，按实际工程所需的水胶比配置水泥浆体，将配置好的水泥浆体倒入直径为100mm的模具中，并将模具放置在反应盒的待测试件区域；将五个温度传感器从中心向两侧并排埋入水泥浆体中，埋设深度为：6-8cm，埋设间距为：2-3cm，并盖上顶部隔热层和顶部密封层；采集水泥浆体水化反应过程中的温度，直到水化热反应完全结束，并根据半绝热法绘制绝热温升曲线；
步骤S3，根据绝热温升曲线生成放热曲线，并根据放热曲线计算水泥水化反应过程的放热量；
步骤S4，根据绝热温升曲线及放热量分阶段计算水泥水化反应速率，得到水泥水化反应速率模型；
步骤S5，水化反应速率模型和绝热温升曲线之间采用双曲线函数映射关系，并将水泥水化热与混凝土绝热温升的关系换算为混凝土的水化热，对混凝土水化反应热源函数进行修正，得到修正的混凝土热源函数模型；
步骤S6，在实验室条件下实时修正水泥浆体导热系数，构建水泥浆体导热系数时变模型；
步骤S7，根据现场状态确定热交换边界条件参数；
步骤S8，根据修正的水化热源函数模型及水泥浆体导热系数时变模型，基于有限元模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件及水化热仿真模型预测混凝土水化热温度。
本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：
(1)所述水化热温度预测系统及方法便捷，成本低，可重复利用，操作性强，可用于实际工程现场水泥浆水化热预测；
(2)所述水化热温度预测系统及方法能有效减少有限元模拟结果与实际工程情况的误差，可以更有效、更贴近实际情况的去指导现场工程施工。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的现场大体积混凝土水化热温度预测系统结构示意图；
图2为本发明实施例的预测系统中反应盒俯视图；
图3为本发明实施例的预测系统中反应盒主视图；
图4为本发明的预测系统应用于一个实施例中32.5M水泥的绝热温升结果对比图；
图5为本发明的预测系统应用于一个实施例中42.5R水泥的绝热温升结果对比图；
图6为本发明的预测系统应用于一个实施例中52.5R水泥的绝热温升结果对比图；
图7为本发明一个实施例的水化热仿真模型示意图；
图8为本发明一个实施例的水化热预测结果与现有技术的对比图。
具体实施方式
本申请发明人在发现上述问题后，对现有的大体积混凝土水化热温度预测方法进行了细致研究。研究发现，大体积混凝土浇筑时的水化热控制是保证施工质量的一个关键性步骤，目前主要通过有限元仿真计算来模拟整个浇筑过程中体系温度的变化情况，但通过有限元分析得到的模拟数据与实测数据相比，差距较大，需要通过后期调整有限元模型的参数来逼近实测数据，预测不够准确，无法有效指导施工。如何进行施工现场的大体积混凝土水化热温度的准确预测，仍然需要进行深入研究。
应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
经过上述深入分析后，本发明实施例提出了一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法，基于半绝热法，利用水化热测试装置及相应程序测试现场实际配合比下混凝土中水泥浆体的绝热温升曲线，再通过推导得到修正的热源函数模型，并结合实验室标定的水泥水化过程中导热系数函数时变模型，对有限元分析模型进行修正，使其更加符合实际情况，更贴合实测水化热数据，提高现场大体积混凝土水化热预测的准确性。
参见图1，本发明实施例所提供的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，包括绝热温升曲线采集模块、放热量计算模块、水化反应速率计算模块、热源函数修正模块、导热系数修正模块、边界条件确定模块及混凝土水化热温度预测模块。
其中，所述绝热温升曲线采集模块用于采集当前配比条件下混凝土的绝热温升曲线，具体地，所述绝热温升曲线采集模块包括反应盒、隔热材料、排气装置、温度传感器及温升曲线生成仪。
如图2和图3所示，所述反应盒用于放置被测试的试件，反应盒由外壁、内壁、顶部隔热层和顶部密封层四个部分组成，内壁和外壁为纤维-树脂混合材料，顶部隔热层材料为纤维材料，顶部密封层为普通树脂材料，密封侧内层设置有螺纹构造，能与容器壁紧密贴合。反应盒呈圆环状，外部直径为100-500mm，内部直径为50-200mm，高70-300mm；优选地，外部直径为300mm，内部直径为100mm，高150mm。所述反应盒用装载采集数据的试样，该反应盒构造合理，轻便，灵活性高；所述绝热温升曲线采集模块与实验室内精密的仪器设备相比，其测试精度能满足工程需要，可为工地实际生产提供可靠的数据支撑，防止大体积混凝土出现温度裂缝。所述隔热材料填充于反应盒内的环形空间内，用于降低反应盒内热量的散失；优选地，本实施例中隔热材料导热系数在0.022～0.025(w/(m.k))之间，粒径小于1.2mm；优选地，选用隔热性能好的珠光砂。所述排气装置由两个抽气式排气装置组成，对称布置于反应盒外壁，用于试验前排除珠光砂内部的空气，降低热量的丧失；还可以在外壁内侧设置一层过滤网，防止抽气时珠光砂被吸出，与排气装置配合使用。所述温度传感器为微型电子埋入式温度传感器，测试精度为0.1℃；沿反应盒直径方向在盒内的待测试样品中对称布置五个温度传感器，用于测定水泥浆体体系温度的变化。在温度传感器布置处设置有与底座相连的圆形铁皮套筒，外径为7mm，壁厚0.5mm，可以实现温度传感器的循环使用。所述温升曲线生成仪用于采集温度传感器在水化过程中不同时间点所测定的温度值，并生成绝热温升曲线。所述温升曲线生成仪在生成绝热温升曲线时，基于半绝热法根据所采集的温度数据绘制绝热温升曲线。
所述放热量计算模块用于根据绝热温升曲线生成放热曲线，并计算水化反应过程的放热量。所述放热量的获得，首先采用电替代法校准温度传感器温度传感器，得到总热损失系数α和热容μ；再通过公式计算获得水泥浆体的散热常数K和总热容Cp，从而计算放热量。
散热常数K的计算公式如下：
Figure BDA0003811904130000091
式(2)中，K表示散热常数，J/(h·℃)；W表示加水质量，g；C表示温度传感器的热容量，J/℃；θ1表示试验开始后6h读取的温度传感器温度，℃；θ2表示试验开始后44h读取的温度传感器温度，℃；ΔT表示θ1到θ2的时间差，38h。
总热容量Cp的测定：
试验时，每只瓶内都按固定配合比来搅拌得到水泥净浆，得到用水量M后，其计算公式如下式：
Cp＝[CC×(MC-M)]+M×C水+C                  (3)
式(3)中，CC表示水泥净浆的比热容，0.84J/℃；C水表示水的比热容，4.1816J/℃；MC表示水泥净浆的质量,g；M表示水的质量，g；C表示热量瓶的热容量，J/℃。
根据热量与温度之间的换算关系计算放热曲线，换算公式如式(1)所示：
Qt＝Cp(Tt-T0)+K∑F          (1)
式(1)中，Qt表示龄期为t时水泥水化过程的总热量，J；Cp表示总热容量，J/℃；Tt表示龄期为t时的水泥浆体温度，℃；T0表示水泥浆体的初始温度，℃；F表示恒温线和水泥浆体温度曲线间的面积，h/℃；K表示散热常数，J/(h·℃)。
所述水化反应速率计算模块用于根据绝热温升曲线及放热量计算水化反应过程中四个阶段的水化反应速率，得到水化反应速率模型。
所述四个阶段，包括诱导期、加速期、减速期和稳定期；
其中，诱导期是从水泥加水搅拌完成后放入试验装置开始一直到绝热温升曲线达到最高峰值点的时间。根据混凝土绝热温升曲线的开始时间、到达峰值的时间，和水化放热速率作为关键节点，采用1stOpt软件进行数据处理，将水胶比(W水胶)、龄期(τ)分别作为自变量，将水化放热速率(V)作为因变量y,采用通用全局优化法。根据热导式等温量热仪采集到的水泥水化放热速率和水泥水化放热量以及绝热温升试验结果的数据来计算模型的参数。从预测结果中的大量函数关系中，基于精度高低和实际工程情况等因素的考虑，采用如下模型：
V＝0.24W水胶+0.63τ-0.84W水胶τ-0.11            (4)
式(4)中，V表示的是水化放热的速率，W水胶表示的是水胶比，τ表示的是水化龄期。
加速期采用1stOpt软件，将水胶比(W水胶)、龄期(τ)分别作为自变量，将水化放热速率(V)作为因变量y，对该阶段的数据进行模拟，采用如下模型：
Figure BDA0003811904130000101
减速期根据水化反应过程减速期的时间，采用1stOpt软件，将水胶比(W水胶)、龄期(τ)分别作为自变量，将水化放热速率(V)作为因变量y，对该阶段的数据进行模拟，采用如下模型：
Figure BDA0003811904130000102
稳定期是水化反应反应速率逐渐趋向于稳定直到水化反应完全且温度之后不再上升。以稳定期开始时间和水化完全时间为时间节点，采用1stOpt软件，将水胶比(W水胶)、龄期(τ)分别作为自变量，将水化放热速率(V)作为因变量y，对该阶段的数据进行模拟，基于精度高低和实际工程情况等因素的考虑，采用如下模型：
Figure BDA0003811904130000103
将以上四段模型进行整合，得到最终的水化反应速率模型，其函数表达式如下所示：
Figure BDA0003811904130000111
式(8)中，V表示水化放热速率，W水胶表示水胶比；τ表示龄期。
所述热源函数修正模块用于根据水化反应速率模型对热源函数进行修正，得到修正的水化热源函数模型。
水化反应速率模型和绝热温升曲线之间采用双曲线函数映射关系，函数公式如下式：
Figure BDA0003811904130000112
式(9)中，θ为水泥浆在不同龄期时段的绝热温升值，℃；θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；Vτ为水泥浆在龄期为τ时的水化放热速率；t为水泥浆绝热温升过程结束的时间，单位为天；t0为水泥浆绝热温升过程开始的时间，单位为天。
将水化反应速率模型V代入式(9)中，得到水泥浆的热源函数模型如下所示：
Figure BDA0003811904130000113
式(10)中，θ表示水泥浆在龄期为τ时的绝热温升值，℃；θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；t表示水泥浆整个绝热温升过程持续的时间，d；W水胶为表示水泥浆的水胶比。
采用下式将水泥水化热与混凝土绝热温升的关系换算为混凝土的水化热。
Figure BDA0003811904130000121
式(11)中，θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；θ混为混凝土的最终绝热温升值，℃；Mc为水泥的用量，kg/m3；Mmix为混合材的用量，kg/m3；k为折减系数，取0.25。
最终的混凝土热源函数模型如式(12)所示：
Figure BDA0003811904130000122
所述导热系数修正模块用于在实验室条件下实时修正水泥浆体导热系数，构建水泥浆体导热系数时变模型，所述的导热系数实时修正的时变模型函数表达式为一双折线函数，函数表达式如式(13)所示：
Figure BDA0003811904130000123
式(13)中，λ为混凝土的导热系数，W/(m·k)；t为龄期，d；W水胶为水胶比，T为养护温度，℃；t为龄期，h；W外为外掺剂含量。
所述边界条件确定模块用于根据现场状态确定热交换边界条件参数；
所述水化热温度预测模块用于根据修正的水化热源函数模型及水泥浆体导热系数时变模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件及水化热仿真模型预测混凝土水化热温度。所述水化热仿真模型为有限元模型，采用ANSYS软件根据相应的条件及参数建立。
本实施例中各模块通过处理器实现，当需要存储时适当增加存储器。其中，所述处理器可以是但不限于微处理器MPU、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。所述存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
基于同样的思想，本发明实施例还提供了一种现场大体积混凝土水化热温度预测方法，所述方法基于上述现场大体积混凝土水化热温度预测系统来实现，具体包括如下步骤：
步骤S1，采用电替代法对温度传感器进行校准，得到温度传感器的总热损失系数α和热容μ；
步骤S2，按实际工程所需的水胶比配置水泥浆体，将配置好的水泥浆体倒入直径为100mm的模具中，并将模具放置在反应盒的待测试件区域；将五个温度传感器从中心向两侧并排埋入水泥浆体中，埋设深度为：6-8cm，埋设间距为：2-3cm，并盖上顶部隔热层和顶部密封层；采集水泥浆体水化反应过程中的温度，直到水化热反应完全结束，并根据半绝热法绘制绝热温升曲线；
步骤S3，根据绝热温升曲线生成放热曲线，并根据放热曲线计算水泥水化反应过程的放热量；
步骤S4，根据绝热温升曲线及放热量分阶段计算水泥水化反应速率，得到水泥水化反应速率模型；
步骤S5，水化反应速率模型和绝热温升曲线之间采用双曲线函数映射关系，并将水泥水化热与混凝土绝热温升的关系换算为混凝土的水化热，对混凝土水化反应热源函数进行修正，得到修正的混凝土热源函数模型；
步骤S6，在实验室条件下实时修正水泥浆体导热系数，构建水泥浆体导热系数时变模型；
步骤S7，根据现场状态确定热交换边界条件参数；
步骤S8，根据修正的水化热源函数模型及水泥浆体导热系数时变模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件及水化热仿真模型预测混凝土水化热温度。
需要说明的是，本实施例所述现场大体积混凝土水化热温度预测方法与现场大体积混凝土水化热温度预测系统是对应的，对所述系统的描述与限定，同样适用于所述方法，在此不再赘述。
将本发明实施例所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统应用于工程现场进行水化热温度预测，本实施例以桥梁中的桥墩的盖梁为例进行说明。分别采用三种不同强度等级的普通砌筑水泥32.5M、普通硅酸盐水泥42.5R、52.5R，在相同水胶比的情况下，研究不同类型水泥对水泥净浆水化放热特性的影响，并与TAM-Air等温量热仪进行对比试验，实验方案如表1所示。
表1
Figure BDA0003811904130000141
在相同的试验环境下对水化热温度进行预测，采用本实施例的现场大体积混凝土水化热温度预测系统中自研发的水化热测试装置进行温度采集，所采集的结果如表2所示；采用TAM-Air等温量热仪进行水化热温度预测的结果表3所示。
表2
龄期/d 32.5M 42.5R 52.5R
0 0 0 0
0.5 2.94 5.78 4.64
1 11.25 22.47 15.71
1.5 15.23 29.51 19.89
2 19.81 35.21 26.55
2.5 22.19 39.18 31.47
3 26.74 43.42 34.29
表3
龄期/d 32.5M 42.5R 52.5R
0 0 0 0
0.5 2.62 7.04 4.50
1 8.20 16.71 12.33
1.5 13.31 25.90 18.08
2 17.41 32.98 24.46
2.5 20.99 38.59 29.36
3 24.41 43.75 33.85
根据表2和表3的数据进行温升分析对比，如图4、图5和图6所示，本实施例中水化热温度预测系统与采用TAM-Air法的实验结果相比，本实施例的预测系统的预测结果误差能够控制在9.5％以内，满足工程现场测试的需求。
对盖梁施工时水化热情况进行预测，基于有限元所构建的水化热仿真模型如图7所示，预测结果如图8所示。
由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的现场大体积混凝土水化热温度预测系统及方法，测试装置便捷、成本低、可重复利用且操作性强，可用于实际工程现场水泥浆水化热预测；能有效减少有限元模拟结果与实际工程情况的误差，提高温度预测的准确性，可以更有效、更贴近实际情况的去指导现场工程施工，对于控制大体积混凝土水化热产生的温度应力裂缝具有重要意义。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，包括绝热温升曲线采集模块、放热量计算模块、水化反应速率计算模块、热源函数修正模块、导热系数修正模块、边界条件确定模块及混凝土水化热温度预测模块；其中，
所述绝热温升曲线采集模块用于采集当前配比条件下混凝土的绝热温升曲线；
所述放热量计算模块用于根据绝热温升曲线生成放热曲线，并计算水化反应过程的放热量；
所述水化反应速率计算模块用于根据绝热温升曲线及放热量计算水化反应过程中四个阶段的水化反应速率，得到水化反应速率模型；
所述热源函数修正模块用于根据水化反应速率模型对热源函数进行修正，得到修正的水化热源函数模型；
所述导热系数标定模块用于在实验室条件下实时修正水泥浆体导热系数，构建水泥浆体导热系数时变模型；
所述边界条件确定模块用于根据现场状态确定热交换边界条件参数；
所述水化热温度预测模块用于根据修正的水化热源函数模型及水泥浆体导热系数时变模型，基于有限元模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件及水化热仿真模型预测混凝土水化热温度。
2.根据权利要求1所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述绝热温升曲线采集模块包括反应盒、隔热材料、排气装置、温度传感器及温升曲线生成仪；其中，
所述反应盒用于放置被测试的试件；
所述隔热材料填充于反应盒内的环形空间内，用于降低反应盒内热量的散失；
所述排气装置由两个抽气式排气装置组成，对称布置于反应盒外壁，用于试验前排除珠光砂内部的空气，降低热量的散失；
所述温度传感器为微型电子埋入式温度传感器，测试精度为0.1℃；沿反应盒直径方向在盒内的待测试样品中对称布置五个温度传感器，用于测定水泥浆体体系温度的变化；
所述温升曲线生成仪用于采集温度传感器在水化过程中不同时间点所测定的温度值，并生成绝热温升曲线。
3.根据权利要求2所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述反应盒由外壁、内壁、顶部隔热层和顶部密封层四个部分组成，内壁和外壁为纤维-树脂混合材料，顶部隔热层材料为纤维材料，顶部密封层为普通树脂材料，密封侧内层设置有螺纹构造，能与容器壁紧密贴合；反应盒呈圆环状，外部直径为100-500mm，内部直径为50-200mm，高70-300mm。
4.根据权利要求2所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述隔热材料导热系数在0.022～0.025(w/(m.k))之间，粒径小于1.2mm。
5.根据权利要求1所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述放热量计算模块进一步用于：
根据热量与温度之间的换算关系计算放热曲线，换算公式如式(1)所示
Qt＝Cp(Tt-T0)+K∑F                  (1)
式(1)中，Qt表示龄期为t时水泥水化过程的总热量，J；Cp表示总热容量，J/℃；Tt表示龄期为t时的水泥浆体温度，℃；T0表示水泥浆体的初始温度，℃；F表示恒温线和水泥浆体温度曲线间的面积，h/℃；K表示散热常数，J/(h·℃)，且：
Figure FDA0003811904120000021
式(2)中，W表示加水质量，g；C表示温度传感器的热容量，J/℃；θ1表示试验开始后6h读取的温度传感器温度，℃；θ2表示试验开始后44h读取的温度传感器温度，℃；ΔT表示θ1到θ2的时间差；
Cp＝[CC×(MC-M)]+M×C水+C             (3)
式(3)中，Cc表示水泥净浆的比热容，0.84J/℃；C水表示水的比热容，4.1816J/℃；MC表示水泥净浆的质量，g；M表示水的质量，g；C表示热量瓶的热容量，J/℃。
6.根据权利要求1所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述四个阶段，包括诱导期、加速期、减速期和稳定期。
7.根据权利要求6所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，水化反应速率模型，其函数表达式如下所示：
Figure FDA0003811904120000031
式(8)中，V表示水化放热速率，W水胶表示水胶比；τ表示龄期。
8.根据权利要求1所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述热源函数修正模块中，水化反应速率和绝热温升之间采用双曲线函数映射关系，函数公式如下式：
Figure FDA0003811904120000032
式(9)中，θ为水泥浆在不同龄期时段的绝热温升值，℃；θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；Vτ为水泥浆在龄期为τ时的水化放热速率；t为水泥浆绝热温升过程结束的时间，单位为天；t0为水泥浆绝热温升过程开始的时间，单位为天；
将水化反应速率模型V代入式(9)中，得到水泥浆的热源函数模型如下所示：
Figure FDA0003811904120000033
式(10)中，θ表示水泥浆在龄期为τ时的绝热温升值，℃；θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；t表示水泥浆整个绝热温升过程持续的时间，d；W水胶为表示水泥浆的水胶比；
采用下式将水泥水化热与混凝土绝热温升的关系换算为混凝土的水化热：
Figure FDA0003811904120000041
最终的混凝土热源函数模型如下所示：
Figure FDA0003811904120000042
式(11)和(12)中，θu为水泥浆的最终绝热温升值，℃；θ混为混凝土的最终绝热温升值，℃；Mc为水泥的用量，kg/m3；Mmix为混合材的用量，kg/m3；k为折减系数。
9.根据权利要求1所述的现场大体积混凝土水化热温度预测系统，其特征在于，所述导热系数的时变模型的函数表达式为一双折线函数，函数表达式如式(13)所示：
Figure FDA0003811904120000043
式(13)中，λ为混凝土的导热系数，W/(m·k)；t为龄期，d；W水胶为水胶比，T为养护温度，℃；t为龄期，h；W外为外掺剂含量。
10.一种现场大体积混凝土水化热温度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用电替代法对温度传感器进行校准，得到温度传感器的总热损失系数α和热容μ；
步骤S2，按实际工程所需的水胶比配置水泥浆体，将配置好的水泥浆体倒入直径为100mm的模具中，并将模具放置在反应盒的待测试件区域；将五个温度传感器从中心向两侧并排埋入水泥浆体中，埋设深度为：6-8cm，埋设间距为：2-3cm，并盖上顶部隔热层和顶部密封层；采集水泥浆体水化反应过程中的温度，直到水化热反应完全结束，并根据半绝热法绘制绝热温升曲线；
步骤S3，根据绝热温升曲线生成放热曲线，并根据放热曲线计算水泥水化反应过程的放热量；
步骤S4，根据绝热温升曲线及放热量分阶段计算水泥水化反应速率，得到水泥水化反应速率模型；
步骤S5，水化反应速率模型和绝热温升曲线之间采用双曲线函数映射关系，并将水泥水化热与混凝土绝热温升的关系换算为混凝土的水化热，对混凝土水化反应热源函数进行修正，得到修正的混凝土热源函数模型；
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步骤S8，根据修正的水化热源函数模型及水泥浆体导热系数时变模型，基于有限元模型建立水化热仿真模型，并根据所确定的热交换边界条件及水化热仿真模型预测混凝土水化热温度。
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