碾壓混凝土非絕熱溫升試驗及分析

許慶偉 韓永林 陳守開

混凝土溫度場的確定受諸多因素影響,其中之一就是邊界傳熱過程的給定。混凝土邊界傳熱過程的確定關鍵在于如何獲得混凝土的邊界熱交換系數[1]。目前,確定邊界熱交換系數的方法很多,主要有數值反演方法,室內試驗方法和數值分析方法。其中室內試驗的方法是指在可控條件下對物體表面的傳熱進行控制,然后根據大量的實測數據,建立能夠表征物體傳熱過程的函數關系式,如建立無量綱參數的函數關系式[2,3];理論數值分析即根據物體表面的幾何形狀和位置求解邊界層方程,從而獲得邊界層的溫度分布,進而求解邊界的(平均)熱交換系數[4,5]。

1 碾壓混凝土非絕熱溫升試驗

某大壩工程各方出于對碾壓混凝土配合比性能、施工環境條件及溫控等目的進行了一個大型的碾壓混凝土現場試驗。該試驗塊很大,被分割成了 30多個試驗區域,分別進行不同目的的試驗。為了考察水管冷卻和表面保溫效果,選擇在第二升程中心高度(即第二升程的第一個碾壓層與第二個碾壓層的交界面上)布置冷卻水管,進行冷卻水管效果的試驗。

冷卻水管只布置在試驗塊的第二升程③區的平面范圍內,有三根不同型號的塑料質水管,水管1內徑28mm,外徑32mm;水管2的內外徑分別為35mm和40mm;水管3的內外徑分別為44mm和 50mm,為了考察水管的冷卻效果,在三個水管周圍共布置11個測點。

根據試驗安排,現場實際的水管和測點的布置情況、倉面的保溫情況如圖 1～圖3所示。此外,試驗塊不同升程不同分區采用了不同標號的碾壓混凝土,其中用于溫控試驗的有:試驗段第二升程③區模擬大壩RⅠ區采用三級配C9025碾壓混凝土澆筑;原位抗剪層①區,③區,⑤區模擬大壩RⅠ區采用三級配 C9025碾壓混凝土澆筑;原位抗剪層②區,④區,⑥區模擬大壩RⅡ區采用二級配C9020碾壓混凝土澆筑。各分區混凝土材料的熱力學特性已根據試驗確定,為此,本次試驗的目的主要確定混凝土邊界傳熱系數,即不同尺寸水管的管壁熱交換系數,不同厚度大壩保溫被的等效熱交換系數。

2 溫度數據采集及整理

在試驗塊施工期,每隔一定的時間用溫度巡檢儀對各測點溫度測一次,同時監測記錄周圍環境溫度及風速情況。具體記錄時間為:入倉溫度測一次,澆筑后的前 3天每 3 h測一次,第 4天 ～第 6天每 6 h測一次,第 7天 ～第 15天每 12 h測一次,此后 1 d測一次,測量總歷時為 28 d。遇到氣溫驟降時恢復每 3 h觀測一次(開始時段、最高溫時段和齡期 7 d～10 d左右時的溫度過程線上的“低溫拐彎區”時段應加密到每 3 h測一次,提高觀測工作的精度)。

現場觀測的數據難免會存在人為記錄或儀器輸出的誤差,使一些數據的產生變異而變得不合理,所以現場所測數據在用于反演計算之前,必須經過分析,剔除不合理的數據,比如突變的數據、齡期變化明顯不合理的數據等。其中,第二升程③區各測點實測數據,主要用于反演管壁熱交換系數,因此僅給出了通水期間的溫度值(澆筑后前 10 d)。原位抗剪層各區實測數據,用于反演各種物蓋情況下,混凝土表面的等效熱交換系數,因此給出保溫期間(齡期前15 d)的實測數據。P1點～P11點位于第二升程③區,其中P2點,P6點和P10點分別作為水管 1、水管 2和水管 3管壁傳熱系數反演辨識的控制測點,其余點作為校核測點;B1點 ～B 12點位于原位抗剪層各區,其中 B1點,B 3點,B5點,B7點, B 9點和B11點分別作為原位抗剪層①區 ～⑥區等效表面傳熱系數反演辨識的控制測點,其余點作為相應各區的校核測點。校核測點參與反演計算,但不作為反演結果的分析測點。

3 反演模型與計算

根據試驗塊結構形式,采用 8節點等參單元進行網格剖分工作,其中,對于我們關注的區域,即第二升程③區及原位抗剪層,剖分時加密網格,與關注區域臨近的其他區域采用線性過渡網格,而與關注區域較遠的部分采用粗糙網格,此外在水管和測點位置進一步加密網格。反演計算時采用改進遺傳算法,計算過程模型不同升程不同區域的澆筑時間,且計算時的各區碾壓混凝土絕熱溫升、導熱系數和導溫系數均由試驗給定。水管控制測點反演值與試驗值結果比較見圖 4。

4 結語

1)混凝土是熱的不良導體,在一個試驗塊的不同區域內進行不同物蓋條件的溫度試驗獲得的短期的實測數據,實測結果相互間的干擾很小,可以運用于計算機的反演分析。2)冷卻水管的管壁熱交換系數主要受壁厚的影響,而受管徑的影響相對較小,一般而言,壁厚越薄,相同材質的管壁熱交換系數越大,反之越小。3)反演分析獲得的混凝土不同物蓋條件下的熱交換系數包括對流傳熱和輻射傳熱的總和,能夠較為真實的反映出工程現場的實際情況,同時也是比較經濟的方法。

[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2] 許 樸.混凝土壩有限元仿真計算子結構法及應用研究[D].南京:河海大學,2009.

[3] 弗蘭克P?英克魯佩勒.傳熱學基本原理[M].北京:化學工業出版社,2007.

[4] 錢壬章,俞昌銘,林文貴.傳熱分析與計算[M].北京:高等教育出版社,1987.

[5] Tuncier Cebeci,Peter Brabshaw.對流傳熱的物理特性和計算[M].北京:清華大學出版社,1988.

[6] 周 明,陳振建.遺傳算法原理及應用[M].北京:國防工業出版社,2000.