大體積混凝土水化傳熱理論及溫度場變化規律分析研究

中圖分類號：TQ178 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0103-03

Abstract：Focusing onthe problem of heat hydration of large-volume concrete，a finiteelement temperature field analysis method was proposed.The heat conduction theory was analyzed in depth，and the temperature field changes of large-volume concrete in the hydration process were analyzed by finite element software，and compared with the measured results.The results showed that the temperature field variation of the simulated temperature fieldand rain measured bythe finiteelement analysiswasconsistent，which indicates that the temperature field changeof largevolume concretecan berevealed through finite elementanalysis.Through this method，the temperature fieldof largevolume concrete can be controlled to prevent early cracking.

Keywords：hydration heat;heat transfer theory;large volume concrete;temperature field;finite element analysis

混凝土作為現代土木工程建設中不可或缺的關鍵材料，其性能直接關系到工程結構的耐久性與安全性。然而，水泥水化過程中釋放的水化熱，尤其在大體積混凝土結構中，極易引發溫度場和溫度應力集中，進而導致早期開裂等問題，嚴重威脅工程質量。國內外學者針對混凝土水化熱產生機制與傳熱理論已開展了大量研究，但仍面臨諸多挑戰[14]

本文旨在深入探討混凝土水泥水化過程中闡述大體積混凝土中的傳熱理論，分析其溫度場，并通過有限元分析分析溫度場變化與實際測量變化的可行性[57]。通過上述研究，期望為大體積混凝土的溫度控制和開裂防治提供理論基礎與技術支撐，提升工程結構的服役性能，從而評估其體積內部特征。

1 熱傳導理論

熱傳導是熱量在物體內部或不同物體之間，依靠分子、原子等微觀粒子的熱運動出現傳遞的現象，可通過傅里葉定律對其進行表述[4]。通常認為，單位時間內，物體內部單位面積的熱流量與其對應的溫度梯度呈正相關關系，熱流方向與溫度梯度方向呈負相關關系[8]。準確理解和應用熱傳導理論，確定混凝土的導熱系數，對于分析其內部溫度場至關重要。在非穩態條件下，溫度場隨時間變化，此時的熱傳導過程需要用非穩態熱傳導方程來描述[9]

式中： T 為微元體溫度； λ 為導熱系數； c 為比熱；τ 為時間： _;ρ 為密度；熱流密度 a=λ/cρ 。熱流密度是一個向量，也可以將熱流密度向量分解為幾個分量;若為負號，則表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

對大體積混凝土來講，由于自身尺寸較大，散熱面積相對較小，內部水泥水化熱難以快速散發，導致其在傳熱過程中溫度場呈現出獨特的特點[10]。最顯著的特征是“內部高外低”的溫度分布特性，即混凝土內部的溫度通常高于表面溫度，尤其是在結構中心區域，溫度最高。表面溫度與環境溫度之間也存在一定的差異，但通常小于內部與表面的溫差。因此，控制大體積混凝土的溫度場，特別是降低內部峰值溫度和減小溫度梯度，是預防開裂的關鍵措施[11-12]

2 溫度場分析實例

2.1 工程概況

2.1.1 工程簡介

以某橋梁工程為例，該橋梁主要分為3個部分，分別為北引橋、主橋和南引橋。其中，主橋長度和寬度分別為 ^240，62m ，橋孔跨徑為 50+140+50 。主橋橋面與3號墩承臺相鄰，其尺寸為 63m×24m× 8m ，澆筑次數為2次，每次澆筑厚度為 4m 。其中，該橋梁位于河上段航道，其航道橋梁通航凈寬和凈高應分別控制在 90.8m 以上。

2.1.2 氣象、水文條件

工程區域冬季溫和，夏季較熱，年降水量在900～1000mm 以上，屬于濕潤區域。冬季溫度普遍在5°C 以上，夏季7、8月溫度在 28～40%^[13] 。其中，該地區年平均蒸發量和平均風速分別為 956.6mm 和 3.1m/s ，研究區域內水域水流流量中等，流速較慢，水流方向為由東北至南，水面高程和寬度分別在在 10.3.62m 上下，河底沉積主要由淤泥和砂組成。

2.1.3 測溫設備選取

選擇SCJM振弦測試儀作為工程測溫設備，該設備通過JM165系列溫度計進行溫度采樣，采樣分辨率為 0.1^°C 。其中，此測溫設備內部核心為半導體熱敏電阻傳感器，以優質鋁合金進行外殼封裝，防水性能強，靈敏度、精度和可靠性高[9-15] 。

2.1.4 測點布置方案

為取得最佳溫度測試效果，提出設計相應的測點布置方案。以 3m 層數標準進行澆筑，每層布設4個溫度測點。以“十\"字形進行布置[16]。測溫點處通過直徑 2mm 的鋼筋固定混凝土塊和測溫點，混凝土塊尺寸為 50mm×50mm×20mm ，之后再將測溫點與直徑為 20mm 的鋼筋進行隔離。

2.2溫度場有限元仿真分析模型

2.2.1 仿真模擬分析流程

承臺混凝土溫度場仿真模擬分析步驟為：

（1）根據承臺混凝土溫度場仿真分析實際需求，選用MidasFEANX建筑領域軟件進行水熱化、傳熱理論和溫度場分析；

（2）收集和整理數據。確定有限元軟件后，對混凝土外形結構、配合比和物理性能等參數進行收集整理，在基于當前天氣、氣候等因素計算環境溫度、對流系數。

（3）模型建立。根據3號主墩承臺的對稱結構，將混凝土尺寸輸入至DXF文件中，并將其導入MidasFEANX軟件中，之后利用該仿真軟件進行混凝土尺寸網格劃分；

（4）邊界條件確認。為實現后續大體積混凝土水化熱產生機制和溫度場仿真分析，提出基于混凝王特性，將底部墊層與四周設為固定邊界，對稱面和承臺其余暴露面分別定義為對稱邊界和對流邊界。對流邊界中的對流系數受當地氣溫、氣候和表面覆蓋材料的影響較大；

（5）分析及結果。確定邊界條件后，即可打開MidasFEANX軟件的后處理模式，在該模式下對大體積混凝土進行溫度場分析。

2.2.2承臺仿真模擬關鍵參數選取

根據確定仿真模擬分析流程，提出選用16節點3D實體單元替代混凝土，利用1D管單元將冷卻水管取代，由此實現有限元模型構建，單元尺寸設為1m 。最終得到13571個單元，40025個節點。其中，承臺和墊層分別采用C50混凝土和C30混凝土，墊層厚度為 20cm 。具體配合比和熱性能參數如表1、表2所示。

根據以上基本參數計算導熱、放熱系數等，最終得到9號主墩承臺施工現場溫度、入模溫度和冷卻水進水口溫度分別為26、26和 20% ，該區域混凝土配合比和粉煤灰摻量分別為C50類型和 50% 。

3承臺混凝土溫度場模擬結果與分析

實驗對目標承臺進行兩次澆筑，以第二次澆筑后的承臺溫度場進行模擬結果分析。首次澆筑 15d 后即可開始二次澆筑，澆筑時長約為 33h ，選擇表面A點作為測溫點，對其進行水熱化模擬結果分析，具體如圖1所示。

由圖1可知，采用MidasFEANX軟件可對承臺的水熱化過程進行仿真模擬，其模擬結果與實測結果基本擬合。由此證明，采用有限元分析模型可實現大體積混凝土水熱化、傳熱理論和溫度場的有效仿真，仿真結果具備可靠性。

為直觀的看出不同特征點的實測值與模擬值間的誤差，對A點誤差值計算，具體如表3所示。

由表3可知，實測結果與模擬結果間的整體誤差較小，在 _{A，B，C，D} 這4個特征點中，實測值與模擬值的誤差值分別為0.27、0.55、0.11和0.31，整體誤差較小，證明提出的仿真模擬軟件可實現大體積混凝土物理參數的精準仿真。

4結語

研究表明，水泥水化是一個復雜的放熱過程，受多種因素影響，合理的熱釋放模型是溫度場分析的基礎。傳熱理論揭示了大體積混凝土內部熱量傳遞的主要方式，有限元分析方法為精確模擬溫度場和溫度應力提供了有效手段。掌握這些理論和方法，對于大體積混凝土的溫度控制和裂縫防治至關重要。

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