基于水管冷却的大体积混凝土内部温度场试验与仿真.pdf
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1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:王 野()男黑龙江齐齐哈尔人高级工程师研究方向为隧道工程(:.)通讯作者:熊 刚()男湖北荆州人博士研究生研究方向为土 结构相互作用(:.)基于水管冷却的大体积混凝土内部温度场试验与仿真王 野 熊 刚(.中交第二航务工程局有限公司 湖北 武汉.华中科技大学 土木与水利工程学院 湖北 武汉)摘 要:为探究大体积混凝土内部温度场分布规律、最大温升及其出现时间本文依托襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段 项目依据大体积混凝土构件的材料配合比制作了尺寸为 的大体积混凝土试件 针对所制作的大体积混凝土试件开展了有无冷却水管条件下大
2、体积混凝土内部温度分布的试验研究 通过试验发现埋置冷却水管的大体积混凝土内部温度相较于未埋置冷却水管的大体积混凝土而言其最高温度可降低.降温效率达到.且其最高温升出现时间可提前 左右 同时借助 有限元软件建立了相应的大体积混凝土数值仿真模型并通过试验结果验证了仿真模型的有效性 通过仿真结果可知混凝土内部云图以环形分为多个温度层级温度由水管向混凝土外表面方向逐级升高关键词:大体积混凝土 温度场 水管冷却 试验研究 有限元分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.土木工程与管理学报 年:大体积混凝土结构内部温度场的变化会产生温度变形和温度应力进而导致温度裂缝的出现破坏建筑结构的整体性和稳
3、定性因此研究大体积混凝土内部温度场分布及相关控制方法具有重要的工程意义 水管冷却以其灵活性、适应性及有效性等优点成为大体积混凝土内部温度控制最重要的措施最早由美国垦务局提出随后国内外学者做了大量的研究朱伯芳、蔡建波提出了一种大体积混凝土水管冷却的有限元分析方法之后又在均衡考虑混凝土的初始温度、绝热温升和外界温度对水管冷却效果的影响后提出并完善了水管冷却混凝土的等效热传导方程 等通过对水管冷却混凝土结构的水化热进行热分析在计算冷却水温度变化的分析方法中引入了管道模型线元内流理论开发了管道冷却混凝土结构水化热的三维有限元分析程序 林一等的研究表明在上层混凝土浇筑完成后持续通水冷却 以上水管冷却对混
4、凝土中心温度有明显降低作用 高桂波、钱春香等研究表明采用相变导热流体代替冷却水可有效降低混凝土的水化热温升 等研究了管道水冷对大体积混凝土早期温度应力的影响并对混凝土温度场进行三维有限元数值模拟 等认为预埋冷却水管可以有效地避免大体积混凝土的热裂现象 谭广柱等研究了养护过程中大体积混凝土的温度应力场分布认为需根据混凝土的温度场和现场气象状况采取相应的养护措施 等对大体积混凝土非金属管道冷却温度场的级数解析解进行简化和误差分析得到了可适用于非金属管的指数形式理论解析解 周缘等利用有限元分析软件研究了冷却水温、通水流量和水管管径对水管冷却效果的影响发现大体积混凝土水管冷却对冷却水温敏感性最大 李立
5、辉等基于水化放热量参数采用 软件模拟通水情况下水泥混凝土整个过程中的温度场分布并建立了精细化的通水冷却制度 等提出了环形翅片与螺旋翅片冷却水管以增大流动水与其周围混凝土之间换热面积并通过有限元模型分析了两种新型冷却水管 混凝土系统的内部温度变化及分布情况为探究大体积混凝土内部温度场分布规律、最大温升及其出现时间本文依托襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段 项目对水管冷却的大体积混凝土内部温度场及变化规律展开试验研究使用 有限元软件进行仿真研究并通过试验结果验证仿真模型的有效性 大体积混凝土内部温度场试验水管冷却自提出以来得到了广泛应用目前已成为混凝土温控技术最有效的措施之一 为更好地研究冷却水管在大
6、体积混凝土降温过程中的作用本节将进行水管冷却与无冷却的对照试验实时测量其内部多个测温点的温度变化获取混凝土内部部分温度场的试验数据并加以分析.试验准备.试验材料本试验混凝土采用.级华新水泥、细度模数在.以上的中砂、连续级配的碎石、自来水、聚羧酸高效减水剂(减水效率为左右)进行混凝土试件拌制.试验装置本试验为对照试验浇筑有水管冷却与无冷却两个混凝土试件混凝土试块尺寸为 试模尺寸为 试模外框架为 厚竹胶板 混凝土试件六个面设置 厚竹胶板 厚(挤塑聚苯乙烯泡沫)板 厚竹胶板的三层保温结构以提高试模的保温效果并在试模底部增加两个 高的木块垫试件模板尺寸如图 所示试件模具如图 所示?1000501212
7、50100?XPS?图 混凝土试件模板尺寸/根据大体积混凝土施工标准(以下简称施工标准)混凝土浇筑体表层温度宜为表面以内 处温度由于试件 中心处布置了一根外径为 的水管为保证试件 测点一致故选定中心测温点轴线距水管外围 第 期王 野等:基于水管冷却的大体积混凝土内部温度场试验与仿真(a)1?(b)2?图 混凝土试件模具示意建立图 所示坐标系 方向长 方向长 在混凝土中心 平面选定 个点进行测量 轴和 轴各 个点设计测温点坐标如表 所示各测点布置如图 所示两试件的测温点位置一致yB-2C-2A-3B-3C-3A-1B-1C-1A-4B-4C-4A-2xz图 混凝土试件测温点布置示意表 混凝土试验
8、各测温点坐标测温点(a)?(b)?图 冷却设备 冷却设备由冷却水管、水管转接头和春兰实验仪器厂生产的 型低温恒温水浴槽组成如图 所示 冷却水管参数如表 所示 冷却水温度应与气温相近设定冷却水温恒定为 紊流状态下冷却水与混凝土热交换效果好设定冷却水流速./水的粘性系数为.则管道雷诺数为 大于故冷却水可在管道内形成紊流满足试验条件表 冷却水管参数参数导热系数/()密度/热膨胀系数/(/)管外径/壁厚/长度/数值.测温装置为西安天通公司的 通道测温仪型号为 配套传感器型号为 可设置时间周期自动采集并将采样数据上传至云端 测温仪和传感器如图 所示(a)?(b)TD-3A?图 测温设备.混凝土配合比设计
9、混凝土强度等级为 根据普通混凝土配合比设计规程(以下简称设计规程)计算出混凝土配置强度为.水胶比为.根据设计规程设定坍落度为 计算出加入相关减水剂时实际用水量为 /由实际用水量和水胶比可以得出混凝土水泥用量为/取砂率 采用质量法计算混凝土配合比假定混凝土容重为/则砂用量为 /碎石用量为 /减水剂的掺量为水泥质量的 故减水剂质量为./单方混凝土的配比为水 水泥 砂 碎石 减水剂 .试件制备模具中使用两根直径为 的螺纹钢筋作为温度传感器的绑扎支撑钢筋外包裹一圈绝热胶布以减少混凝土试件热量流失 在模板制作中预留冷却水管和钢筋穿入孔洞孔隙处采用双组分胶粘剂(胶)进行封堵防止渗漏 试验前将各测温点传感器
10、连接至测温仪检测并调试确认无误后拌制混凝土 温度传感器布置如图 所示依据.节计算所得配合比拌制混凝土 土木工程与管理学报 年采用单卧轴强制式搅拌机进行搅拌 首先将石子、水泥、砂和减水剂干拌 随后加水继续搅拌 最后人工搅拌 直至混凝土拌合物整体和易性良好并控制其坍落度在 根据施工规范整体连续浇筑厚度宜为 试验试件高度为 故连续浇筑混凝土浇筑成型试件如图 所示图 绑扎温度传感器图 浇筑成型试件 试件浇筑成型后抹平表面在试模表面覆盖一层 板进行保温养护如图 试件 自然养护试件 全程采用循环水箱进行通水冷却室内恒温 设定温度采集时长为 测温仪测温周期为 图 试件养护图 试件温度测量.试验结果分析无冷却
11、与水管冷却混凝土 温度变化分别如图 所示无冷却与水管冷却混凝土各测温点最高温度、温升及出现时间分别如表 所示表 无冷却混凝土各测点最高温度、温升及出现时间测温点最高温度/最高温升/出现时间/.表 水管冷却混凝土各测点最高温度、温升及出现时间测温点最高温度/最高温升/出现时间/.由图 可知无冷却混凝土内部各点整体温度曲线均呈现先升高再降低最后趋于平稳的趋势符合大体积混凝土内部升温曲线特征 对比各测温点温度峰值附近的曲线放大图发现靠近混凝土外表面的测点其温度相对较低原因为试验无法实现完全绝热条件混凝土与外界存在热交换 结合表 混凝土内部各点最高温度和出现最高温度时间接近各点温度峰值出现在.之间温度
12、峰值在.之间最高温升为.最高温升值接近混凝土内部整体传热均匀 混凝土整体最高温升为.出现在 点由图 可知水管冷却混凝土内部各点温度均呈现先升高再降低最后趋于平稳的趋势 在试验初期混凝土内部温度上升表明此时段混凝土内部水化放热作用大于水管降温作用此后水管冷却效果得到凸显 后混凝土内部温度趋于 结合表 水管冷却混凝土各点温度与温升峰值在.之间出现 系列点温度峰值最大在.之间 系列点次之在.之间 系列点温度最低在.之间这表明离水管距离越远冷却效果越差温度峰值越高 因重力作用试件将底部保温层压薄使底部保温效果减弱 测点相较于其他离水管相同距离的测点温度低对比水管冷却与无冷却混凝土试件内部的最大温升和出
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