低温及超低温混凝土热学参数研究.pdf

范燕平 等： 低 温及超低温混凝土热学参数研究 9 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 1 2 0 0 4 低温及超低温混凝土热学参数研究 范燕平 ， 盛余飞 ， 李金玲 ， 程旭东 ( 中国石油大学 ( 华东) 储运与建筑工程学院 。 山东青岛2 6 6 5 8 0 ) 【 摘要】 采用 自主研制的超低温试验装置对不同低温情况下的立方体混凝土试块进行试验， 测定试块中 心点温度变化情况。根据已有研究成果 ， 推测出低温及超低温情况下混凝土的导热系数、 比热容。模拟混凝土试 块低温及超低温情况下的温度场分布。不断调整导热系数和 比容值， 最终得到与实测数据吻合度较高的模拟降 温曲线 ， 则该组数据即可认为是混凝土的实际热学参数。结果表明， 导热系数随温度的降低而增大， 比热容随温 度降低而减小 ， 两者与温度变化呈近似线性关系。 【 关键词】 混凝土； 低温及超低温； 导热系数 ； 比热容； 温度场 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 0 9 0 3 当 L N G内罐泄漏时， 罐体会遭遇 一1 6 0 o C极冷环 境 ， 巨大 的温度差形成 的温度应 力将超 过混凝 土抗 拉 强度， 罐体一旦出现贯通裂缝 ， 天然气发生逸 出， 将造 成严重的后果。研究混凝土低温及超低温下的导 热性 能是 探索 其 温度应 力 及力 学 性能 的基 础 。对 具 有一定尺寸的混凝土试块进行热传导性能研究， 则可 不考虑混凝土的不均匀性质， 降低参数测量 的离散 型， 同时， 考虑实际工程中混凝土结构体型巨大， 可近 似将整个结构视为均匀材质。故文中通过研究一定 尺寸 的 昆 凝 土试块 ， 测定 试块 中心 点温 度 ， 模 拟试 块 温度 场 分布 ， 并 建立 形式 简单 、 适合 于工 程应 用 的物 理模 型 ， 为早 日制 定 国 内混 凝 土低 温规 范 ， 优化 L N G 储罐 自主设计技术， 扩大经济效益等提供参考价值。 1 混凝土导热机理 由于材料性质具有离 散性 ， 混凝 土在 低温及 超低 温情况下的导热过程是一个复杂的物理反应。根据 F o u r i e r 热传导理论 ， 混凝土内部的温度场是时间和空 间 函数 。文中研 究的是水 泥水化 反应完 全 、 养护 完成 并且性质稳定之后 的混 凝土试块 ， 在绝热 条件下 自身 不再产生水化热等热量 ， 则三维不稳定温度场的热传 导微分方程为 ： ： ( + + 譬) ( 1 ) a 、 0 2x 0 2y a z 式 中 ， 为温 度 ， ； r为 时 间 ， d ； ( ， Y ， ) 为 直角 坐标 ， i n ； A、 c、 P 分别是混凝 土的导 热系数 、 比热容及 质量密度 ， k J m h 、 k J k g c 【= 、 k g m 。 2低温及超低温试验 ( 1 ) 试 验设备。试 验 目标 温度最 低达 到 一 1 6 0 C， 普通降温设备难 以实现， 采用 自主研发的超低 基金项 目 山东省 自然科学基金( Z R 2 0 1 2 E E L 2 3 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助( 1 5 C X O 5 0 0 4 A) o 00 0o 00 O0 oo O0 0 0 oo 00 00 0O o0 00 00 0 0 00 OO 0o 0O 0o 0O 0 0 o0 00 00 00 00 00 0 0 00 00 00 00 o 0 00 00 O0 00 o 0 O0 0o 0o O0 o o 00 0 9 0 d和 1 8 0 d 龄期时， 流态粉煤灰的抗压强度分布提高 了 2 0 7 、 2 0 6 、 1 8 0和 1 3 9 倍 。 ( 2 ) 流态粉煤灰 的抗压强度 随着龄期 的增 大而 增加， 而养护温度越高， 早期强度提高的速度越快。 相对 于 7 d龄期 时 的抗 压强 度 值 ， 养护 温 度 为 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 时， 2 8 d 龄期抗压强度分别提高 了 2 0 3 、 2 0 8 、 2 1 2 、 2 1 1和 2 0 2倍 。 ( 3 ) 试验范围内的养护湿度对于流态粉煤灰的 7 d龄期抗 压强 度 值 影 响很 小 ， 而 当龄 期 达 到 2 8 d之 后 ， 流态粉煤灰的抗压强度随养护湿度提高而有所提 高， 但是提高值较小。养护湿度从 6 5 提高值 8 0 ， 流态粉煤灰的9 0 d 龄期抗压强度只提高了4 5 。 参考文献 1 刘建忠 ， 缪 昌文 ， 刘加平 ， 毛永琳 ， 费治华 养 护制 度对混凝土 变形性能影响的试验研究 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ， ( 1 2) ： 2 52 7 2 J T G E 5 1 2 0 0 9 ， 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 s 3 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标 准 s 4 张涛 ， 兰英静 王楠 不同养 护方式 的混凝 土强度发展规律探 讨 J 铁道建 筑， 2 0 1 3 ， ( 9 ) ： 1 3 11 3 3 5 谢子令 ， 李 显 养护温度及 时间对粉煤灰基 地质聚合物混凝 土强度发展的影响 J 混凝土 ， 2 0 1 4， ( 6 ) ： 5 5 5 8 6 J T J 0 3 4 2 0 0 0 ， 公路路面基层施工技术规范 s 7 J T G F 1 0 2 0 0 6 ， 公路路基施工技术规范 s 收稿日期 2 0 1 5 0 9 2 4 作者简介 李洪亮( 1 9 7 8一) ， 男， 辽宁铁岭人， 高级工程师， 从事道路工程的设计与科 研工作 。 1 0 低温建筑技术 2 0 1 5年第 l 2期 ( 总第 2 1 0期 ) 温箱完成试验， 箱体使用 3 0 4不锈钢制作 ， 保温材料为 聚氨酯 ， 具有 良好的保温效果。装置 自带液氮控制 阀， 通过控制液氮蒸发量 自动控制箱内温度。自带铂 金温度传感器 ， 可实时测定并显示内部环境温度。降 温试 验全程在超低温箱 中进行 。 制作试块时在 中心处预埋铜 一康铜热电偶以测 量中心点温度 ， 使用前将 自制热电偶进行标定 和校 验， 满足试验要求。温度采集装置使用吉时利 2 7 0 0数 字采集 器 ， 测量精 度可达 0 0 0 0 1 o C。连接 电脑 后可 自 动采集并记录测量数 据。 ( 2 ) 试件制作。本试验以青岛某公司的商品混 凝土为原料， 强度为 C 5 0 ， 平均含水率为 3 3 ， 配合 比 如表 1 。在混凝 土试件 中心 点预埋 热 电偶 ， 用 以测定 该点温度 。试 件在 标准 养护 箱 内养 护 2 8 d后进 行试 验 ， 制作符合规范要求 。 表 1 商品混凝 土配合 比 ( 3 ) 试验方案。试验将混凝土试块置于超低温 箱中， 六面传热 ， 测定混凝土在低温及超低温下中心 点处的温度随时间变化情况， 与数值模拟结果对 比， 文 中提及 的试验 温度 指环境 温度 ， 设置 一5 、 一2 0 、 一 3 0 、 一 6 0 、 一1 0 0 、 一1 2 0 、 一 1 6 0 共 7个试验温度 ， 待混 凝 土试块 中心温度趋近 目标温度时停止试 验。 3 热学参数推测 一 般认为温度低于 一5 0 c I 二 为超低温环境 ， 在对 低温及超低 温情 况下 的混 凝土 的温 度场 进行 数值 计 算 时 ， 需要 的热学参数主要包括导热系数 、 比热容 、 热 对 流系数 等 ， 这 些参 数与原 材料 、 昆 凝 土质量配 合 比 等有关 。 ( 1 ) 导热系数和比热容。B r o w n e 测定混凝土 导热系数随温度 的降低而变 大。当温度降低 至 一 1 6 5 C 时， 饱和混凝土的导热系数提高 6 0 ； 当温度高 于冰点时 ， 温度愈 低 ， 导热 系数愈小 。H i d e o K a s a m i 。 等人赞同这一结论 ， 并解释这一现象是由于混凝土中 液态水结冰所致。多数专家认为， 混凝土导热系数受 多个条件影响， 其中， 含水率起主要作用 ， 并通过试验 得到不同含水率下混凝土导热系数的变化 ， 如图 1 所示 ， 此外 ， 比热容同导热 系数 一样 ， 受 温度 的影 响 比 较明显， 并存在大致相同的变化趋势 。 国内对混凝土热工参数的研究多以高温环境为 主 ， j ， 低温及超低温 下混凝 土热 工性能 成果鲜 有发 表。根据混凝土导热理论” 以及上述学者的研究成 果 ， 结合文中采用的混凝土试块材料、 配合 比等， 推测 低温及超低 温环境 下混 凝 土试块 导热 系数 和 比热 容 如表 2所示 。 温度， 一水 一饱 和混凝土 一 部分干燥混凝土 一干燥混凝土 图 1 不同温度下导热系数 表 2 不 同温度下混凝土导热系数和比热容 ( 2 ) 热对 流系数 。处于 自然环境 中的实际结 构 ， 在被空气包 围的表 面上 ， 发生着 两种彼 此独立 的热交 换 ： 由于辐射引起的热交换以及 由于传导和对流引起 的 对流热交换 。这二部 分在工 程实践上常常综合为一个 数值 ， 通 常称为总的热交换系数 。国内外文献 中对 总热 交换系数的取值规定差异很大， 但一般都取为与风速成 线性关系 ， 且风速的考虑都不大于 5 m s 。 根据文献 ， 热对流系数采用下式计算 ： h = 1 2 4 7+3 3 3 v ( 2 ) 式中的常数项是考 虑 了 自然对流换 热 的影 响 ， 风 速前面的系数综 合考 虑 了结构 表 面的 温差 和不 同朝 向的影响 ， u 为外界风速 ， m s 。在文 中的试验 中， 混凝 土试 块 置 于 超 低 温 试 验 箱 中，” = 0， 故 取 h= 1 2 4 7 W ( m 。 K) 。 4数值模拟 对边长为 1 0 0 m m的立 方体 混凝 土试块 进行数 值 计算 。假定试块材料均质， 各向同性， 混凝土热工参 数采用上文 中 的推测 值。使用 A B A Q U $进行 温度 场 数值计算时， 有限单元网格均划分为 8 节点单元， 计算 步长为 5 m i n 。依次将环境 的温度设置成 一5 、 一2 0 、 一 3 0 、 一 6 0 、 一1 0 0 、 一 1 2 0 、 一 1 6 0 ， 分别模拟 出混 凝土 试块的温度 场分布 。 T 目 嘲壤砷 范燕平 等 ： 低 温及超低温混凝土热学参数研究 5结果分析 测温时每 l O s 对试块中心温度进行测量并记录一 次， 保证试验具有很好的即时性。数据处理时， 每 5 m i n 取点， 完成绘图分析并与数值分析结果对比分析。 文中对七组试验的混凝土试块进行降温试验， 测 出混凝土试块中心点温度。与此同时， 使用 A B A Q U S 对处于不同低 温情 况下 的混 凝 土试块 温 度场 分 布进 行数值模拟， 导出试块中心点温度变化情况并与实测 值比较， 然后不断调整推测 出来的热工参数， 以保证 模拟值和实测值吻合。最终确定 的模拟值和实测值 吻合情况见图 2 、 图 3 。 显然， 模拟值与试验结果 总体 吻合较好。利用 2 1中推测的热工参数， 当环境温度确定时 ， 即可得出 符合试验结果的温度场分布， 由此可以证明推测的热 工参数是合理的， 并且误差满足工程要求。为方便工 程应用， 利用 O r i g i n P r o 8拟合出导热系数、 比热容与 温度之间的关系如公式( 3 ) 、 ( 4 ) 所示。 A =一0 0 0 7 4 T+2 7 6 ( 3 ) c=3 0 8 T+8 9 0 ( 4 ) 4 0 O 一 4 0 魁 赠一 8 0 1 2 0 一 l 6 0 O 2 o 4 o 6 o 8 O l o o 1 2 o1 4 0 1 6 0 时阃 r a i n 试验值一 6 0 C 一 模拟值一 6 0 0 C 试验值一 1 0 0 C 一 模拟值一 l O O S e 试验值一 1 2 0 一 模拟值一 1 2 0 C 试验值一 1 6 0 C 一 模拟值 一 1 6 o 图 3 超低温情况下模拟值与试验值对 比 由图2 、 图3可知， 模拟值与实测值在超低温阶段 相对 于低 温阶段 吻合更好 ， 这 是 由于在 低 温阶段混 凝 土的性质 还未稳定 ， 混凝土试 块 中 自由水发 生 的相 变 等物理变化影响了环境与混凝土试块之间的传热。 6 结语 ( 1 ) 温度是影响混凝土导热性能的重要 因素， 低温及超低温情况下， 温度越低， 传热速度越快， 文 中 拟合出了边长 1 0 0 m m立方体混凝土试块的导热系数、 比热容与温度之间的简单函数关系， 并通过数值模拟 及试验进行了验证 ， 可为工程应用提供参考。 ( 2 ) 冰 的导热 性 能与水 相差 很大 ， 导致 混凝 土 的导热性能在冰点时刻出现变化 ， 设计温度处于 0一 一 5 0 的混凝土结构 时， 应 考虑 内部水 分 的相变储 能 对混凝土传热 的影响 。 参考文献 1 程旭 东 ， 等 大型 L NG储罐预应力混凝土外墙应 力分析与结 构优化 J 油气储运， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 8 1 98 2 3 2 程旭东， 等 L N G储罐外罐施工期间的温度应力及裂缝分布 J 天然气工业 ， 2 0 1 4， 3 4 ( 9) ： 1 0 71 1 2 3 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 S 4 陈 良， 侯予 ， 习兰 铜 一康铜热电偶的标定与误差分析 J 低 温工程 ， 2 0 0 8 ， ( 6 ) ： 1 8 2 3 5 B r o w n e R D ， B a m f o r t h P B T h e u s e o f c o n c r e t e f o r c r y o g e n i c s t o r - a g e ： a s u mm a r y o f r e s e a r c h ， p a s t a n d p r e s e n t C P r o c e e d i n g s o f t h e 1 s t I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e o n Cr y o g e n i c Co n c r e t e L o n d o n： T h e Co n c r e t e S o c i e t y 1 9 81 ：1 3 5 1 6 6 6 K a s a m i H， T a n a k a Y， K i s h i m a Y， e t a 1 P r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a t v e ry l o w t e m p e r a t u r e s C F i r s t I n t C o n f o n C ryo g e n i c C o n c r e t e ， N e w c a s t l e u p o n T y n e ( Ma r c h 1 9 8 1 ) 1 9 8 1 7 D a h m a n i L ， K h e n a n e A ， K a c i S B e h a v io r o f t h e r e i n f o r c e d c o n - c r e t e a t c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e s J C r y o g e n i c s ， 2 0 0 7 ， 4 7 ( 9 ) ： 5 1 7 5 2 5 8 K h a y a t K H， P o l i v k a M C ryo g e n i c f r o s t r e s i s t a n c e o f l i g h t w e i g h t c o n c r e t e c o n t a i n i n g s il i c a f u m e J A C I S p e c i a l P u b l i c a t i o n ， 1 9 8 9， 1 1 4 9 肖建庄， 黄运标， 任红梅 混凝土热工参数影响因素及理论计 算 J 粉煤灰 ， 2 0 0 8 ， ( 5 )： 1 7 2 0 1 O 唐世斌 ， 唐春安 ， 梁正 召， 张亚芳 混 凝土热传 导与热 应力 的 细观特性 及 热 开 裂 过 程研 究 J 土 木 工 程 学 报 ， 2 0 1 2， 4 5 ( 2 ) ： 1 1 1 9 1 1 王润富， 陈国荣 温度场和温度应力 M 北京： 科学出版社， 2 0 05： 16 1 2 刘照球 混凝土结构表面对流换热研究 D 上海： 同济大 学 2 0 0 6 收稿日期 2 0 1 5 0 9 2 5 作者简介 范燕平( 1 9 9 0一) ， 女， 山东聊城人 ， 硕士研究生， 从事低温及超低温混凝土结构设计 、 混凝土 结构 耐久性方 面的研究工作 。