大体积混凝土相变控温方法与模型

摘要

混凝土结构尤其是大体积混凝土结构的温度裂缝问题是土木工程质量的顽症之一，裂缝不仅影响美观，而且严重影响构筑物的使用寿命和安全性。目前混凝土构筑物几乎都不同程度存在温度裂缝，温度裂缝问题已经成为土木工程界普遍关注的问题。温度裂缝是由于混凝土结构内部温度场温差形成温度应力而产生的，目前在防治大体积混凝土温度裂缝问题上，一般对外部因素考虑比较多，而在提高混凝土本身材料的特性以及开发新的混凝土品种上研究的很少。相变储能材料，储热密度大、储放热过程近似等温特点，已成为有效利用新能源和节能的重要途径。为此，论文提出了采用相变材料，在混凝土浇注过程中将其掺入使之与混凝土结构一体化，利用相变材料在特定温度范围的热效应控制混凝土内部温度场，达到机敏控制温度应力防止温度裂缝。结构混凝土内部温度场随环境温度和混凝土水化热变化而变化，其温度应力变化具有随机性和方向交替变化的特点，相变材料温控机制与混凝土结构有机一体化，同步感应内部温度变化，实时随机应变启动控制温度机制，防止温度裂缝的形成。利用计算机模拟计算分析相变大体积混凝土温度场分布，提出了采用非理想相变材料在大体积混凝土温度场均匀化分布观点。通过自制的混凝土温度监测系统，对相变控温混凝土内部温度变化进行监测分析，证实了非理想相变材料石蜡更适合于大体积混凝土温度控制，同时也证明了采用非理想相变材料石蜡做混凝土控温材料具有较好的控温效果。论文根据大体积混凝土不同工况要求，选择了石蜡颗粒和石蜡乳液做混凝土相变控温材料。研究了石蜡颗粒和石蜡乳液在混凝土(或砂浆) 中的掺入方法：质量代砂法和体积代砂法；研究了相变控温混凝土(或砂浆)的物理力学性能、耐久性能和导热性能。结果表明：体积代砂法优于质量代砂法。相变控温混凝土(砂浆) 强度有所降低，抗渗性提高，石蜡相变控温砂浆导热系数略低于普通砂浆。采用压汞法对相变控温砂浆进行孔结构分析，说明体积代砂法配制相变控温砂浆孔隙率小于质量代砂法配制的相变控温砂浆，孔径分布更合理。利用差示扫描量热法DSC和调制DSC法对相变材料、普通砂浆和相变控温砂浆进行物性分析，包括熔点、潜热、比热容等性能。设计了圆环温度裂缝试验，对相变控温砂浆抵抗温度裂缝性能进行评价，得出结论石蜡颗粒的控温效果优于石蜡乳液的控温效果，提高了混凝土抵抗温度裂缝的能力。根据温度场分布试验结果，对非理想相变材料石蜡的实际传热过程进行分析，将相变控温大体积混凝土作为非理想相变材料来处理，借鉴焓法和有效热容法，建立相变控温混凝土的温控模型，模拟分析相变控温混凝土温度场分布情况。差示扫描量热法DSC和调制DSC法测试结果说明模型假设合理。相变温控模型分析和预测不同工况下相变材料石蜡对大体积混凝土的控温效果。论文采用计算机模拟系统地分析了相变材料在大体积混凝土温度控制中品种、相变点和潜热的选择，优化相变控温参数。对相变控温混凝土的综合性能和微观孔结构进行了测试，对于防治混凝土温度裂缝提供新方法；并从理论上分析了，非理想相变材料在混凝土中的相变控温过程，建立了非理想相变材料在大体积混凝土温度控制过程的模型，为非理想相变材料在大体积混凝土中的应用提供了预测方法。关键词：温度裂缝，相变材料，非理想，石蜡，温度场分布，控温模型

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1论文研究背景及意义

1.2大体积混凝土温度裂缝国内外研究进展

1.2.1大体积混凝土存在问题

1.2.2大体积混凝土温度裂缝研究现状

1.2.3目前大体积混凝土温度裂缝防治措施

1.3相变控温储能机敏控制混凝土结构温度裂缝

1.4相变材料的应用研究

1.4.1相变储能材料研究现状

1.4.2相变储能材料在建筑上的应用

1.4.3相变材料与建筑材料的组合方式

1.5论文的主要工作和创新点

1.5.1论文的主要工作

1.5.2论文的创新点

第2章大体积混凝土相变控温参数优化与模拟分析

2.1大体积混凝土温度场分布特点

2.1.1大体积混凝土温度变化过程

2.1.2混凝土温度应力及其特点

2.1.3大体积混凝土温度裂缝产生原因

2.2大体积混凝土热传导原理

2.2.1传热学原理

2.2.2导热微分方程

2.2.3大体积混凝土中的热传导方程

2.3大体积混凝土热传导方程的初始条件和边界条件

2.4大体积混凝土温度场影响因素计算

2.4.1水泥水化热的计算

2.4.2日照或太阳辐射因素的影响

2.4.3环境温度因素的影响

2.5一维温度场显式差分解法

2.5.1内点温度计算

2.5.2绝热边界条件计算

2.5.3第三类边界条件的计算

2.6相变控温大体积混凝土温度场计算

2.6.1相变控温大体积混凝土温度场分布特点

2.6.2相变控温大体积混凝土温度场分布模拟计算方法

2.6.3相变控温大体积混凝土各点温度算式

2.6.4相变控温混凝土温度计算流程图

2.7相变控温混凝土温度场分布模拟结果

2.7.1大体积混凝土温度场分析

2.7.2相变控温混凝土温度场分析

2.7.3大体积混凝土中相变控温材料品种的选择

2.7.4大体积混凝土中相变控温材料相变点的选择

2.8小结

第3章大体积混凝土相变控温材料优选

3.1相变材料分类

3.1.1无机水合盐类固液相变材料

3.1.2有机类固液相变材料

3.2遴选相变控温材料

3.2.1石蜡相变材料性能分析与选择

3.2.2石蜡与混凝土的组合方式分析

3.3石蜡相变控温材料的热物性分析

3.3.1差示扫描量热法影响因素

3.3.2 DSC试验结果分析

3.4本章小结

第4章大体积混凝土相变控温效果实测分析

4.1混凝土测温系统设计

4.1.1热电偶的选择

4.1.2 Model 7057A热电偶测温扫描卡

4.1.3 7001程控开关控制器

4.1.4数字多用表

4.1.5数据采集系统

4.2测温试验设计

4.2.1试验原材料设计

4.2.2混凝土测温试件设计

4.2.3测温方法设计

4.3石蜡颗粒相变控温混凝土温度场分布试验研究

4.3.1自然温升模拟大体积混凝土温度场分布

4.3.2热源模拟大体积混凝土温度场分布

4.4石蜡乳液相变控温混凝土温度场分布试验研究

4.4.1自然温升模拟大体积混凝土温度场分布

4.4.2热源模拟大体积混凝土温度场分布

4.5本章小结

第5章相变控温大体积混凝土性能研究

5.1相变材料的取代方法和原材料选择

5.1.1石蜡取代方法研究

5.1.2石蜡颗粒粒径对砂浆性质的影响

5.1.3不同品种石蜡乳液对砂浆性质的影响

5.2物理力学性能

5.2.1强度

5.2.2弹性模量

5.3抗渗性能的测定

5.4导热性能的测定

5.5抗裂性能测试与评价

5.6微观孔结构测定与分析

5.7本章小结

第6章非理想相变控温大体积混凝土温控模型

6.1非理想相变材料控温混凝土温度场模型

6.1.1非理想相变控温混凝土相交传热特点

6.1.2非理想相变材料控温混凝土的温度场算式

6.1.3非理想相变材料控温混凝土的温度场计算流程图

6.2 DSC和MDSC法测试相变控温混凝土热性能

6.2.1 DsC试验结果分析

6.2.2调制DSC的测试和结果分析

6.3大体积混凝土相变控温体系设计

6.3.1普通大体积混凝土温度场分布模型

6.3.2相变控温混凝土温度场预测模型

6.4非理想相变控温混凝土温度场模拟结果验证

6.4.1高温季节施工大体积混凝土温度场模拟结果验证

6.4.2低温季节施工大体积混凝土温度场模拟结果验证

6.5小结

第7章结论与展望

7.1论文工作总结

7.2对未来工作的展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果