寒區(qū)春季澆筑導流墻施工期表面保溫材料厚度確定方法

胡正凱，于 宙，楊炳勇， 強 晟，朱中原

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098；3.不二新材料科技有限公司,江蘇 南通 226541）

1 研究背景

在寒區(qū)進行大體積混凝土結構,尤其是薄壁結構的施工容易出現(xiàn)裂縫,這是因為結構內部的溫度與氣溫相差較大,從而在混凝土內部引起較大的溫降速率,產(chǎn)生較大的溫度應力。如果不重視,甚至會出現(xiàn)貫穿性的裂縫。通過加強表面保溫減少熱量損失是一種常見的溫控防裂方法。大量學者針對混凝土的表面保溫工作開展了研究。在保溫方法與材料方面,雙層表面防護保溫涂層材料系統(tǒng)[1]、電阻絲加熱[2],加氣混凝土自保溫體系[3]和高強防寒保溫泡沫混凝土[4]等都在工程建設中取得了良好的效果。在仿真計算方面,朱伯芳提出了一套壩塊停工越冬期間溫度應力及表面保溫計算方法[5]；劉武軍采用ANSYS計算并分析了保溫板的厚度、種類、保溫時間等因素對保溫效果的影響規(guī)律[6]；陳祥等人根據(jù)三維有限元計算結果指出在工程施工前需要對混凝土結構進行敏感性分析,從而確定保溫力度[7]。

現(xiàn)有的研究成果仍然存在不足。一方面,部分新型保溫方法與材料難以適用于寒區(qū)的混凝土施工,且成本較高,難以得到推廣；另一方面,現(xiàn)有的研究成果主要適用于混凝土壩塊,而針對薄壁結構的研究較少。本文以位于新疆的導流墻為例,采用三維有限元仿真計算得到此結構在不同保溫條件下的溫度場,以3℃/d的溫降速率作為控制標準確定其表面放熱系數(shù),并推導出表面放熱系數(shù)與風速、保溫層厚度與保溫層的導熱系數(shù)之間的計算公式,據(jù)此確定表面保溫材料的厚度。

2 計算模型

墩墻厚1 m,高6 m,長8 m；底板厚2 m,寬11 m,長8 m。坐標原點位于墩墻底部中心,有限元模型見圖1。共有單元3840 個,結點4879 個。取兩個特征點,分別位于閘墩中心面距離底板上表面1.5 m和4.5 m處,見圖2。

圖1 有限元模型圖

圖2 現(xiàn)場支架布置典型圖

在溫度場仿真計算中,底板四周與底部絕熱,上表面自由散熱,初溫為2℃。墩墻左側面下部區(qū)域與巖石接觸,散熱系數(shù)為5 kJ/（m2·d·℃）,其余表面覆蓋保溫材料。

3 計算參數(shù)

底板與墩墻混凝土的熱學參數(shù)見表1。

表1 混凝土熱學參數(shù)

根據(jù)氣象資料擬合出氣溫曲線：

式中：Tad為日平均氣溫,℃；t為每天中的時刻,h。

墩墻的澆筑溫度為12℃。

4 計算工況與計算結果

本文計算表面放熱系數(shù)為200 kJ/（m2·d·℃）、150 kJ/（m2·d·℃）、100 kJ/（m2·d·℃）、80 kJ/（m2·d·℃）、50 kJ/（m2·d·℃）的五種工況,各特征點的溫度歷時曲線見圖3～圖4。

圖3 不同保溫條件下特征點1的溫度歷時曲線圖

圖4 不同保溫條件下特征點2的溫度歷時曲線圖

計算不同工況下各特征點在達到溫度峰值后的溫降速率,見表2～表3,并作出歷時曲線圖,見圖5～圖6。

圖5 不同保溫條件下特征點1的溫降速率歷時曲線圖

圖6 不同保溫條件下特征點2的溫降速率歷時曲線圖

表2 特征點1的溫降速率 單位：℃/d

表3 特征點2的溫降速率 單位：℃/d

5 保溫材料厚度的確定方法

本文以3℃/d的溫降速率作為控制標準。由圖表可知,如果以日最大溫降速率來控制,則表面散熱系數(shù)需要取50 kJ/（m2·d·℃）。如果以溫降期間的多日平均溫降速率來控制,則兩側面都臨空的墩墻上部表面散熱系數(shù)取150 kJ/（m2·d·℃）,一側面臨空的墩墻下部表面散熱系數(shù)取200 kJ/（m2·d·℃）。

根據(jù)文獻[8],固體表面在空氣中的放熱系數(shù)β可用下式計算：

式中：va為風速,m/s；βs為放熱系數(shù),kJ/（m2·d·℃）。

混凝土表面通過保溫層向周圍介質放熱的等效放熱系數(shù)βs可用下式計算：

式中：hi為各層保溫層的厚度,m；i為各層保溫層的導熱系數(shù),kJ/（m2·d·℃）；β為混凝土的放熱系數(shù),kJ/（m2·d·℃）。

結合以上三式,并考慮到放熱系數(shù)的單位換算,可得到表面放熱系數(shù)與風速、保溫層厚度與保溫層的導熱系數(shù)之間的計算公式,即：

式中：hi為各層保溫層的厚度,m；i為各層保溫層的導熱系數(shù),kJ/（m2·d·℃）；va為風速,m/s；βs為混凝土在保溫條件下的放熱系數(shù),kJ/（m2·d·℃）。

表4 常見保溫材料的導熱系數(shù) 單位：kJ/（m·d·℃）

根據(jù)網(wǎng)絡查詢的新疆風速資料,新疆風速的年變化,一般春季最大,夏季次之,冬季最小。風速日變化一般分為三種類型：①白天風速大于夜間。②午后至傍晚風速最大,最小出現(xiàn)在凌晨7～9 時。③夜間風速大。阿拉山口6 m/s,北疆東部、東天山北麓4 m/s,烏魯木齊—達坂城—吐魯番地區(qū),平均4 m/s～6 m/s。東疆地區(qū)風速較大,哈密西部了墩至十三間房,年平均風速4.5 m/s～5.5 m/s。

根據(jù)上述資料,取平均風速va=5 m/s。以麥稈或稻草席、干棉絮和麻氈這幾種保溫材料為例,根據(jù)式（5）可得到不同表面放熱系數(shù)βs要求下各材料分別需要的材料厚度,見表5。

如采用表5內的保溫材料,則可根據(jù)需求選用表內的相應厚度。

表5 不同保溫要求下各材料所需厚度 單位：cm

如采用其他材料,也根據(jù)相應材料的導熱系數(shù)采用式（5）計算得到所需厚度。

6 結論

（1）在寒區(qū)的環(huán)境溫度影響下,導流墻在澆筑后溫度會快速降低,若不加強表面保溫工作,會在溫度應力作用下產(chǎn)生裂縫。

（2）當以3℃/d的溫降速率作為控制標準時,若以日最大溫降速率來控制,表面散熱系數(shù)需要取50 kJ/（m2·d·℃）。若以溫降期間的多日平均溫降速率來控制,兩側面都臨空的墩墻上部表面散熱系數(shù)取150 kJ/（m2·d·℃）,一側面臨空的墩墻下部表面散熱系數(shù)取200 kJ/（m2·d·℃）。

（3）提出了表面放熱系數(shù)與風速、保溫層厚度與保溫層的導熱系數(shù)之間的計算公式,并據(jù)此計算出三種常見保溫材料在不同保溫要求下所需的厚度,可供類似工程參考。