[发明专利]大体积混凝土结构的水化热计算方法

说明书

本发明公开了一种大体积混凝土结构的水化热计算方法，该方法采用有限单元法实现：在求解混凝土综合放热量过程中，采用热‑化学耦合方法，以水化度作为化学反应系统的中间变量，并考虑实时温度对水化速率的影响；同时，水管冷却效应采用经典的传热学方法进行推导，结合有限元中的迭代方法求解水管冷却水实时温度及水管吸收的热量。本发明的算法由数学方程推导，仅用到两个基本假设，相比于基于经验公式的算法，本发明的方法更加严密。此外，本发明给出了该方法的具体求解方法，易于在有限元方法中实现。

技术领域

本发明涉及一种水利水电工程大体积混凝土结构施工仿真技术领域的一种混凝土水化热计算，主要针对采用水管冷却的温控方式的大体积混凝土结构。

背景技术

大体积混凝土结构在施工过程中往往出现裂缝，大量实际工程经验表明，混凝土的温度变形是诱导大体积混凝土结构产生裂缝的主要因素之一。因此，对于大体积混凝土结构，合理地预报结构内部温度发展历程，分析其开裂风险是研究热点之一。建立合理的混凝土水化放热量计算模型是准确预报大体积混凝土温度场的基本前提。

混凝土温度上升实质上来源于水泥与水结合形成水合物的化学反应。众所周知，化学反应速率与其所处环境温度有着紧密联系，水泥水化反应也同样如此，在温度相当低的情况下，水化反应会非常缓慢甚至停止。对于相同龄期的大体积混凝土，在内部(通水冷却)和外部边界条件(环境温度等)的影响下，不同部位的温度不同，其水化反应速率也不同。因此，有必要考虑实时温度对水化放热的影响。

此外，大体积混凝土施工过程中，除了采用预冷却技术，如预冷骨料和减少水泥含量等，通常还需在混凝土内部预埋冷却水管并在混凝土浇筑后通过通水控制内部温度，该方法在混凝土坝的施工中得到了广泛的应用。事实上，通水冷却是目前大体积混凝土温度控制中最为有效的措施。因此，大体积混凝土内部冷源的冷却效应，也是计算综合放热量和温度上升情况中必须要考虑的重要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑混凝土内部化学反应速率与温度之间关系以及水管冷却效应的温度场计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该方法是采用有限单元法实现：在求解混凝土综合放热量过程中，采用热-化学耦合方法，以水化度作为化学反应系统的中间变量，并考虑实时温度对水化速率的影响；同时，水管冷却效应采用经典的传热学方法进行推导，结合有限元中的迭代方法求解水管冷却水实时温度及水管吸收的热量。

具体定，该方法包括如下步骤：

步骤1.混凝土瞬态热传导：

将瞬态热传导方程写作：

其中，ρ为混凝土密度；C为混凝土比热；λT为混凝土导热；Q为单位质量混凝土放热量；x,y,z为空间坐标；t表示时间；T表示温度；△为拉普拉斯算子；

将包含冷却水管的混凝土综合放热量分为两个部分：

步骤2.混凝土水化放热量：

引入水化度ξ作为化学反应系统的中间变量：