寒区春季浇筑导流墙施工期表面保温材料厚度确定方法

胡正凯，于 宙，杨炳勇， 强 晟，朱中原

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098；3.不二新材料科技有限公司,江苏 南通 226541）

1 研究背景

在寒区进行大体积混凝土结构,尤其是薄壁结构的施工容易出现裂缝,这是因为结构内部的温度与气温相差较大,从而在混凝土内部引起较大的温降速率,产生较大的温度应力。如果不重视,甚至会出现贯穿性的裂缝。通过加强表面保温减少热量损失是一种常见的温控防裂方法。大量学者针对混凝土的表面保温工作开展了研究。在保温方法与材料方面,双层表面防护保温涂层材料系统[1]、电阻丝加热[2],加气混凝土自保温体系[3]和高强防寒保温泡沫混凝土[4]等都在工程建设中取得了良好的效果。在仿真计算方面,朱伯芳提出了一套坝块停工越冬期间温度应力及表面保温计算方法[5]；刘武军采用ANSYS计算并分析了保温板的厚度、种类、保温时间等因素对保温效果的影响规律[6]；陈祥等人根据三维有限元计算结果指出在工程施工前需要对混凝土结构进行敏感性分析,从而确定保温力度[7]。

现有的研究成果仍然存在不足。一方面,部分新型保温方法与材料难以适用于寒区的混凝土施工,且成本较高,难以得到推广；另一方面,现有的研究成果主要适用于混凝土坝块,而针对薄壁结构的研究较少。本文以位于新疆的导流墙为例,采用三维有限元仿真计算得到此结构在不同保温条件下的温度场,以3℃/d的温降速率作为控制标准确定其表面放热系数,并推导出表面放热系数与风速、保温层厚度与保温层的导热系数之间的计算公式,据此确定表面保温材料的厚度。

2 计算模型

墩墙厚1 m,高6 m,长8 m；底板厚2 m,宽11 m,长8 m。坐标原点位于墩墙底部中心,有限元模型见图1。共有单元3840 个,结点4879 个。取两个特征点,分别位于闸墩中心面距离底板上表面1.5 m和4.5 m处,见图2。

图1 有限元模型图

图2 现场支架布置典型图

在温度场仿真计算中,底板四周与底部绝热,上表面自由散热,初温为2℃。墩墙左侧面下部区域与岩石接触,散热系数为5 kJ/（m2·d·℃）,其余表面覆盖保温材料。

3 计算参数

底板与墩墙混凝土的热学参数见表1。

表1 混凝土热学参数

根据气象资料拟合出气温曲线：

式中：Tad为日平均气温,℃；t为每天中的时刻,h。

墩墙的浇筑温度为12℃。

4 计算工况与计算结果

本文计算表面放热系数为200 kJ/（m2·d·℃）、150 kJ/（m2·d·℃）、100 kJ/（m2·d·℃）、80 kJ/（m2·d·℃）、50 kJ/（m2·d·℃）的五种工况,各特征点的温度历时曲线见图3～图4。

图3 不同保温条件下特征点1的温度历时曲线图

图4 不同保温条件下特征点2的温度历时曲线图

计算不同工况下各特征点在达到温度峰值后的温降速率,见表2～表3,并作出历时曲线图,见图5～图6。

图5 不同保温条件下特征点1的温降速率历时曲线图

图6 不同保温条件下特征点2的温降速率历时曲线图

表2 特征点1的温降速率 单位：℃/d

表3 特征点2的温降速率 单位：℃/d

5 保温材料厚度的确定方法

本文以3℃/d的温降速率作为控制标准。由图表可知,如果以日最大温降速率来控制,则表面散热系数需要取50 kJ/（m2·d·℃）。如果以温降期间的多日平均温降速率来控制,则两侧面都临空的墩墙上部表面散热系数取150 kJ/（m2·d·℃）,一侧面临空的墩墙下部表面散热系数取200 kJ/（m2·d·℃）。

根据文献[8],固体表面在空气中的放热系数β可用下式计算：

式中：va为风速,m/s；βs为放热系数,kJ/（m2·d·℃）。

混凝土表面通过保温层向周围介质放热的等效放热系数βs可用下式计算：

式中：hi为各层保温层的厚度,m；i为各层保温层的导热系数,kJ/（m2·d·℃）；β为混凝土的放热系数,kJ/（m2·d·℃）。

结合以上三式,并考虑到放热系数的单位换算,可得到表面放热系数与风速、保温层厚度与保温层的导热系数之间的计算公式,即：

式中：hi为各层保温层的厚度,m；i为各层保温层的导热系数,kJ/（m2·d·℃）；va为风速,m/s；βs为混凝土在保温条件下的放热系数,kJ/（m2·d·℃）。

表4 常见保温材料的导热系数 单位：kJ/（m·d·℃）

根据网络查询的新疆风速资料,新疆风速的年变化,一般春季最大,夏季次之,冬季最小。风速日变化一般分为三种类型：①白天风速大于夜间。②午后至傍晚风速最大,最小出现在凌晨7～9 时。③夜间风速大。阿拉山口6 m/s,北疆东部、东天山北麓4 m/s,乌鲁木齐—达坂城—吐鲁番地区,平均4 m/s～6 m/s。东疆地区风速较大,哈密西部了墩至十三间房,年平均风速4.5 m/s～5.5 m/s。

根据上述资料,取平均风速va=5 m/s。以麦秆或稻草席、干棉絮和麻毡这几种保温材料为例,根据式（5）可得到不同表面放热系数βs要求下各材料分别需要的材料厚度,见表5。

如采用表5内的保温材料,则可根据需求选用表内的相应厚度。

表5 不同保温要求下各材料所需厚度 单位：cm

如采用其他材料,也根据相应材料的导热系数采用式（5）计算得到所需厚度。

6 结论

（1）在寒区的环境温度影响下,导流墙在浇筑后温度会快速降低,若不加强表面保温工作,会在温度应力作用下产生裂缝。

（2）当以3℃/d的温降速率作为控制标准时,若以日最大温降速率来控制,表面散热系数需要取50 kJ/（m2·d·℃）。若以温降期间的多日平均温降速率来控制,两侧面都临空的墩墙上部表面散热系数取150 kJ/（m2·d·℃）,一侧面临空的墩墙下部表面散热系数取200 kJ/（m2·d·℃）。

（3）提出了表面放热系数与风速、保温层厚度与保温层的导热系数之间的计算公式,并据此计算出三种常见保温材料在不同保温要求下所需的厚度,可供类似工程参考。