混凝土中水泥水化反应放热模型及其应用_凌道盛
混凝土水化过程中温度场的数值模拟
混凝土水化过程中温度场的数值模拟一、研究背景和意义混凝土是建筑物和结构的重要材料之一，其性能的稳定性和耐久性直接影响了建筑物和结构的使用寿命和安全性。
混凝土的水化过程是混凝土性能形成的基础，因此深入研究混凝土水化过程对于提高混凝土性能具有重要意义。
温度是影响混凝土水化过程的重要因素之一，混凝土水化过程中的温度场对混凝土性能的形成和发展具有重要影响。
因此，对混凝土水化过程中温度场的数值模拟具有重要的研究意义。
二、研究方法本研究采用数值模拟方法对混凝土水化过程中温度场进行研究。
具体方法为：首先，根据混凝土材料的物理性质和水化反应过程，建立混凝土水化过程的数学模型。
然后，采用有限元方法对混凝土水化过程的温度场进行数值模拟。
最后，通过对数值模拟结果的分析和比较，得出混凝土水化过程中温度场的特点和变化规律。
三、模型建立混凝土水化过程的数学模型可以分为两个部分：混凝土的物理模型和水化反应模型。
混凝土的物理模型主要包括混凝土的热传导方程和热容方程，水化反应模型主要包括水化反应速率方程和水化热方程。
1.混凝土的热传导方程和热容方程混凝土的热传导方程和热容方程可以表示为：$$\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{k}{\rho c} \nabla^2 T +\frac{\dot{q}}{\rho c}$$其中，T是混凝土的温度，t是时间，k是混凝土的导热系数，$\rho$是混凝土的密度，c是混凝土的比热容，$\nabla^2$是Laplace算子，$\dot{q}$是混凝土的热源。
2.水化反应速率方程和水化热方程水化反应速率方程和水化热方程可以表示为：$$\frac{\partial \alpha}{\partial t} = k_r (1-\alpha)^n$$$$\frac{\partial q}{\partial t} = \rho_w \Delta H_r k_r (1-\alpha)^n$$其中，$\alpha$是水化程度，$k_r$是反应速率常数，n是反应级数，$\rho_w$是水的密度，$\Delta H_r$是反应热。
大体积混凝土水化热温度场试验与仿真分析
大体积混凝土水化热温度场试验与仿真分析刘长海【摘要】以新造珠江特大桥索塔足尺模型试验为工程背景,对混凝土水化热温度场进行了高密度的连续监测,结果表明,浇筑完成后的24 h内结构内部由于混凝土水化热现象导致温度迅速上升,并于36 h后达到最高的93.7℃,之后缓慢下降,第4天最大内外温差达到最高值48℃.利用有限元软件ANSYS对索塔的温度场进行了仿真计算,并与实测结果进行了对比,得出了一些有益的结论,对桥梁工程大体积混凝土的施工和设计都具有一定的借鉴作用.【期刊名称】《广东土木与建筑》【年(卷),期】2018(025)007【总页数】4页(P67-70)【关键词】索塔;大体积混凝土;水化热;温度场;仿真分析【作者】刘长海【作者单位】广东省交通规划设计研究院股份有限公司广州510507【正文语种】中文【中图分类】TV544+.910 前言混凝土结构最小尺寸不小于1 m，或者预计会因为混凝土中的胶凝材料发生水化引起的温度变化而导致有害裂缝产生的混凝土，通常称之为大体积混凝土［1］。
大体积混凝浇注完成初期，水泥在硬化过程中会放出较多的热量，由于截面尺寸较大，再加上混凝上的导热性能差，水泥水化热不易散失，会导致中心温度急剧上升，还有可能造成混凝内部与表面产生较大的温差，从而使结构产生温度裂缝［2］。
《公路桥涵施工技术规范》规定，对大体积混凝土应进行温度控制，使其内部最高温度不大于75℃、内表温差不大于25℃［3］。
在桥梁结构中比较常见的大体积混凝土有：大跨度桥梁的主墩承台，悬索桥的锚碇，斜拉桥的索塔等等。
新造珠江特大桥位于广州新洲至化龙快速路上，主桥采用双塔单索面斜拉桥，主桥跨径布置为（64+140+350+140+64）m。
本文以该桥索塔的足尺模型试验为背景，在模型混凝土浇筑前，预先在其内部埋设了大量的温度传感器，以监测水化热产生的温度场变化情况。
1 水化热温度场试验1.1 测点布设模型所取的节段尺寸为：9.2 m（长）×4.8 m（宽）×3 m（高）。
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用随着建筑行业的不断发展和变化，大体积混凝土在建筑工程中的应用越来越广泛。
大体积混凝土的施工过程中常常会遇到一些问题，比如水化热导致的温度升高，可能会引发混凝土开裂等问题，影响工程的质量和安全。
如何有效地预测和控制大体积混凝土水化热对施工安全的影响，成为了施工管理者和工程师们关注的焦点。
水化热仿真模拟计算技术应用于大体积混凝土施工中，已经成为解决这一难题的重要手段之一。
一、水化热与大体积混凝土施工我们需要了解什么是水化热以及它对大体积混凝土施工的影响。
水化热是指水泥在水中水化反应释放热量的过程。
在大体积混凝土施工中，由于混凝土体积较大，水化反应释放的热量也相对较大，而且热量释放速度较快。
这样就会导致混凝土温度升高，从而引发混凝土龄期温度裂缝、温差裂缝等问题，对施工安全和结构质量造成负面影响。
二、水化热仿真模拟计算技术水化热仿真模拟计算技术是一种基于物理学原理和数学模型的仿真分析方法。
它可以通过模拟水化反应的过程，预测混凝土在不同条件下的温度变化，从而为施工现场提供科学的指导和决策依据。
该技术的核心是建立混凝土水化反应的热力学模型和传热模型，通过计算机软件对混凝土内部温度场的变化进行模拟和仿真，从而得出水化热对混凝土的影响及可能产生的问题。
1. 预测温度升高水化热仿真模拟计算技术可以提前预测混凝土在水化过程中的温度升高情况，根据施工条件和材料特性进行仿真模拟。
通过对混凝土水化反应热的释放速率、传热速率等参数进行计算和分析，可以得出混凝土在水化过程中的温度变化规律，预测出温度峰值和持续时间，为施工过程中的冷却措施和调控提供科学依据。
2. 评估裂缝风险水化热仿真模拟计算技术可以对混凝土内部温度场进行全面、精确的分析，评估混凝土龄期温度裂缝、温差裂缝等裂缝形成的风险。
通过在模拟中考虑不同因素的影响，如外部环境温度、混凝土类型、配筋形式等，可以及时发现潜在的裂缝问题，避免施工过程中出现质量安全事故。
水泥混凝土水化热的研究与进展
摘要：水泥的水化反应是一个放热反应。
水泥水化放热的周期很长，但大部分热量是在３天内放出的，尤其是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。
大多数情况下，硬化水泥浆体和混凝土的早期体积变形，主要源于水泥的水化热温升，因此，降低水泥混凝土的水化热是防止其早期开裂的有效途径。
本文综合分析了水泥混凝土水化热对其性能的影响，总结了前人在水泥混凝土水化热研究方面提出的一些理论计算公式，介绍了国内外关于水泥混凝土水化热的最新研究进展和水泥生产中降低水化热的技术措施。
关键词：水泥；混凝土；水化热；矿物外加荆；水泥生产中图分类号：ＴＱｌ７２．１２文献标识码：Ａ文章编号：１００ｌ－６１７１（２００９）０６－００２１－０６ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＨｙｄｒａｔｉｏｎＨｅａｔｉｎＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＳＨＩＨｕｉ－ｓｈｅｎｇ，ＨＵＡＮＧＸｉａｏ－ｙａ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｅｍｅｎｔｈｙｄｒａｔｉｏｎｉｓａｎｅｘｏｔｈｅｒｍｉｅａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｌｅａｓｉｎｇｐｅｒｉｏｄｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｃｅｍｅｎｔｉｓｖｅｒｙｌｏｎｇ，ｂｕｔｍｏｓｔｏｆｈｅａｔｉｓｒｅｌｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎ３ｄａｙｓ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙａｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔａｇｅｏｆｓｅｔｔｉｎｇａｎｄｈａｒｄｅｎｉｎｇｐｅｒｉｏｄ．Ｉｎｍｏｓｔｃａｓｅｓ，ｔｈｅｅａｒｌｙｖｏｌｕｍｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｈａｒｄｅｎｅｄｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｉｓｆｒｏｍｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｏｆｃｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｌｏｗｅｒｉｎｇｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｏｆｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏｐｒｅｖｅｎｔｉｔｓｅａｒｌｙｃｒａｃｋｉｎｇ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅＯｉｌｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｉｓｇｉｖｅｎｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅａｔｔｈｅｗｏｒｌｄｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｌｏｗｅｒｔｈｅｈｅａｔｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｉｎｃｅｍｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｈｅｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｅｍｅｎｔ；Ｃｏｎｃｒｅｔｅ；Ｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔ；Ｍｉｎｅｒａｌａｄｍｉｘｔｕｒｅ；Ｃｅｍｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ１引言水泥所含的各种化合物是高温反应形成的不平衡产物，因此这些化合物处于高能态。
水泥水化放热速率有负的
水泥水化放热速率有负的水泥，咱们家里建筑搞得不错的那个“水泥”，大家应该都听说过吧。
它可不仅仅是堆起来的灰色块儿，它还有个“水化”的过程，听起来像是化学反应的样子，实际上就是它和水反应，开始变热。
嗯，变热！水泥水化过程放热的速度，咱们也得弄明白。
因为这东西一放热，咱们建筑的施工速度、质量，甚至是安全性，都可能受到影响呢！别以为水泥就是你随便拿来拌拌，给个简单的拌合就行了。
搞得不好，甚至还真会有点“反向操作”。
咱们说这水泥水化放热，通常我们想到的都是热热热！啥时候见过热气腾腾的东西不让人联想到“热力”呢？但说实话，水泥水化反应并不是一直热得能烤熟蛋糕那种程度。
事实上，有时候它甚至会在某些特殊情况下，出现让你瞪大眼睛的“负放热”现象。
这啥意思呢？简单来说，就是它反应的时候，放出的热量居然是负的！嗯，负的！听起来是不是像是在说笑话？水泥反应放热不是应该热得让人冒汗才对吗？怎么变成了负热量？这事儿你要是没认真听，估计真会懵圈。
这种“负热”现象并不常见，但它确实存在。
你要知道，水泥的水化反应可不是单纯的“加水就完事儿”那么简单。
它里面的成分比较复杂，像什么硅酸三钙、铝酸钙这些东西，反应的过程也是一波三折。
水泥水化放热速率，通常情况下是正的——一开始水泥和水接触时，反应放热很快，然后渐渐变慢。
但是，有时候水泥的某些成分在反应过程中会吸收热量，或者是反应本身出现了些奇怪的变化，就会导致短时间内反应速率低，甚至热量吸收大于释放。
这时候，我们就能看到“负放热”这种神奇的事儿发生。
别看这种现象不常见，实际上它可影响大了去了。
要是你在施工过程中，水泥水化放热速率突然变负，那可就得小心了。
施工时一旦控制不好，尤其是大规模浇筑的时候，温差变化可能会引起裂缝什么的，影响到建筑的强度。
大家可以想象一下，水泥放热的过程本来应该帮忙加快硬化速度，可一旦变成负的，反而可能拖慢了整个过程，这样可能会导致“卡壳”。
所以呢，施工人员在遇到这种情况时，不仅得多观察，心也得细。
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用【摘要】本文主要探讨了水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用。
在介绍了研究背景、研究意义和研究目的。
在分别解析了水化热仿真模拟计算的原理、大体积混凝土施工面临的挑战，以及水化热仿真模拟在混凝土温度控制、裂缝预测和控制、以及强度预测中的应用。
在结论部分总结了水化热仿真模拟计算的优势，讨论了其在大体积混凝土施工中的实际应用，并展望了未来研究方向。
通过本文的研究和分析，可以为大体积混凝土施工提供重要的技术支持和指导，促进施工质量的提升和工程效率的提高。
【关键词】水化热仿真模拟计算、大体积混凝土施工、温度控制、裂缝预测、混凝土强度预测、优势、实际应用、未来研究方向1. 引言1.1 研究背景大体积混凝土是指单体体积较大、浇筑量较大的混凝土结构，如高层建筑、水利水电工程等。
在浇筑大体积混凝土时，由于混凝土内部水化反应释放的热量无法及时散发，容易导致温度升高、温差过大，从而引发内部裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。
控制混凝土的温度与裂缝成为大体积混凝土施工中的重要问题。
传统的温度控制与裂缝预防方法依靠经验和试错，缺乏科学依据和准确性，因此容易出现效果不佳的情况。
而水化热仿真模拟计算可以通过模拟混凝土水化反应及热传递过程，预测混凝土在施工过程中的温度变化和裂缝形成的情况，为混凝土施工提供科学依据和准确指导。
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中具有重要意义和广阔应用前景。
1.2 研究意义大体积混凝土施工是近年来建筑工程领域的热点问题之一，这种形态的混凝土通常需要长时间的硬化过程，而且在硬化过程中会释放大量的水化热。
水化热的释放会导致混凝土温度升高，从而可能引起裂缝的产生，影响混凝土的性能和耐久性。
对水化热的控制和预测成为了大体积混凝土施工中的一个重要问题。
1.3 研究目的本研究的目的旨在通过水化热仿真模拟计算，探究其在大体积混凝土施工中的应用效果，进一步提高混凝土施工的质量和效率。
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用随着建筑工程规模的不断扩大，大体积混凝土在工程中的应用越来越广泛。
大体积混凝土在施工过程中会产生大量的水化热，这可能会导致温度控制不当而引起混凝土开裂和损坏。
为了有效应对大体积混凝土施工中的水化热问题，水化热仿真模拟计算技术应运而生。
本文将探讨水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用，并分析其在工程实践中的重要意义。
一、水化热仿真模拟计算的基本原理水化热仿真模拟计算是通过建立混凝土水化反应的数学模型，利用有限元分析等方法进行计算，预测混凝土在硬化过程中的温度、温度梯度以及温度变形等参数。
其基本原理是根据混凝土材料的热学性能和水化反应的热力学规律，以及外界环境的温度、湿度等因素，对混凝土水化过程中释放的热量进行模拟和计算，从而得出混凝土的温度变化规律及其对结构的影响。
1. 优化施工方案：通过水化热仿真模拟计算，可以对大体积混凝土施工过程中的温度变化进行预测和分析，为工程师提供科学依据，帮助其优化施工方案，合理安排施工进度和工艺参数，以降低水化热对混凝土结构的影响。
2. 控制结构温度：水化热仿真模拟计算可以对混凝土的温度进行实时监测和预测，帮助工程师及时采取措施对混凝土进行冷却或保温，控制结构温度在安全范围内，避免由于水化热引起的开裂和变形。
3. 验证设计方案：借助水化热仿真模拟计算，可以验证混凝土结构的设计方案，分析其在水化热环境下的受力性能和变形规律，为设计人员提供科学依据，指导其优化设计。
4. 指导混凝土配合比设计：根据水化热仿真模拟计算的结果，可以针对大体积混凝土的特点，合理调整混凝土的配合比设计，减少水化热的释放量，降低对结构的影响，提高混凝土的抗温性能。
1. 保障结构安全：大体积混凝土在施工过程中产生的水化热可能会引起混凝土结构的开裂和变形，进而影响结构的安全性和使用性能。
水化热仿真模拟计算可以帮助工程师及时发现问题，采取措施保障结构的安全性。
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用
水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用
水化热是指水泥水化反应过程中产生的热量。
在大体积混凝土施工中，由于混凝土的体积较大，水化反应会释放大量的热量，导致混凝土温度升高。
这种温度升高会引起混凝土内部和外部温度梯度的变化，从而引发一系列的问题，如开裂、温度应力增大等。
为了研究混凝土水化热在大体积混凝土施工中的影响，可以采用水化热仿真模拟计算方法。
水化热仿真模拟计算是利用计算机模拟混凝土水化过程中的热释放情况，预测混凝土温度变化和水化热应力的分布情况。
该方法可以有效地指导大体积混凝土施工中的温度控制和结构设计，减少温度应力引起的开裂和变形问题。
水化热仿真模拟计算可以预测混凝土温度的变化规律。
通过对混凝土材料的热物性参数、水化反应的速率方程等参数进行建模和计算，可以得到混凝土内部温度随时间的变化曲线。
通过分析这些曲线，可以预测混凝土的温度升高速度和峰值温度，从而为温度控制提供依据。
水化热仿真模拟计算可以预测混凝土的应力分布情况。
水化热引起的温度升高会导致混凝土内外部出现温度梯度，从而引起应力的产生和积累。
通过对水化热仿真模拟计算，可以得到混凝土内部和外部的温度梯度分布情况，并据此计算出混凝土的水化热应力。
根据应力的分布情况，可以对混凝土施工过程中的温度控制、结构设计等进行合理的调整和优化。
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, m = 2. 997 87. 根据上述参数, 计算
了在 8 种不同 浇筑温度下绝热试件的 温度变化规 律 , 并与文献 [ 2] 提供的实测值进行了比较 , 结果见 表 1. 其中 , t0 = T 0 - 273. 15. 由表 1 可见 , 本文模型不仅能很好地拟合实测 数据( 最大偏差仅为 1 . 7 e ) , 而且能很好地预测在 其他浇筑温度下 ( 1、 15 e 等 ) 绝热试件的温度变化 规律( 最大偏差仅为 2. 2 e ) , 这说明本文提出的模 型能很好地反映温度和反应物浓度对水泥水化反应
*
Compariso n between co mputed and actual co ncr ete temperature
t0 / e 1 5* 10* 15 20* 25 30 35
20 26. 2( 25. 1) 28. 4( 30. 0) 35. 8( 35. 9) 42. 6( 41. 6) 49. 0( 47. 3) 55. 0( 52. 8) 60. 0( 58. 2) 65. 0( 63. 6)
表1 T ab. 1 计算温度与实测温度的比较 e
S/ d 3 10. 7( 12. 5) 17. 8( 18. 2) 26. 6( 25. 5) 33. 5( 32. 6) 39. 6( 39. 6) 45. 4( 46. 3) 51. 3( 52. 8) 57. 7( 59. 1) 6 17. 8( 17. 9) 23. 8( 23. 6) 30. 6( 30. 5) 37. 1( 37. 1) 43. 0( 43. 5) 49. 2( 49. 6) 54. 6( 55. 6) 61. 2( 61. 4) 10 21. 4( 21. 5) 26. 6( 26. 8) 33. 0( 33. 3) 39. 2( 39. 5) 45. 7( 45. 5) 51. 4( 51. 3) 57. 5( 57. 0) 63. 4( 62. 5)
Model for hydration heat of cement in concrete and its application
LING Dao - sheng , XU De - sheng , SH EN Yi yuan
1 1 1, 2
( 1 . College of Civil E ngineer ing and A r chitecture , Zhej iang Univer sity , H angz ho u 310027 , China; 2 . T he 12 th E ngi neer ing Bur eau of Sinohy d ro , H angz hou 310004 , China)
( 7) ( 8) ( 9)
式中: T 0 为混凝土浇筑时的热力学温度 , T 为混凝 土不同龄期的热力学温度, c 为混凝土比热容 , Q为 混凝土密度 . 由式( 6 ) ~ ( 9 ) 可知 , 在绝热温升试验中, 温度满 足如下方程 : dT T- T0 = Ac # ex p ( B # T ) # 1dS H] T | S= 0 = T 0 . 式中: A c= A / ( c # Q ) , 而 模型中的参数 A 、 B、 m和 H] 则可以直接利用最 小二乘法拟合一定数量的试 验数据来确定.
( 1. 浙江大学 建筑工程学院 , 浙 江 杭州 310027; 2. 中国水利水电第十二工程局 , 浙江 杭州 310004) 摘 要 : 大体积混凝土结构水化热温度场分析的关键是混 凝土中水泥水 化反应放热 模型的确 定 . 基 于化学反应 动
力学原理 , 提出了一种物理意义明确 , 考虑了温度和化学反 应物浓 度对化 学反应 速率影 响的混凝 土中水 泥水化 反 应放 热模型 , 并将其应用于有限元分析 . 算例分析表明 , 该模 型能很 好地拟合 了混凝 土绝热 温升的 实测数 据 , 较 精 确地预测了在不同浇筑温度下混凝土绝热温升的变化规律 . 关键词 : 水泥水化反应 ; 水化热 ; 绝热温升 ; 大体积混凝土 ; 有限元方 法 中图分类号 : T U 528. 1 文献标识码 : A 文 章编号 : 1008 973X( 2005) 11 1695 04
第 39 卷
式中 : H为绝热温升, H ] 为最终绝热温升 , T 为混凝 土温度, S 为混凝土龄期 , a、 b、 c 为待定参数 . 张子明 [ 3] 等人 提出了有效时间的概念 , 建立了如下双曲线 表达式: H ( te ) = H ] t e / ( M + te ) . 式中 : te = ( 2)
i= 1 m Fc i ( X i ) , m = n i= 1 [ 4]
Q
S
T dt . B 0
,
( 10)
Em.
i
n
( 3)
式中 : k( T ) 为与温度有关的速率常数 , c( X i ) 为反应 物 X i 的浓度 , m i 为反应物 X i 的反应级数, m 为该 化学反应的总反应级数. 在混凝土水泥水化反应过程中, 影响化学反应 速率的关键因素是水泥的浓度 . 反应速率越快 , 热量 产生的速率就越快 , 而且反应过程中产生的热量与 已经参与化学反应的水泥量成正比 . 因此, 可以认为 单位体积混凝土中水泥的放热量满足 dQ Q = k( T ) # 1. 0- ] . ( 4) dS Q 式中: Q 为单位体积混凝土中水泥水化反应释放的 热量 , Q ] 为单位体积混凝土中水泥水化反应的最终 放热量. 1 . 0- Q/ Q ] 反映了水泥水化反应的完成程 度, 即伴随水泥水化反应的进行, 反应物浓度的降低 对化学反应速率的影响. Arrhenius 在试验基础上研究化学反应速率和 温度的定量关系时指出, 化学反应的速率常数 k( T ) 和热力学温度 T 成指数关系 [ 4] : - Ea k( T ) = A # ex p . ( 5) RT 式中: A 为频率因子, E a 为活化能, R 为理想气体常 数. 式 ( 5) 较复杂, 且在温度较高时 Arrhenius 函数 低估了温度对绝热温升的影响. 张子明等人
[ 1]
合考虑温度和化学反应物浓度对混凝土中水泥水化 反应速率影响的水泥水化反应放热模型 , 从机理上 分析水泥水化反应放热过程 , 以便利用少量试验数 据确定模型参数, 并更好地模拟在各种条件下实际 大体积混凝土的温度变化.
,但
这些表达式没有考虑温度对水泥水化反应速率的影 响, 因此很难模拟工程实际中温度场的变化. 朱伯芳 等人[ 2, 3] 通过对绝热温 升的试验研究 , 提出了 考虑 温度对水泥水化反应速率影响的绝热温升表达式 , 他们的工作对混凝土水化热的研究起到了很大的促 进作用. 本文从化学反应动力学原理出发, 提出了综
第 39 卷第 11 期 2005 年 11 月
Journal o f Zhejiang U niv ersity ( Engineer ing Science)
浙
江
大
学
学
报( 工学版)
V ol. 39 N o. 11 N ov. 2005
混凝土中水泥水化反应放热模型及其应用
凌道盛1 , 许德胜1 , 沈益源1, 2
[ 3] m
2
绝热温升算例
算例 1 利用文献 [ 2] 中的绝热温升试验数据
( 见表 1) , 对本文模型中的试验参数进行拟合分析. 由于在同一浇筑温度下提供的试验数据较少 , 本文 采用混凝土初始浇筑温度为 5、 10、 20 e 的 3 组试验 数据共 12 个试验点进行拟合分析, 经计算得到模型 参数取值为 H ] = 30. 68 e , A c= 5. 158 23 e / d , B = 0. 055 88 e
注 : 1) 括号内的值为本文模型计算值 ; 2) 上标 为参数拟合采 用 的浇筑温度 ; 3) 表中数值为混凝土浇筑温度与绝热温升之和 .
Abstract: T he key of t emperat ur e field analy sis in m assive co ncret e is t he model f or hydration heat of ce m ent . Based on t he theory of chemical r eact ion kinet ics, a new m odel w as proposed t o sim ulat e t he hydra t ion heat of cem ent in concret e. T he m odel takes the influences o f temperature and react ant concentr at ion int o acco unt , and each paramet er in t he model has def init e physical meaning. T he m odel can be easily ap plied t o f init e element analy sis. Num er ical simulatio n indicat es t hat t he model not only can f it w ell t he t em perature o bt ained fro m t he co ncrete adiabatic t em perat ur e rise experiment , but also can g iv e accurat e esti m at e o f t he t emper at ure - t ime relat io nship under diff er ent curing t em perature. Key words: hydrated react ion of cem ent ; hy drat ion heat ; adiabatic t emperat ure rise; massive co ncrete; finite element met ho d 大体积混凝土的广泛使用 , 以及混凝土结构中 温度裂缝的产生使得预测大体积混凝土结构的温度 场越来越重要, 而绝热温升模型是大体积混凝土结 构温度场分析的关键 . 双曲线式、 指数式、 复合指数 式是目前常见的描述绝热温升的表达式形式