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混凝土热工参数实验研究 张枫.pdf

混凝土热工参数实验研究 张枫

chekunming
2011-07-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《混凝土热工参数实验研究 张枫pdf》,可适用于工程科技领域

同济大学土木工程学院硕士学位论文混凝土热工参数实验研究姓名:张枫申请学位级别:硕士专业:结构工程指导教师:肖建庄摘要摘要本文对热传导过程中的四个混凝土基本热工参数即导热系数、比热、质量密度以及热膨胀系数进行了以下几个方面的实验研究和理论分析:.采用尺寸为ramXramXram的混凝土试件研究了普通混凝土、高性能混凝土、再生混凝土及配筋混凝土导热系数随各主要影响因素的变化规律得到了混凝土导热系数与各参数的关系曲线探讨了含水率、再生粗骨料取代率、温度、骨料体积含量、骨料类型、钢筋含量、水灰比和掺合料对混凝土导热系数的影响。.通过对影响混凝土导热系数的各因素进行显著性分析可知各因素对导热系数影响的显著性大小依次为:含水率、再生粗骨料取代率、温度、骨料体积含量、骨料类型、钢筋含量、水灰比、掺合料种类。.采用不同的导热系数理论模型计算了不同骨料体积含量及不同强度等级混凝土的导热系数并将这些计算值与实验值比较发现Kook.HartKim模型计算值的线性拟合与实验值较为接近。.通过对不同强度等级的普通混凝土及不同再生粗骨料取代率的再生混凝土进行热膨胀系数实验得到高强混凝土的热膨胀系数明显高于普通混凝土普通混凝土的热膨胀系数随其龄期的增长而变大:再生混凝土的热膨胀系数随其再生粗骨料取代率的增大而变大。.通过对混凝土的比热与质量密度的理论分析与计算得到高强混凝土的比热比普通混凝土的要低同时随强度的增加其比热呈减小趋势再生混凝土的比热随再生粗骨料取代率的增加其比热也呈上升趋势。再生混凝土的质量密度比普通混凝土的要低同时随再生粗骨料取代率的增加其质量密度随之减小。关键词:普通混凝土高强混凝土再生混凝土导热系数热膨胀系数比热质量密度AbstractABSTRACTThefollowingexperimentalresearchandtheoreticalanalysisconcerningfourbasicthermalpropertiesofconcreteinvolvedintheprocessofheattransfer,namelythermalconductivity,specificheat,anddensity,aswellasthermalexpansioncoefficientiscoveredinthispaper..Byusingconcretespecimenswithsizeofmmxmmxmmthemaininfluencefactorsonthethermalconductivitiesofnormalstrengthconcretehighstrengthconcreterecycledaggregateconcreteaswellasreinforcementconcretehavebeeninvestigated.Thecltll'Vesoftherelationshipbetweenthermalconductivitiesofconcretewiththevariousfactorsarestated.Theinfluencesofallvariablestothermalconductivityofconcretearestudied..ThemaininfluencefactorsonthethermalconductivityofconcretehavebeencarriedontheoutstandinganalysisandtheresultsshowthatmoistureconditionrecycledaggregatereplacementratiotemperaturevolumefractionsofaggregatestypesofcoarseaggregatevolumefractionsofreinforcementW/Cratioandtypesofadmixturesareonebyoneinordersmallerthanetc..BycomparisonKookHanKimmodelisprovedmostacceptable.However,allofthesemodelsaleamplyabletoexplaintheinfluenceofvariousfactorsonconductivityofconcrete.Thusapproximateestimatesofthermalconductivitycanbemadethroughthesemodels..Theresultsoftheexperimentshowthatcoefficientofthermalexpansionofrecycledconcretewillincreasewiththeriseofrecycledaggregatereplacementratioandcoefficientofthermalexpansionofhi【ghstrengthconcreteishigherthanthatofnormalstrengthconcrete..Theoreticalanalysisindicatesthatspecificheatofnormalstrengthconcreteishigherthanthatofhi.ghstrengthconcrete.Specificheatofrecycledconcretewillincreasewhiledensitywilldecreasewiththeriseofrecycledaggregatereplacementratio.KeyWords:NormalstrengthconcreteHighstrengthconcreteRecycledaggregateconcrete(RaC)Thermalconductivity,ThermalexpansioncoefficientSpecificheatDensity同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名:彩拗力口D矿年午月pEl学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的EN,IilU本和电子版本学校有权保存学位论文的印刷本和电子版并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版在不以赢利为目的的前提下学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名:张棚f年钥Q日经指导教师同意本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。指导教师签名:学位论文作者签名:年月日年月日第章绪论第章绪论.混凝土的热工参数混凝土基本热工参数包括导热系数、比热、质量密度、导温系数、热膨胀系数、表面总热交换系数和太阳辐射吸收系数等各参数对混凝土结构温度场有不同程度的影响。根据传热学原理热量传递有三种基本方式:热传导、热对流和热辐射。热传导涉及的热工参数主要是导热系数、比热、质量密度和导温系数。其中导温系数是导热系数与比热和质量密度乘积之比并非是独立的热工参数。混凝土的导热系数和导温系数主要影响混凝土结构内的温度梯度而比热和质量密度主要影响混凝土硬化过程中的水化热。热对流中主要影响参数是表面对流换热系数热辐射是指结构与周围物体之间因温差而产生的以电磁波形式进行热量交换的过程用热辐射系数来衡量。但计算混凝土结构温度场时一般将对流换热系数和热辐射系数一起考虑称为表面总热交换系数并用此系数来衡量结构表面与周围环境之间的热交换。若结构受到日照则太阳辐射也是一个必须考虑的影响因素混凝土表面太阳辐射吸收系数是衡量混凝土结构表面吸收太阳辐射能力的大小。虽然热膨胀系数与混凝土温度场分析无关但由于混凝土材料和其他建筑材料一样具有热胀冷缩的性质热膨胀系数直接影响温度应力数值所以它也是一个很重要的参数。在很多重要的工程中都是通过试验测定其数值的。.混凝土热工参数研究意义混凝土浇筑后由于季节温差、太阳辐射等作用结构内将产生可观的温度应力使结构产生较大变形甚至出现严重的裂缝。例如近年来国内外的理论分析和试验研究表明在预应力混凝土箱梁、特别是超静定结构体系中温度应力可以达到甚至超过活载应力成为箱梁开裂的主要因素。而且如今超长、超高、大面积混凝土结构的不断涌现使温度应力越来越受到人们的关注。为了有效预测温度裂缝同时也为了寻求处理温度裂缝的有效途径有必要对混凝土构件进行结构温度效应分析。目前国内外关于混凝土结构温度效第章绪论应的分析主要应用于如下几个领域:对建筑物进行节能设计同温差引起的温度荷载的计算建筑物的保温隔热设计核电站的防辐射设计桥梁的面板设计及其他暴露在太阳底下的结构物的温度荷载计算。通过结构温度效应分析就可以准确地得到在特定时间t时任何给定构件的温度分布图然后就可进行混凝土的结构分析进而进行混凝土结构的抗温度设计。而结构和构件的内部温度分布及其变化除了结构外部条件外只取决于结构材料的热工性能可认为与结构的应力(变)和力学性能无关。将混凝土的热工参数及结构外部条件等原始数据作为输入变量就可以借助计算机利用各种商业程序进行结构温度效应分析。而且现在除了可以用商业程序比如剐BAQUSADINAT等进行结构温度效应分析外很多学者还自行开发了一些用于结构温度效应分析的有限元分析软件【】。除了一些特殊情况商业软件和个人开发的有限元软件得到的结果基本上是比较吻合的I卜r丌。所有的有限元软件的计算方法都有很好的理论基础因而其精确程度常取决于输入的原始参数即混凝土的热工参数及结构的外部条件因此深入了解混凝土的热工参数对于确定混凝土中的温度分布是必不可少的。然而目前有关外部条件以及混凝土的配合比等对混凝土热工参数的影响我国公开发表的论文或著作不多尚未发现针对高强混凝土再生混凝土的试验或理论研究:而且在研究混凝土结构温度效应时所采用的热工参数公式往往是通过试验拟合得到的或借用其他材料的理论模型而没有较为系统的实验研究。因此有必要对混凝土的热工参数开展深入研究。.混凝土热工参数研究进展..混凝土的导热系数、比热、质量密度和热膨胀系数在混凝土的热传导过程中涉及的热工参数主要是导热系数、比热、质量密度和热膨胀系数。对于这些热工参数的研究起步也比较早早在上世纪年代BoulderCanyonProjectReport卜】就对混凝土的这些热工参数进行系统研究以下是BoulderCanyonProjectReport中得到的一些主要结论:.混凝土的热工参数(导热系数和比热)不受龄期影响。.粗骨料的岩石种类是影响混凝土导热系数最重要的一个变量。第章绪论.混凝土的初期含水量与粗骨料的种类相比对混凝土导热系数的影响要小得多。.导热系数高的混凝土其导热系数随温度的升高而下降导热系数偏中等的混凝土其导热系数受温度的影响不大导热系数低的混凝土其导热系数随温度的升高而升高。.粗骨料的骨料类型对比热的影响不大。.混凝土在不同初期含水量的条件下其比热是不同的。混凝土单位体积质量的变化是其他材料的好几倍。然而由于混凝土中水分含量的变化范围有限因此水分含量的变化对比热的总的影响大概在%左右。比热随含水率的增大而增大。.比热随温度的升高而增大。.不同的岩石类型混凝土的导温系数变化很大。.混凝土的导温系数随(初期)含水量的增大丽减小。.导温系数随温度的升高而减小。当缺乏具体的资料时该报告可以起很好的指导作用。但某些环境条件必须与该报告相符主要就是要注意混凝土的龄期。因为一开始几天混凝土的热工参数变化很大而这篇报告使用的是经过d养护期后的成熟混凝土作为试验试块。该报告还给出了混凝土导热系数和比热的计算方法但这些方法本质上是纯经验的计算中的自变量主要是混凝土的配合比和骨料的岩石成分。而且这篇报告没有涉及热膨胀系数。Hamtathylll【.冽和Haredal等人对混凝土热工性能研究得出:混凝土导热系数A和热容C受温度的影响比较明显A随温度的升高而降低C随温度的升高缓慢增加。在国外的研究中AyhanDemirbas·l通过对D.Sa一矧F.CanpolatlllH.Nohutc【卜】的实验结果的分析得出轻骨料混凝土的热传导性能比较差其原因可能是由于材料内部多孔隙而产生的。KookHanKima等【倒通过对混凝土的热传导实验得出骨料的体积含量与试块的湿度是影响混凝土热传导性能的重要因素同时砂浆与水泥浆的热传导性能则与水灰比和混和物的类型有关而时间对混凝土的热传导性能没有太大的影响文章还给出了相关的公式。M.LKhanz的研究表明骨料的类型对混凝土的热传导性能有很大的影响同时随混凝土的湿度的增加其导热系数也增加。YunshengXuD.D.LChund。褐l得出硅粉的使用可以使混凝土的导热系数下降%。第章绪论在国内的研究中吴胜兴【指出影响混凝土热工性能的主要因素是集料的用量和其热学性能、温度及含水状态等。各因素的影响程度见表.其中A表示影响非常明显影响程度高达%以上:B表示有影响影响程度在%左右C表示基本上没有影响。表.影响混凝土热学指标的诸因素根据刘兴法【()吴赣昌f。l()朱伯芳【()董毓利【侧()等人的研究影响混凝土比热的主要因素有骨料种类、骨料用量与混凝土的含水率影响混凝土导热系数的主要因素有骨料的矿物学特征和混凝土拌合物中的含水量影响混凝土热膨胀系数的主要因素有水泥的用量和骨料的种类等。由于高性能混凝土在水泥用量、外掺料(如大掺量粉煤狄和磨细矿渣等)、骨料要求(粒径与压碎指标等)与施工工艺等方面已经与普通混凝土存在较大差异必将导致高性能混凝土的热力学性质不同于普通混凝土。但迄今为止国内外在这一方面的定量研究报道较少。即使是普通混凝土的许多定量指标大多引自上世纪年代国外的有关研究结论(朱伯芳【.l())。肖建庄等【()的初步试验表明与普通混凝土热物理指标的平均值(刘兴法【删())相比C高性能混凝土的导热系数偏低、比热偏高、热膨胀系数偏低。刘华波【l()的试验也得到类似的结论。此外在一些大型梁板结构中如磁浮轨道梁和高铁桥梁结构中在梁板的表层配筋量很大现场实测发现结构表面lOOmm深度范围内的温度场与传统的理论计算差别较大刘文燕【()经理论分析后认为是钢筋的存在增大了混凝土的导热系数。但在配置钢筋对高性能混凝土热物理指标的定量影响等方面尚未发现公开发表的文献资料。..混凝土的表面总热交换系数和太阳辐射吸收系数表面总热交换系数和太阳辐射吸收系数是热对流、热辐射及太阳辐射作用下的主要影响参数主要应用于公路、铁路普通截面箱梁和特定高架轨道梁的异型截面箱梁。国内外关于这方面的主要成果如下:第章绪论朱伯芳院士在大体积混凝土和水工混凝土温度应力的研究中根据热传导原理把对流换热的边界条件归结为第三类。当混凝土与空气接触时第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量q与混凝土表面温度T和气温瓦之差成正比即q。h仃一)式中JII。即为混凝土表面的对流换热(又称放热)系数。他提cro出了对混凝土表面对流换热系数的反分析方法即分别用线性插值和二次插值两种方法推算混凝土表面的对流换热系刿,羽l魏光坪【.】在对单室预应力混凝土箱梁温度场及温度应力的研究中提出箱梁温度场主要受太阳辐射大气与结构接触面对流换热以及风速的影响。风速主要影响对流换热风速越大对流换热值越大结构物表面温度越接近大气温度。并给出了当风速y‘.m/s时计算对流换热系数.II的公式矗...v。对于热传导边界条件的分析他认为箱梁外边界面与空气发生强迫对流和长波辐射换热在白天还需考虑同照辐射。在日照处含直接辐射和散射辐射在阴凉处只有散射辐射。姜全德、蒋鸿等【删在进行茅岭江大桥预应力混凝土箱梁同照温度场和温度应力研究过程中从两维热传导入手对总热交换(对流换热和辐射换热之和)和太阳辐射强度进行了分析。通过实测分析认为计算腹板上的辐射强度时应考虑上翼缘板的遮阳作用可以通过测量太阳高度角来判断遮阳区域。根据流体力学理论认为总热交换系数h是风速v的线性函数采用每小时平均风速的实测数据计算总热交换系数提出了若无实测值可以用平均风速lm/s来计算不会产生较大的误差。经过分析研究和多次反复计算给出了至少对茅岭江大桥箱梁温度场分析是足够合理的计算总热交换系数的公式。顶板:h=..v:腹板:h=..v底板:h=..v箱内:h=.(也可取顶板或腹板的O.倍)。张国庆等【H】通过对哈尔滨松花江公路大桥的实际观测对公路混凝土箱梁的温度荷载及其在桥梁结构中所引起的荷载效应进行了实验研究。桥梁结构处于大气环绕的空间内在日照或寒潮的影响下由于桥梁结构内部产生非均匀的温度场致使梁体内各部分产生不同的温度变形。该文通过实测数据分析得出混凝土箱梁的热传导问题的边界条件是由边界上的热交换状态决定的。暴露在自然环境中的混凝土箱梁经受着日辐射大气逆辐射地表环境辐射及对流热交换等因素的作用致使混凝土箱梁表面上处于异常复杂的热交换状态。不仅有辐射热交换还有对流热交换。该文采用工程上常用的线性变换第章绪论方法均转化为第三类边界条件处理分别给出了项板外表面、底板外表面以及腹板外表面的总热交换系数取值公式。顶板外表面为沥青混凝土取h=v:底板外表面取h=.v腹板外表面取h=.v。刘兴洲卜书】通过分析圆形、箱型、简体等混凝土结构表面的对流换热和辐射换热认为自然环境中的混凝土结构时刻经受各种自然环境条件变化的影响在工程结构内外表面处不断地以辐射、对流和传导等方式与周围空气介质进行热交换。因此结构物处于十分复杂的换热过程中由此形成的工程结构物的温度分布也是很复杂的。但就混凝土工程结构来讲由于自然环境条件变化所产生的温度荷载一般可以分为以下三种类型:一、日照温度荷载二、骤然降温温度荷载三、年温温度荷载。很显然第一种类型即日照温度荷载对结构的影响处于主要方面。工程结构物的日照温度变化很复杂影响因素众多其中主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速。混凝土结构在自然环境条件变化时其边界面上的热交换状况一般可按第三类边界条件来处理。经验表明按第三类边界条件求解往往要选取合适的热交换系数才‘能得到较满意的计算结果。但这些系数究竟是否符合实际状况难以确定。鉴于上述情况有时为了简化计算直接用边界的实测温度数据作为边界条件即采用第一类边界条件。李全林【出J在其硕士论文中通过对湖南省潭邵高速公路水府庙大桥温度场的实测利用差分法反算了结构表面的对流换热系数提出了取值公式tJII.。..Or并给出了不同风速作用下箱梁各边界的对流换热系数值。该文忽略了箱梁内表面的热辐射换热仅考虑对流换热认为热辐射换热发生在混凝土表面与大气之间。东南大学的贾琳书l在其硕士论文中结合南京长江第二大桥北汉主桥的施工通过对大量试验观测资料的分析根据热传导理论利用有限元方法模拟箱梁温度的日变化过程取风速为lm/s计算结构表面的总热交换系数。计算时没有考虑风向、壁面朝向等因素仅根据桥址附近的风速来确定总热交换系数值。康为江【“】通过试验测试两跨连续钢筋混凝土箱梁和钢筋混凝土简支箱梁的有关温度效应通过计算机程序的模拟分析确定了对流换热和热辐射换热相关参数的合理取值并分析了这些参数对温度场及温度应力的影响。第章绪论美国的W.M.罗森诺f挪J对于建筑物表面换热系数的研究采用美国供暖制冷和空气调节工程师学会(ASH黜墟)基础手册中所给出的数据。提出外表面辐射和对流组合的表面换热系数而。。l枷c这里V默g(m/s)ab和c是跟表面类型有关的经验常数如表.所示。表.各种表面类型的a、b、c取值表面类型abC灰泥...砖和粗糙的抹面。..混凝.f:...干净的松木....光滑的抹面.O..玻璃涂白漆的松木O.O..对于内表面辐射和对流组合的表面换热系数hiW.M.罗森诺对具有不同倾斜角和不同表面发射率的内表面列出了一套推荐的数据。该结果用以下的方程给出:()在静止空气中鬼.h.压州k:.KI。这罩h取决于热流的方向①向e上:^=.②。向上:h=.③水平:h=.④。向下:=.ehe⑤向下:^.。()在运动空气中鬼可取.∥/切·KJ。美国的no和Kimural从一个实际建筑物得到了建筑物表面换热系数的对流分量表面对流换热系数很大程度上取决于风向和物体表面是迎风面还是背风面且可以用下列关系式来表示:h。.v.蝴形/kz.K)对于迎风面H..v(v>m/s)K。.v(v<m/s)同时对于背风面E.O.v。德国的Kehlbcckl卜则在太阳辐射对桥梁结构影响一文中从热辐射的基本原理出发论述了对流换热、热辐射等因素对桥梁结构的影响。在被空气包围的固体介质表面上发生两种彼此独立的热交换:由于辐射引起的热交换以及由于传导和对流引起的热传播。对流与热传导的影响在计算中总是综合为一个数值并用对流热交换系数(对流换热系数)III表示。在物理意义上比较明确的辐射部分可用辐射热交换系数h表示。x从物理意义上难以理解的对流热交换系数JI.对于混凝土结构表面的热流交换有着极为重要的影响Kehlbeck在总结、分析前人研究结果的基础上推导出在土木工程上足够精确的经验公式:h。.I{厨vII叫k:.K)lo式中‘.m/sAT为结构表面温度与周围空气温度之差以绝对温度K计。该公式是对于垂直面上空气自由上升的热交换提出的也可以近似地使用在水平面上。第章绪论.本文研究内容本文主要针对高性能混凝土热工参数展开研究课题来源于上海市青年科技启明星跟踪项目(QHl)及教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET一)。本文将在国内外文献检索、查阅与研究的基础上围绕混凝土的热工性能从以下几个方面研究:)常温下普通混凝土、高性能混凝土、再生混凝土及配筋混凝土导热系数的实验研究。包括:普通混凝土、高性能混凝土的导热系数随混凝土骨料体积含量、骨料类型、水灰比掺合料种类及掺量、环境温度和含水率的变化规律再生混凝土的导热系数随再生粗骨料取代率的变化规律配筋混凝土的导热系数随钢筋含量的变化规律。)介绍了国内外学者提出的用于确定普通混凝土导热系数的具有代表性的一些重要理论模型。采用了其中四个(分别是Campbell.AllenandThomc模型、HamiltonandCrosser模型、Kook.HartKim模型以及朱伯芳模型)计算了不同骨料体积含量及不同强度等级混凝土的导热系数并将这些计算值与实验值比较考察各理论模型对混凝土导热系数研究的合理性。)通过对混凝土的比热与质量密度的理论分析与计算得出不同强度的混凝土及再生混凝土在不同再生粗骨料取代率时的比热值和质量密度并分析它们与强度及再生粗骨料取代率之间的关系。)高性能混凝土、普通混凝土及再生混凝土热膨胀系数的实验研究。通过测试各混凝土试件的热膨胀系数探讨了高性能混凝土及普通混凝土的热膨胀系数与龄期和混凝土的强度等级的变化规律再生混凝土的热膨胀系数与再生粗骨料取代率的变化规律。第章绪论【】【】【·】【一】本章参考文献CommissionoftheEuropeanCommunities.EurocodeNo..DesignofConcreteStructures.Part:StructuralFireDesignApril刘兴法.混凝土结构的温度应力分析(第一版).人民交通出版社章熙民任泽需梅飞鸣.传热学.北京:中国建筑工业出版社朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制【M】.北京:中国电力出版社中华人民共和国国家标准.《民用建筑热工设计规范》(GB.).中华人民共和国建设部KodurVKRSultanMA.EfifectoftemperatureOnthermalpropertiesofhighstrengthconcrete.JoumalofMaterialsinCivilEngineeringV.():~CEB欧洲国际混凝土委员会.CEB.FIP模式规范(混凝土结构)【S】.北京:中国建筑科学研究员结构所规范室译。英国混凝土结构规范(BS修订版)【S】。北京:中国建筑科学研究员结构所规范室译DilgerWHGhaliAChanMeta.Temperaturestressesincompositeboxgirderbridges.JournalofStructuralEngineering.ASCE():~RaoDSP.Temperaturedistributionandstressesinconcretebridges.ACIJournalJournalProceedingsJuly",AugustV.:~ElbadryMMGhaliA.Temperaturevariationsinconcretebridges.JournalofStructuralEngineeringASCE():""杨世铭.传热学【M】.北京:中国建筑工业出版社陈启高.建筑热物理基础.西安:西安交通大学出版社SaettaAScottaRVitalianiR.Stressanalysisofconcretestructuressubjectedtovariablethermalloads.JournalofStructuralEngineeringV.():~FuHCNgSFCheungMS.Thermalbehaviorofcompositebridges.JournaloftheStructuralEngineeringASCE():~JKKimKKim.ThermalstressanalysisfortheheatofhydrationconsideringcreepandshrinkageeffectsinmassconcreteJ.KoreaConcr.Inst吖):~KKimJShimSYang.AStudyOiltheControlMethodofHydrationHeatinDoubleTBeamConcreteBridge.KoreaHighwayKorea】】】】】】】】l...上上ll第l苹绪论【】BoulderCanyonProjectReport.Thermalpropertiesofconcrete.FinalReportbyUSBRBulletinNo.PartVII【l·】HarmathyTZ.ThermalPropertiesofSelectedMasonryUnitConcrete.ACIJournalProceedings():"【】HamtathyTZAlloLW.ThermalPropertiesofConcreteSubjecttoElevatedtoTemperature.ConcreteforNuclearReactorsACISP.Detroit【·】HamtathyT.StrengthElasticityandThermalPropertiesofConcreteSubjecttoElevatedTemperature。ConcreteforNuclearReactorsACISPDetroR【】AyhanDemirbas.Adiscussionofthepaper”Tlleeffectsofexpandedpediteaggregatesilicafumeandflyashonthethermalconductivityoflightweightconcrete".CementandConcreteResearch:【·】DSadMEAltan.neimprovementofthelightweightaggregatepropertieswithadmixtureandgradation.EnergyEduc.Sci.Technol:~【l】FCanpolatKYilmazMMKose.EffectsofnaturalzeoliteandflyashasreplacementmaterialsonthepropertiesofPortlandcement.EnergyEduc.Sci.Technol:"【】HNohutcuMFAltanFCanpolatMDTekin.ProductionandUSeoflightweightconcreteforeconomicalhouseswithminimumheatlossandsound.EnergyEduc.Sci.Technol:"'【】KookHanKimaSangEunJeonbJinKeenKimbSungchulYangc.Anexperimentalstudyonthermalconductivityofconcrete.CementandConcreteResearch:~【】MIKhan.Factorsaffectingthethermalpropertiesofconcreteandapplicabilityofitspredictionmodels.BuildingandEnvironment:"'【】YunshengXuDDLChung.Increasingthespecificheatofcementpastebyadmixturesurfacetreatments.CementandConcreteResearch:~【】吴胜兴周氏.大体积混凝土热力学指标的综述与建议.河海科技进展:"'【·】FKehlbeck.太阳辐射对桥梁结构的影响.北京:中国铁道出版社【·】吴赣昌.半刚性路面温度应力分析.北京:科学出版社【】ItoKimura.AfieldExperimentStudyontheConvectiveHeatTransferCoef!ficientontheExteriorSurfaceofaBuilding『J.ASHRAETrans.JanuaryV.Pt.【】董毓利.混凝土结构的火安全设计.北京:科学出版社第章绪论肖建庄李杰等.高性能混凝土材料与结构抗火性能研究报告集.同济大学建筑工程系.刘华波.异形截面PC箱梁温度场及温度效应研究.同济大学博士学位论文(导师:黄鼎业)刘文燕.混凝土结构温度场及温度徐变应力研究.同济大学博士学位论文(导师:黄鼎业)wM罗森诺.传热学应用手册(下册).北京:科学出版社朱伯芳王同生等.水工混凝土结构的温度应力与温度控制.北京:水利电力出版魏光坪.单室预应力混凝土箱梁温度场及温度应力研究.西南交通大学学报()姜全德蒋鸿.钢筋混凝土箱形梁桥日照温度场和温度应力平面有限元数值分析方法.桥梁建设()张国庆硐泽民等.混凝土箱梁的温度场.东北公路)康为江.钢筋混凝土箱梁F|照温度效应研究。湖南大学硕士学位论文(导师:邹银生)刘兴法.预应力箱梁温度应力计算方法.土木工程学报()李全林.日照下混凝土箱梁温度场和温度应力研究.湖南大学硕士学位论文(导师:王解军)贾琳.太阳辐射作用下混凝土箱梁的温度分布及温度应力研究.东南大学硕士学位论文(导师:叶见曙)..lllll●lIl●l■●I.■L.■.Lr■■Lr.■Lr■■Lr■■L■■Lr■■L.■■Lr■■L.■■L■■L第章混凝十热l:参数的物理意义第章混凝土热工参数的物理意义传热有三种基本方式:热传导热对流和热辐射。工程上遇到的传热过程往往是热传导、热对流和热辐射三种方式的具体组合。在示意图.中热流体通过混凝土传热给冷流体的整个过程实际上包含着三个串联的阶段:热流体与混凝土壁左侧表面之间的对流换热:混凝土壁内部的导热混凝土壁右侧表面与冷流体之间的对流换热。当流体是气体时(比如空气)壁面和气体之间既可依靠对流换热还可以因壁面发射和吸收热辐射射线而出现辐射换热。其中热传导涉及的热工参数主要是导热系数、比热、质量密度和热膨胀系数热对流中主要影响参数是表面对流换热系数若结构受到日照则太阳辐射也是一个必须考虑的影响因素用混凝土表面太阳辐射吸收系数来表征。因此研究混凝土的热工参数必须清楚混凝土传热的基本原理和边界条件。L一一。图.通过混凝十的稳定传热。热传导中的基本热工参数..混凝土的导热系数导热系数是指单位温差、单位时间内通过单位面积的热量单位是W/m.K它表征物体导热能力的大小。影响混凝土导热系数的因素主要有骨料类型、水分含量、混凝土的配合比以及温度等等。骨料的矿物学特征对其配制的混凝土的导热系数影响较大一般说来玄武岩与粗面岩的导热系数低白云石与石灰岩的导热系数中等而石英岩的导热系数最高并与热流相对于结晶方向的传播方向有关。当混凝土的组成成分确定时其含水量是影响导热系数的主要因素当温度小于。C时的影响要大于温度高于"后的影响且温度越高■\.~\第章混凝十热I:参数的物理意义影响越小对高温中的混凝土的导热系数的影响可以不考虑。主要因为随着温度的升高混凝土的水分不断蒸发的结果。工程中常用混凝土结构一般处于常温(一℃)计算中一般取定值。由于目前没有统一的导热系数测试方法各文献引用的数据也不同。欧洲规范心‘建议:钙质骨料导热系数为.W/m.K硅质骨料为.Ow/m.K。文献【.】建议玄武岩骨料混凝土导热系数为.~.W/m.K砂岩骨料混凝土导热系数为.~.W/m.K轻质骨料混凝土导热系数为.W/m.K。文献【】所列碎石混凝土导热系数约为.W/m.K钢筋混凝土的导热系数为.W/m.K:文献【.】推荐的混凝土导热系数为.~.W/m.K。文献【.】所列的钢筋混凝土导热系数为.缈/历.K卵石、碎石混凝土导热系数为.w/m.K或.W/m·K。..混凝土的比热比热是指单位质量(kg)的材料当温度升高℃所需吸入的热量(J)单位为J/(堙·℃)。由于混凝土材料是一种复合材料影响混凝土比热的因素较多其中混凝土的比热主要受骨料类型、配合比和含水量的影响其值随温度的升高而缓慢增多但在℃附近时因水分蒸发、吸收汽化热而出现一尖峰。混凝土骨料类型的不同对比热影响较小实验表明温度低于℃时混凝土的骨料种类对比热无明显影响因此常温下混凝土的比热几乎不受骨料矿物学特征的影响。当温度超过℃后钙质骨料脱水反应加快混凝土比热快速提高但总的来说混凝土骨料类型对比热的影响不明显。混凝土的配合比对它的比热影响较大。当混凝土中水泥砂浆的含量较高时高温作用下极易发生脱水作用因此配合比较高的混凝土具有较高的比热所以配合比对混凝土比热的影响较大。混凝土的含水量在℃以下时对比热的影响较大含水量较高的混凝土当其温度高于℃后其比热是干燥混凝土的倍。一般文献没有考虑混凝土比热与骨料类型、配合比和含水量等因素的关系只给出了比热与温度之间的关系公式。文献f.】给出℃以下普通混凝土的比热为.x~.x‘/(堙·℃)约为轻质混凝土比热的.倍左右。目前高强、高性能混凝土的比热研究较少。V.K.R.KodurCu研究表明骨料类型对高强混凝土的比热有重大影第章混凝十热I:参数的物理意义响常温下钙质骨料高强混凝土的比热与硅质骨料高强混凝土相差不大但当温度在"'℃时钙质骨料高强混凝土的比热就明显高于硅质骨料高强混凝土。..混凝土的质量密度质量密度是指单位体积的质量单位为堙加也称体积质量。混凝土的质量密度在升温过程中逐渐减小主要原因是由于水分的汽化溢出和骨料、水泥等受热膨胀高温冷却后混凝土的质量密度因吸水等因素稍有回升。但总体上质量密度随温度的变化并不显著在计算时一般取为与温度无关的常值。此外高性能混凝土在常温下的密度高于普通混凝土。一般普通混凝土质量密度可以取为kg/m高性能混凝土质量密度取为kg肺。..混凝土的热膨胀系数热膨胀系数是指单位长度的物体温度升高一度时的伸长量单位为l/℃。影响混凝土热膨胀系数的主要因素为骨料的种类和矿物成分、试件的尺寸、配合比、含水量、龄期以及升温速度等有关。它随水泥用量增加而增大而随含水量增加或龄期增长而降低。骨料对热膨胀系数的影响如下:采用石灰岩骨料的混凝土热膨胀系数偏小采用砂岩或硅酸盐骨料的混凝土热膨胀系数就比较大而采用轻质骨料的混凝土热膨胀系数相对普通混凝土稍微小点。加上试验方法和量测技术的差别致使混凝土热膨胀系数离散性很大各国对热膨胀系数的推荐取值差别很大。如CEBFIP模式规范睁矧指出:混凝土热膨胀系数取决于骨料种类和混凝土的潮湿状态大约在a。一x“℃至口。tx℃之间变化。英国混凝土结构规范‘Ⅻ以图表的形式指出混凝土结构的导热系数和热膨胀系数是混凝土含水量的函数半干燥混凝土的热膨胀系数比饱水混凝土的系数大约高出口xlO℃。而在国内一般认为口。一lxl。℃。这一近似的取值可在一般工程中作为温度应力估算的依据但对重大工程尤其是对变形要求较高的工程所涉及的温度专题而言难以满足要求。欧洲规范睁蜡给出了不同骨料的热膨胀系数:硅质骨料:口。一.××T.xT℃≤T≤℃口c一.℃<T弋<*C(.)第章混凝十热I:参数的物理意义钙质骨料:口。.xx巧TI.xTa。.式中:a。一混凝土的热膨胀系数/℃Z一混凝土的温度℃。℃≤T≤℃℃<T≤℃(.)T.T.Lie‘翎不考虑骨料类型的影响直接给出混凝土的热膨胀系数变化的关系如下:a。一(O.T.)x℃≤T≤℃同济大学陆洲导口’给出我国普通混凝土热膨胀系数的两折线表达式:口。一.OxlOsTO℃≤T≤℃a。一.x。T一."C<T<R"C目前高强、高性能混凝土的比热研究较少。V.K.R.Kodur‘糊研究表明在℃~℃硅质骨料高强度混凝土的热膨胀系数高于钙质骨料高强度混凝土的热膨胀系数给出如下口和r的关系式:硅质骨料高强混凝土钙质骨料高强混凝土咚T、<"Co≤T。<"C口。../"口c一../"℃<T≤℃℃<T≤℃a。...T(·)口。。..盯(·)℃<T≤℃℃<T≤℃口。=.a。=..T..混凝土基本热工参数在热传导理论中的应用考虑均匀的、各向同性的固体从其中取出一无限小的六面体dxdydz(图.)在单位时间内从左界面dydz流入的热量为qdydz经右界面流出的热量为吼厶方出流入的净热量为(口一吼址协忱。第章混凝十热.I:参数的物理意义/z图.单元上的热流在崮体的热传导中热流量q(单位时间内通过单位面积的热量)与温度梯度ar/ar成正比、但热流方向与温度梯度方向相反即g。。一A望(一.‘)gj。一^=■【.)式中:A导热系数显然热流量g是x的函数。将热流量展成泰勒级数并只取前二项得吼址吼誓出一誓一A萨aT(.)魄批批一于是沿x方向流入的净热量为:qx吼出协沈A害批同理沿y方向和z方向流入的净热量分别为A害蚴及A害鳓。设由于水泥水化热作用在单位时间内单位体积中发出的热量为Q则在体积dxdydz内单位时间发出的热量为Qdxdydz。在时间df内此六面体由于温度升高所吸收的热量为:印誓矗咧纰(.)c『Z式中:c比热可时间p密度j第章混凝十热I:参数的物理意义由热量的平衡温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内部水化热之和即:印等d毗纰一H鲁等害)Q】姗蒯fc固化简后得固体中热传导方程如下:·OaTf叩AF(aT可aT害辟Qoxay(.)·=一l一IZ.y●atcp\‘z‘lcp、因此将热传导方程中涉及的导热系数A比热C及质量密度P作为混凝土的基本热工参数。.混凝土太阳辐射吸收系数的物理意义..混凝土的太阳辐射吸收系数太阳辐射吸收系数是指受太阳辐射的混凝土结构表面所吸收的投射在其上的太阳辐射的百分数。对太阳辐射吸收系数(以下简称吸收率或辐射吸收系数)的研究最初是从桥梁混凝土结构中丌始的。桥梁混凝土结构一般裸露在空气中且长时间受太阳直接辐射不均匀温度场产生的温度应力使得许多桥梁结构出现不同程度的破损。若将投射在物体上的能量与吸收、反射和穿过的能量的比值分别定义为吸收率口反射率P和透射率f则对于总投入能量有:口Pft。对不能穿透的物体来说z。因此吸收率仅与反射率有关系则上式变为:口JD一。大多数的工业材料对于波长较长的热辐射来说是不能穿透它们的即使厚度很薄实际上穿过的能量也可以忽略吸收仅仅为表面效果。混凝土表面的吸收率越大则混凝土吸收的热量越多结构表面的温度会明显升高由于混凝土是种热惰性材料结构表面的热量向内部传递的速度较慢从而使结构内外温度梯度增大。因此混凝土表面的太阳辐射吸收系数

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混凝土热工参数实验研究 张枫

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