朱廣祥， 李若冰， 喬國(guó)富， 薛廣杰， 李壯賢， 黃雷濤

（1.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；3.青島科瑞新型環(huán)保材料集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

2020年9月22日，習(xí)總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，我國(guó)力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這一“雙碳”目標(biāo)的提出，再一次將節(jié)能減排推向?qū)W術(shù)界的熱點(diǎn)話題。目前能源消耗巨大的形勢(shì)下，研究出一種高效綠色的絕熱材料是解決能源問(wèn)題的迫切之需，真空絕熱板技術(shù)由此應(yīng)用而生［1-3］。真空絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)0.004W/（m·K），是一種保溫性能卓越的輕質(zhì)材料［4，5］。將真空絕熱板應(yīng)用于建筑保溫領(lǐng)域，是降低建筑能耗并達(dá)成雙碳目標(biāo)最有潛力的努力方向［6］。

另一方面，在我國(guó)北方地區(qū)冬期施工的條件下，低溫惡劣的環(huán)境不利于混凝土強(qiáng)度的持續(xù)增長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)措施不得當(dāng)極易導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生凍脹開(kāi)裂等問(wèn)題。在低溫環(huán)境中，保證混凝土的施工和養(yǎng)護(hù)溫度，是提高混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的有利措施。真空絕熱板作為保溫與結(jié)構(gòu)一體化的功能材料，對(duì)于混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境中的保溫和養(yǎng)護(hù)具有重要的意義［7，8］。因此，文中主要研究與傳統(tǒng)竹木模板的相比，真空絕熱板在冬季施工條件下的保溫效果，有利于真空絕熱板在北方地區(qū)的應(yīng)用和推廣。

1 計(jì)算背景

文中主要研究在冬季施工的環(huán)境下，真空絕熱板對(duì)墻體混凝土保溫效果的影響。如圖1所示，為混凝土墻體施工過(guò)程中的傳熱示意圖。利用ANSYS有限元軟件，對(duì)混凝土墻體水化熱和外界低溫共同作用下的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。所建立墻體的數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為3m×3m×0.3m，通過(guò)與傳統(tǒng)竹木模板的對(duì)比，初步驗(yàn)證真空絕熱板在冬季負(fù)溫環(huán)境下的保溫效果。劃分的有限元模型的網(wǎng)格尺寸為0.05m，單元數(shù)為21600。

圖1 混凝土墻體施工過(guò)程中的傳熱示意圖

2 理論模型的建立

2.1 溫度場(chǎng)求解的內(nèi)熱源項(xiàng)

水泥水化放熱為混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算的內(nèi)熱源項(xiàng)，考慮了混凝土自身溫度和齡期對(duì)水化反應(yīng)放熱的綜合影響，建立了基于等效齡期的絕熱溫升函數(shù)作為求解的內(nèi)熱源項(xiàng)。參考Arrhenius函數(shù)，考慮混凝土材料自身的溫度對(duì)水化反應(yīng)的影響，首先建立了等效齡期的函數(shù)表達(dá)式如式（1）所示。

式中，Tr為混凝土的參考溫度，一般取20℃；T為Δt內(nèi)的混凝土平均溫度；Ea為普通水泥的活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，R=83144J/（mol·K）。

基于上述混凝土的等效齡期，得出水化放熱速率的函數(shù)表達(dá)如式（2）所示。墻體內(nèi)各點(diǎn)施加對(duì)應(yīng)等效齡期的水化放熱速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)求解。

式中，q（te）為混凝土在等效齡期te下的水化放熱速率。

2.2 溫度場(chǎng)求解的定解條件

2.2.1 邊界條件

按照第三類邊界條件進(jìn)行考慮，考慮混凝土在實(shí)際工程中養(yǎng)護(hù)的溫度、墻體外模板及保溫層的影響，建立了相應(yīng)的熱交換邊界條件。

式中，kx，ky和kz分別表示混凝土在X，Y和Z3個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T為混凝土單元的溫度；Tamb為養(yǎng)護(hù)的溫度；β為固體最外層自由表面的對(duì)流換熱系數(shù)J/（m2·s·℃）；δi為混凝土外保溫層的厚度；λi為混凝土外保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2.2 初始條件

選定澆筑混凝土的時(shí)刻為初始研究時(shí)刻，相應(yīng)的混凝土的澆筑溫度為溫度場(chǎng)求解的初始條件。

式中，T0（x，y，z）為初始澆筑混凝土?xí)r，墻體內(nèi)不同位置處混凝土的初始溫度分布情況。

3 有限元模擬結(jié)果展示分析

如圖2所示，分別選擇以下關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇墻體中心位置處的表層混凝土和芯部混凝土，分布記作測(cè)點(diǎn)（A1）和測(cè)點(diǎn)（A2）；墻體邊緣處中心位置處記作測(cè)點(diǎn)（A3），墻體角部區(qū)域記作測(cè)點(diǎn)（A4）。提取上述四個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線進(jìn)行分析。

圖2 溫度變化分析測(cè)點(diǎn)的選擇（單位：m）

針對(duì)普通養(yǎng)護(hù)措施下，模擬了在0℃養(yǎng)護(hù)條件下混凝土溫度場(chǎng)的分布和演化規(guī)律。針對(duì)有真空絕熱板（VIP板）的保溫措施下，依次模擬了在0、-10℃和-15℃養(yǎng)護(hù)溫度下，混凝土墻體的溫度場(chǎng)的分布和演化規(guī)律。具體模擬結(jié)果的展示和分析如圖3所示。

圖3 普通養(yǎng)護(hù)措施在0℃的溫度時(shí)間歷程曲線

3.1 養(yǎng)護(hù)溫度為0℃的溫度場(chǎng)分析

圖3為普通養(yǎng)護(hù)措施下在0℃的養(yǎng)護(hù)溫度條件下，墻體內(nèi)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線。由圖3可得，各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度會(huì)迅速下降，其中墻體邊角處溫度下降最為迅速，在澆筑完混凝土后的100小時(shí)，A1、A2、A3和A4四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度分別達(dá)到了2.5、2.9、1.8℃和1.1℃。在普通竹木模板的養(yǎng)護(hù)條件下，墻體的最低氣溫已經(jīng)接近0℃，因此為了確保施工的質(zhì)量，在傳統(tǒng)施工條件下，外界氣溫不得低于0℃，否則容易引起混凝土凍漲，降低墻體工程的施工質(zhì)量。

圖4為含有VIP板在0℃的養(yǎng)護(hù)溫度條件下，墻體內(nèi)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線。由圖4可得，各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在澆筑完混凝土后的50h，各測(cè)點(diǎn)的溫度基本達(dá)到最大值，A1、A2、A3和A4四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的最大溫度分別達(dá)到了37.9、39.3、31.7℃和25.6℃。在澆筑完混凝土后的100h，各測(cè)點(diǎn)的溫度基本保持在一個(gè)理想的狀態(tài)，此刻A1、A2、A3和A4四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度分別為23.8、24.6、19.5℃和15.6℃。通過(guò)在0℃的養(yǎng)護(hù)溫度下進(jìn)行對(duì)比，可以明顯看出真空絕熱板（VIP），可以在一定程度上確保冬期低溫下混凝土的施工質(zhì)量。

圖4 帶有VIP板在0℃的溫度時(shí)間歷程曲線

3.2 養(yǎng)護(hù)溫度為-10℃的溫度場(chǎng)分析

圖5為含有VIP板在-10℃的養(yǎng)護(hù)溫度條件下，墻體內(nèi)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線。由圖5可得，各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在澆筑完混凝土后的45h，各測(cè)點(diǎn)的溫度基本達(dá)到最大值，A1、A2、A3和A4四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的最大溫度分別達(dá)到了29.5、30.8、22.2℃和15.7℃。在澆筑完混凝土后的100h，各測(cè)點(diǎn)的溫度基本保持在一個(gè)理想的狀態(tài)，此刻A1、A2、A3和A4四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度分別為15.6、16.5、10.8℃和6.3℃。由此可見(jiàn)，在-10℃的外界環(huán)境下，采用含有VIP板的養(yǎng)護(hù)措施仍然可以保證墻體的施工質(zhì)量。

圖5 帶有VIP板在-10℃的溫度時(shí)間歷程曲線

3.3 養(yǎng)護(hù)溫度為-15℃的溫度場(chǎng)分析

圖6為含有VIP板在-15℃的養(yǎng)護(hù)溫度條件下，墻體內(nèi)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線。由圖6可得，A1、A2和A3關(guān)鍵點(diǎn)的溫度會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在混凝土澆筑完41h，大部分的測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最大值，此刻A1、A2和A3關(guān)鍵點(diǎn)的最大溫度分別為25.4、26.7℃和17.9℃。而A4關(guān)鍵點(diǎn)的溫度基本呈現(xiàn)一個(gè)持續(xù)下降的趨勢(shì)。在澆筑完混凝土后的100h，大部分區(qū)域的混凝土溫度保持在一個(gè)理想的狀態(tài)，此刻A1、A2、A3和A4四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度分別為10.9、11.8、5.7℃和0.9℃，此刻A4關(guān)鍵點(diǎn)的溫度幾乎接近0℃。由此可見(jiàn)，在-15℃的外界環(huán)境下，采用含有VIP板的養(yǎng)護(hù)措施可以保證大部分的區(qū)域的混凝土滿足冬季施工的質(zhì)量要求，但是少數(shù)部分區(qū)域存在接近0℃的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 帶有VIP板在-15℃的溫度時(shí)間歷程曲線

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)有限元模擬的方式，初步證實(shí)了真空絕熱板在混凝土墻體冬期施工中具有良好的保溫效果。模擬結(jié)果顯示：在普通竹木模板施工的條件下，外界溫度低于0℃將無(wú)法進(jìn)行墻體的混凝土澆筑；而在含有真空絕熱板（VIP板）的條件下施工，外界溫度低于-15℃將無(wú)法進(jìn)行墻體的混凝土澆筑。在0～15℃的外界環(huán)境下施工，含有真空絕熱板的混凝土墻體，在澆筑完成100h，各點(diǎn)的均處于一個(gè)理想的溫度狀態(tài)。真空絕熱板作為保溫與結(jié)構(gòu)一體化的功能材料，對(duì)于混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境中的保溫和養(yǎng)護(hù)具有重要的意義。將真空絕熱板應(yīng)用于建筑保溫領(lǐng)域，有利于降低北方地區(qū)的建筑能耗，并推動(dòng)早期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。