考虑温湿度影响的水工混凝土导热系数测试研究

作     者：张冉 

作者单位：三峡大学 

学位级别：硕士

导师姓名：童富果;梁岗伟

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：导热系数 水工混凝土 温湿耦合 温控防裂 最小二乘有限元 

摘      要：导热系数是混凝土大坝温控防裂的重要热学参数,其数值大小通常随混凝土组成材料的热学性能及温湿度变化而改变。大部分的混凝土大坝所在位置环境温度变幅较小,通常将混凝土导热系数视为常数,忽略了温湿度的影响。但是对于我国北方地区,混凝土大坝所在位置气温日变幅可达35℃,在此气温极端变化条件下,温湿度对混凝土导热系数的影响不可忽略。本文基于热传导基础理论,提出了最小二乘有限单元法的水工混凝土非恒定导热系数测试方法,开展了温度和湿度影响下的水工混凝土导热系数测试研究,主要研究工作如下:（1）采用试验测试与数值反算相结合的手段,提出了基于最小二乘有限单元法的水工混凝土非恒定导热系数测试方法。该方法主要包括试验测试系统和数值反算程序两部分,试验测试系统对混凝土施加温度干扰,测取混凝土内部各测点温度随时间变化的数据。数值反算程序基于最小二乘有限单元法原理编写,可将试验测试数据作为输入参数,计算得到不同温度下的混凝土导热系数。（2）开展了温度及湿度（饱和度）对混凝土组成材料导热性影响的试验测试研究。采用瞬态平面热源导热系数测试仪对粗骨料和水泥砂浆的导热系数进行了测试,结果表明,粗骨料的导热系数随温度的升高而减小,水泥砂浆导热性受温度和饱和度的影响较大,其导热能力随着温度升高、湿度增大而增强。（3）开展了水工混凝土导热性试验测试研究。利用本研究提出的非恒定导热系数测试方法,研究了骨料体积分数对水工混凝土导热性的影响,测试结果表明,水工混凝土导热性随着骨料体积分数的增加而增大。通过模拟大体积混凝土在剧烈气温变幅条件下的服役环境,测试了其导热性随温度的变化情况,结果表明,其导热性随着温度的升高呈现先减小后增大的变化规律。（4）建立了考虑温湿度影响的水工混凝土导热系数模型。将水工混凝土视为由骨料、砂浆、水、空气等物质组成的多相复合材料,根据Wiener边界理论推导了水工混凝土导热系数模型,利用混凝土组成材料的导热系数测试结果对模型参数进行了求解,并用大体积混凝土导热系数测试结果对模型的正确性进行了验证,进而分析了水工混凝土导热系数随各影响因素的变化规律。