一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法，包括步入式高低温交变湿热试验箱和大体积混凝土样本，所述大体积混凝土样本内部从上至下预埋有多层温湿度传感器和温度传感器，大体积混凝土样本内部竖向设有加热棒，所述温湿度传感器和温度传感器的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱外部的数据采集装置连接，本发明专利技术能够基于温度热响应原理，实时、快速、无损地测试混凝土导热系数。无损地测试混凝土导热系数。无损地测试混凝土导热系数。

【技术实现步骤摘要】
一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法


[0001]本专利技术涉及混凝土大坝智能温度调控
，具体地指一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法。

技术介绍

[0002]在我国西北方极寒地区，由于外界气候条件较复杂，气温变化剧烈(日变幅可达40℃)，通常导致坝体内部出现较大的温度梯度，从而产生温度应力。混凝土是一种具有良好抗压性能的材料，却不能抵抗过大的拉应力。由于温度的变化，混凝土坝在施工期和运行期经常会出现较大拉应力，而混凝土是一种脆性易开裂的材料，在较大拉应力作用下易产生裂缝，从而破坏结构整体性，降低结构耐久性，对大坝的安全运行产生影响。传统的大坝混凝土温度控制主要以控制混凝土最大温升为主，施工期结束以后，坝体只能被动应对内外部温度变化所带来的温度应力和其他应力破坏，而在极端气温变化条件下，常规的保温措施无法满足要求，使得坝体内产生过大的温度梯度，从而产生过大的温度应力，导致坝体产生裂缝。
[0003]在外界气温剧烈变化条件下，混凝土内部的温度热传导过程对大坝混凝土智能温度调控起着关键作用。影响混凝土内部热量传导的主要因素包括混凝土的导热系数、比热容以及密度等。其中，影响混凝土导热系数的因素最为复杂，其导热性能不仅受混凝土自身材料组成的影响，例如骨料种类、水泥品种、孔隙率、龄期等，也受外界环境温度、湿度等因素的影响。研究混凝土导热系数在多种因素耦合作用下的变化规律，能够为大坝混凝土智能温度调控系统提供科学的参数支撑。
[0004]国内外已有众多学者对混凝土导热系数测试方法开展了研究，目前，混凝土导热系数测试方法主要分为稳态法和瞬态法。其中，稳态法包括防护热板法、热流计法以及水流量平板法；瞬态法包括热线法、瞬态平面热源法、激光闪射法。稳态法立足于傅里叶定律，具有计算简单、直观易行的特点，是导热系数测试常用的方法，但是由于稳态法中构建稳定的温度梯度较为困难，所以稳态法的测试周期一般较长。这也导致稳态法测试的结果差异性较大，精度不高，例如，不同防护热板法测试装置在
‑
20℃～80℃的测试结果差异约为2％～3％，高温区的差异可达到10％以上。此外，混凝土的导热系数随着外界环境条件、自身水化反应等因素不断变化，因此，稳态法不能够实时、准确快速的对混凝土导热系数进行测试。瞬态法的测试原理是对处于热平衡的试样施加热干扰，通过测试试样的温度变化，结合非稳态导热微分方程，采用一定的数值手段计算出待测物的导热系数。瞬态法不需要构建稳定的温度梯度，因此具有快速、便捷的特点，同时也对环境的要求低。目前常用的基于瞬态法的混凝土导热系数测试方法主要包括瞬态平面热源法、瞬态热线法等方法。混凝土是典型的非均质材料，其内部各部位的导热系数变化复杂，目前基于瞬态法发展的导热系数测试方法大多仅能测试混凝土某一点的导热系数，无法衡量混凝土整体的导热能力，从而无法运用于工程实践。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种大体积混凝土导热系数测试装置及方法，以解决
技术介绍
中提出的问题，能够基于温度热响应原理，实时、快速、无损地测试混凝土导热系数。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种大体积混凝土导热系数测试装置，包括步入式高低温交变湿热试验箱和大体积混凝土样本，所述大体积混凝土样本内部从上至下预埋有多层温湿度传感器和温度传感器，大体积混凝土样本内部竖向设有加热棒，所述温湿度传感器和温度传感器的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱外部的数据采集装置连接。
[0007]优选地，大体积混凝土样本侧部和底部包裹有温度补偿及保温材料。
[0008]优选地，所述温度补偿及保温材料由内向外依次包括陶瓷纤维纸、加热丝、聚氨酯和橡塑保温棉。
[0009]优选地，所述大体积混凝土样本为圆柱体结构，其中心线区域竖向设置加热棒。
[0010]优选地，所述大体积混凝土样本内部每相邻两层温湿度传感器彼此异面，每相邻两层温度传感器彼此异面，位于同一层的温湿度传感器和温度传感器彼此交错对称设置。
[0011]优选地，所述大体积混凝土样本为直径1m、高1m的圆柱体结构；所述温湿度传感器在大体积混凝土样本内部不同深度布置十层，各层由上到下布置由密到疏，各层间距由上到下逐渐增大，从最小间距4cm增大到最大间距18cm，每层布置有四支温湿度传感器，布置形式为交错对称布置，位于半径3cm和33cm或者位于18cm和48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心横向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心竖向对称排列。
[0012]优选地，所述温度传感器在样本内部不同深度布置了十层，第七层为中心层，除了中心层对称布置了十二支以外，其余每层对称布置八支，位于半径3cm、18cm、33cm、48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心竖向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心横向对称排列。
[0013]另外，本专利技术还公开上述大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，它包括如下步骤：
[0014]S1、将温湿度传感器和温度传感器的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱外部的数据采集装置连接；
[0015]S2、预设步入式高低温交变湿热试验箱内所需要的温度和湿度条件；
[0016]S3、关闭步入式高低温交变湿热试验箱的箱门，启动大体积混凝土样本内的加热棒，开始进行试验；
[0017]S4、观察和记录温度及湿度数据，根据记录到的实时数据调整加热棒的运行时间；
[0018]S5、试验结束后，根据记录到的数据，利用基于有限元的最小二乘法，对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试。
[0019]进一步地，所述S5中对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试的过程如下：
[0020]计算域内任意点都满足热传导方程：
[0021][0022]式中λ为导热系数，W/(m
·
K)；Q为混凝土内部单位时间内单位体积中产生的水化热，kJ/(m3·
h)；Q
′
为加热丝工作时补偿的热量，kJ/(m3·
h)；Q
″
为内部加热棒工作时产生的
热量，kJ/(m3·
h)；T为温度，℃；t为时间，h。
[0023]初始温度场是已知函数，认为初始瞬间的温度分布为常数，初始条件亦为已知常数；而边界条件为第三类边界条件，混凝土样本上表面的热流量与上表面温度和气温之差成正比，四周和底面为绝热面，表面放热系数为0，转化为绝热条件；
[0024]对式(1)在空间域采用伽辽金方法离散，在时间域采用中心差分方案(伽辽金法)，即η取0.5，得到的有限元格式如下：
[0025][0026]其中{T}为节点温度矩阵，[C]和[K]分别为热容矩阵和导热系数矩阵，{F}为节点荷载矩阵；矩阵[C]里面的元素是混凝土体积比热容的函数，而矩阵[K]是导热系数的函数，带入相应的温度向量，式(2)改写为：
[0027][C
′
]{ρc}
t
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大体积混凝土导热系数测试装置，包括步入式高低温交变湿热试验箱(1)和大体积混凝土样本(2)，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)内部从上至下预埋有多层温湿度传感器(3)和温度传感器(4)，大体积混凝土样本(2)内部竖向设有加热棒(5)，所述温湿度传感器(3)和温度传感器(4)的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱(1)外部的数据采集装置(6)连接。2.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：大体积混凝土样本(2)侧部和底部包裹有温度补偿及保温材料(7)。3.根据权利要求2所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述温度补偿及保温材料(7)由内向外依次包括陶瓷纤维纸(71)、加热丝(72)、聚氨酯(73)和橡塑保温棉(74)。4.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)为圆柱体结构，其中心线区域竖向设置加热棒(5)。5.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)内部每相邻两层温湿度传感器(3)彼此异面，每相邻两层温度传感器(4)彼此异面，位于同一层的温湿度传感器(3)和温度传感器(4)彼此交错对称设置。6.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述大体积混凝土样本(2)为直径1m、高1m的圆柱体结构；所述温湿度传感器(3)在大体积混凝土样本(2)内部不同深度布置十层，各层由上到下布置由密到疏，各层间距由上到下逐渐增大，从最小间距4cm增大到最大间距18cm，每层布置有四支温湿度传感器(3)，布置形式为交错对称布置，位于半径3cm和33cm或者位于18cm和48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心横向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心竖向对称排列。7.根据权利要求6所述的一种大体积混凝土导热系数测试装置，其特征在于：所述温度传感器(42)在样本(4)内部不同深度布置了十层，第七层为中心层，除了中心层对称布置了十二支以外，其余每层对称布置八支，位于半径3cm、18cm、33cm、48cm处，其中第1、3、5、7、9层关于圆心竖向对称排列；第2、4、6、8、10层关于圆心横向对称排列。8.一种权利要求1至7任一项所述大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，其特征在于：它包括如下步骤：S1、将温湿度传感器(3)和温度传感器(4)的数据线与步入式高低温交变湿热试验箱(1)外部的数据采集装置(6)连接；S2、预设步入式高低温交变湿热试验箱(1)内所需要的温度和湿度条件；S3、关闭步入式高低温交变湿热试验箱(1)的箱门，启动大体积混凝土样本(2)内的加热棒(5)，开始进行试验；S4、观察和记录温度及湿度数据，根据记录到的实时数据调整加热棒(5)的运行时间；S5、试验结束后，根据记录到的数据，利用基于有限元的最小二乘法，对大体积混凝土非恒定导热系数进行测试。9.根据权利要求8所述的大体积混凝土导热系数测试装置的测试方法，其特征在于：所述S5中对大体积混凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，杜钢，童富果，乐阳，宋涛，刘敏，骆浩，张敏，
申请(专利权)人：宜昌天宇科技有限公司，
类型：发明
国别省市：