真空絕熱板對混凝土墻體冬期施工保溫性能的研究

朱廣祥， 李若冰， 喬國富， 薛廣杰， 李壯賢， 黃雷濤

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

0 引言

2020年9月22日，習總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出，我國力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和。這一“雙碳”目標的提出，再一次將節(jié)能減排推向?qū)W術(shù)界的熱點話題。目前能源消耗巨大的形勢下，研究出一種高效綠色的絕熱材料是解決能源問題的迫切之需，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成雙碳目標最有潛力的努力方向［6］。

另一方面，在我國北方地區(qū)冬期施工的條件下，低溫惡劣的環(huán)境不利于混凝土強度的持續(xù)增長，養(yǎng)護措施不得當極易導致混凝土表面產(chǎn)生凍脹開裂等問題。在低溫環(huán)境中，保證混凝土的施工和養(yǎng)護溫度，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，對于混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境中的保溫和養(yǎng)護具有重要的意義［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程中的傳熱示意圖。利用ANSYS有限元軟件，對混凝土墻體水化熱和外界低溫共同作用下的溫度場進行研究。所建立墻體的數(shù)值計算模型的尺寸為3m×3m×0.3m，通過與傳統(tǒng)竹木模板的對比，初步驗證真空絕熱板在冬季負溫環(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 混凝土墻體施工過程中的傳熱示意圖

2 理論模型的建立

2.1 溫度場求解的內(nèi)熱源項

水泥水化放熱為混凝土溫度場計算的內(nèi)熱源項，考慮了混凝土自身溫度和齡期對水化反應(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。參考Arrhenius函數(shù)，考慮混凝土材料自身的溫度對水化反應(yīng)的影響，首先建立了等效齡期的函數(shù)表達式如式（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)表達如式（2）所示。墻體內(nèi)各點施加對應(yīng)等效齡期的水化放熱速率，進而實現(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 溫度場求解的定解條件

2.2.1 邊界條件

按照第三類邊界條件進行考慮，考慮混凝土在實際工程中養(yǎng)護的溫度、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個方向的導熱系數(shù)；T為混凝土單元的溫度；Tamb為養(yǎng)護的溫度；β為固體最外層自由表面的對流換熱系數(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熱系數(shù)。

2.2.2 初始條件

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

式中，T0（x，y，z）為初始澆筑混凝土時，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)鍵點進行分析，選擇墻體中心位置處的表層混凝土和芯部混凝土，分布記作測點（A1）和測點（A2）；墻體邊緣處中心位置處記作測點（A3），墻體角部區(qū)域記作測點（A4）。提取上述四個測點的溫度時間曲線進行分析。

圖2 溫度變化分析測點的選擇（單位：m）

針對普通養(yǎng)護措施下，模擬了在0℃養(yǎng)護條件下混凝土溫度場的分布和演化規(guī)律。針對有真空絕熱板（VIP板）的保溫措施下，依次模擬了在0、-10℃和-15℃養(yǎng)護溫度下，混凝土墻體的溫度場的分布和演化規(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)護措施在0℃的溫度時間歷程曲線

3.1 養(yǎng)護溫度為0℃的溫度場分析

圖3為普通養(yǎng)護措施下在0℃的養(yǎng)護溫度條件下，墻體內(nèi)四個關(guān)鍵點的溫度時間歷程曲線。由圖3可得，各關(guān)鍵點的溫度會迅速下降，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，A1、A2、A3和A4四個關(guān)鍵點的溫度分別達到了2.5、2.9、1.8℃和1.1℃。在普通竹木模板的養(yǎng)護條件下，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)護溫度條件下，墻體內(nèi)四個關(guān)鍵點的溫度時間歷程曲線。由圖4可得，各關(guān)鍵點的溫度會經(jīng)歷一個先增大后減小的變化趨勢，在澆筑完混凝土后的50h，各測點的溫度基本達到最大值，A1、A2、A3和A4四個關(guān)鍵點的最大溫度分別達到了37.9、39.3、31.7℃和25.6℃。在澆筑完混凝土后的100h，各測點的溫度基本保持在一個理想的狀態(tài)，此刻A1、A2、A3和A4四個關(guān)鍵點的溫度分別為23.8、24.6、19.5℃和15.6℃。通過在0℃的養(yǎng)護溫度下進行對比，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℃的溫度時間歷程曲線

3.2 養(yǎng)護溫度為-10℃的溫度場分析

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

圖5 帶有VIP板在-10℃的溫度時間歷程曲線

3.3 養(yǎng)護溫度為-15℃的溫度場分析

圖6為含有VIP板在-15℃的養(yǎng)護溫度條件下，墻體內(nèi)四個關(guān)鍵點的溫度時間歷程曲線。由圖6可得，A1、A2和A3關(guān)鍵點的溫度會經(jīng)歷一個先增大后減小的變化趨勢，在混凝土澆筑完41h，大部分的測點溫度達到最大值，此刻A1、A2和A3關(guān)鍵點的最大溫度分別為25.4、26.7℃和17.9℃。而A4關(guān)鍵點的溫度基本呈現(xiàn)一個持續(xù)下降的趨勢。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理想的狀態(tài)，此刻A1、A2、A3和A4四個關(guān)鍵點的溫度分別為10.9、11.8、5.7℃和0.9℃，此刻A4關(guān)鍵點的溫度幾乎接近0℃。由此可見，在-15℃的外界環(huán)境下，采用含有VIP板的養(yǎng)護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℃的風險。

圖6 帶有VIP板在-15℃的溫度時間歷程曲線

4 結(jié)語

文中通過有限元模擬的方式，初步證實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℃將無法進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℃將無法進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，各點的均處于一個理想的溫度狀態(tài)。真空絕熱板作為保溫與結(jié)構(gòu)一體化的功能材料，對于混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境中的保溫和養(yǎng)護具有重要的意義。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，并推動早期實現(xiàn)“雙碳”目標。