水化熱的案例
基于ANSYS的大體積混凝土水化熱分析
下面以如下圖所示的幾何尺寸為例，進行大體積混凝土的水化熱分析。
混凝土與地基的熱力學參數取值范圍：
混凝土：熱傳導率k=2.6~2.8w/m·℃，比熱c=1.05~1.26kJ/kg·℃，密度rou=2300~2500kg/m3
基礎（巖體或土質地基）：熱傳導率k=1.7~5.2w/m·℃，比熱c=0.71~0.88kJ/kg·℃，密度rou=1800~2700kg/m3
不同表面對流換熱系數β(w/m2·℃)
鋼模板=14~15
木模板=6~8
空氣=13
上述參數，具體可結合工程實際或者參考規范進行計算，也可以通過查閱相近文獻總結選取。
幾何模型尺寸
有限元網格劃分
不同時刻外部環境溫度
不同時刻水泥水化熱生成率
對于水泥水化熱放熱率，在ANSYS中通過HGEN的形式實現。
初始狀態溫度云圖
基礎為14℃，上部澆筑混凝土為16.5℃。
t=12h水化熱引起溫度分布
t=30h水化熱引起溫度分布
t=60h水化熱引起溫度分布
t=120h水化熱引起溫度分布
選取不同位置節點，提取該位置處的溫度時程分布
不同節點處的溫度分布曲線
可以看到，水化初期溫度急劇上升，隨著水化反應的持續進行，水泥水化放熱量也在不斷降低，最終使得混凝土的溫度呈逐漸降低的趨勢；同時越靠近澆筑位置處的表層，由于與外界環境熱交換速度相對較快，使得溫度的變化幅度也相對較大。
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Ps:上述案例應用ANSYS做了大體積混凝土的水化熱反應分析算例，感興趣的朋友可以通過查閱文獻進一步了解。
展開 Abaqus子程序HETVAL模擬混凝土水化熱溫度場
圖6 Heat Generation設置
06
水化熱溫度場計算結果
圖7為混凝土水化熱溫度場在11.6小時的溫度等值線圖，這里的NT11表示節點溫度（節點溫度也就一個自由度）。可以看出，等值線圖幾乎一樣均勻，這是由于整個混凝土塊與外界保持絕熱狀態，每個混凝土單元都在放熱，也就是每個混凝土單元之間不存在溫度梯度（圖8熱流量密度HFL等值線圖也可證明，可看出熱流量密度HFL很小）。而圖9表示了混凝土水化熱溫度場計算結果隨時間的變化曲線，可以看出來混凝土一直在升溫，也就沒有熱傳導，相當于均勻升溫。圖10的動畫用等值線圖的方式表示了混凝土水化熱溫度場隨著時間的變化，但實際上在每個時刻的溫度場等值線圖是一致的。
圖7 NT11溫度等值線圖
圖8 HFL熱流量密度等值線圖
圖9 模型任一單元的溫升時程圖
圖10 模型溫度場的時變動畫
07
水化放熱速率及累計放熱量計算結果
圖11可發現SDV1（混凝土水化放熱速率，FLUX(1)）的等值線圖，發現等值線都是一致均勻的，這是因為每個混凝土單元都在采用同樣的水化放熱速率曲線，水化放熱速率都是一致的。另外，利用XYData和XYPlots，選擇圖12所示的某一混凝土單元，觀察SDV1隨時間的變化規律。圖13中也繪制了混凝土水化放速率隨著時間的變化曲線。同時圖14也繪制了混凝土累計水化放熱量隨著時間的變化曲線。因此，子程序在計算過程中的正確性得以保證。可以看出，水化放熱速率由0突然增大到最大值，然后逐漸減少，在24小時后放熱速率變得較小且趨于恒定，但仍舊在放熱（之前已經釋放掉大部分的熱量）。
展開 水化熱分析。。。 。
①澆筑混凝土時，水泥在水化過程中產生大量熱量會使混凝土的溫度升高。雖然隨時間的推移混凝土的溫度會慢慢冷卻，但結構各個位置的溫度下降速度不均勻，結構不同位置將發生相對溫差，此溫差會使混凝土發生溫度應力，產生裂縫。
②混凝土水化熱引起的應力可以分為內部約束應力和外部約束應力兩大類。
混凝土內部不同溫度分布引起的不同體積變化而導致的應力稱為內部約束應力，如混凝土澆筑初期因內部溫度升高將發生膨脹，但混凝土表面的溫度下降較快，相對應變較小，從而使混凝土產生拉應力 ，此類拉應力裂縫主要發生在尺寸較大的結構。
混凝土在冷卻時會發生收縮，但會受到與其接觸的原有的混凝土或地基的約束而產生拉力，這種受外部邊界約束而產生的應力為外部約束應力。
③水化熱分析主要分為熱傳導分析和熱應力分析。.
熱傳導分析主要計算水泥的水化過程中發熱、傳導、對流等引起的隨時間變化的節點溫度。
將得到的節點溫度作為荷載加載后，計算隨時間變化的應力稱為熱應力分析。
④大體積混凝土的溫度裂縫可以利用溫度裂縫指數(Crack Ratio, Icr) 來驗算。溫度裂縫指數要滿足結構的重要性、功能、環境條件等因素的要求。溫度裂縫指數受水泥的類型、澆筑溫度、養生方法等多因素的影響，所以需要對多種條件進行反復分析以找出最佳的澆筑方法。
展開 混凝土水化熱分析
①澆筑混凝土時，水泥在水化過程中產生大量熱量會使混凝土的溫度升高。雖然隨時間的推移混凝土的溫度會慢慢冷卻，但結構各個位置的溫度下降速度不均勻，結構不同位置將發生相對溫差，此溫差會使混凝土發生溫度應力，產生裂縫。
②混凝土水化熱引起的應力可以分為內部約束應力和外部約束應力兩大類。
混凝土內部不同溫度分布引起的不同體積變化而導致的應力稱為內部約束應力，如混凝土澆筑初期因內部溫度升高將發生膨脹，但混凝土表面的溫度下降較快，相對應變較小，從而使混凝土產生拉應力 ，此類拉應力裂縫主要發生在尺寸較大的結構。
混凝土在冷卻時會發生收縮，但會受到與其接觸的原有的混凝土或地基的約束而產生拉力，這種受外部邊界約束而產生的應力為外部約束應力。
③水化熱分析主要分為熱傳導分析和熱應力分析。.
熱傳導分析主要計算水泥的水化過程中發熱、傳導、對流等引起的隨時間變化的節點溫度。
將得到的節點溫度作為荷載加載后，計算隨時間變化的應力稱為熱應力分析。
④大體積混凝土的溫度裂縫可以利用溫度裂縫指數(Crack Ratio, Icr) 來驗算。溫度裂縫指數要滿足結構的重要性、功能、環境條件等因素的要求。溫度裂縫指數受水泥的類型、澆筑溫度、養生方法等多因素的影響，所以需要對多種條件進行反復分析以找出最佳的澆筑方法。
展開 
COMSOL混凝土細觀模型骨料、砂漿、ITZ水化熱溫度變化分析
建立砂漿、骨料、界面過渡區（ITZ, Interface Transition Zone）的混凝土細觀模型對于深入理解水化熱溫度變化對混凝土材料的影響及其溫度應力導致的內應力損傷至關重要。
本案例介紹在COMSOL內通過球體粗骨料顆粒的堆積算法，建立包含骨料、ITZ、水泥砂漿在內的三相材料混凝土細觀三維模型，并進行混凝土內水化熱溫度變化的分析。
圓柱容器內的球體骨料堆積模型采用CAD球體密堆積_圓柱體試件3D V1.1版本插件建模生成，模型中的骨料通過球體重力堆積及二次振搗密實模擬，建立更加符合實際骨料分布狀態的混凝土細觀模型。
在AutoCAD內將骨料、ITZ、砂漿三部分分別導出為iges格式文件后導入到COMSOL內形成裝配建立混凝土細觀模型。
添加固體傳熱物理場并對混凝土細觀中的三組分分別設置材料屬性，完成網格劃分。
根據實際工況設置合理的初始條件及邊界后，添加瞬態研究并完成混凝土細觀模型的水化熱溫度變化仿真分析。
展開 COMSOL多邊形骨料堆積混凝土水化熱傳熱模擬
混凝土水化熱溫降研究對保障結構安全與耐久性至關重要，溫升后溫差易引發溫度應力，導致裂縫。本案例介紹在COMSOL內建立多邊形骨料堆積混凝土細觀模型，并對水化熱產生后的傳熱及溫度變化進行仿真模擬。
骨料堆積混凝土細觀模型采用CAD多邊形密堆積2D插件建立，插件內置動力學算法，可模擬多邊形骨料顆粒在重力作用下的堆積模型。
混凝土骨料密堆積模型在AutoCAD內建模完成后，將模型另存為dxf格式文件。
在COMSOL內選擇固體傳熱模塊，添加瞬態研究，并導入骨料密堆積模型。
對混凝土細觀模型的水泥砂漿及骨料部分分別指定材料，并設置密度、導熱系數、恒壓熱容等與傳熱相關的材料參數。
在固體傳熱中設置初始值，由于水化熱由水泥漿體產生，因此初始溫度設置中水泥砂漿基體溫度高于骨料溫度。將試件的左右及下邊界設置為熱絕緣，上部邊界設置環境溫度并設置熱通量，用于模擬大體積混凝土工況。對模型劃分物理場控制的網格，單元大小極細化。
計算查看傳熱仿真結果。2min內溫度變化情況。
20min內溫度變化情況。
展開 施工階段水化熱計算算例
水化熱計算的詳細步驟
承臺水化熱計算及施工技術方案 ￥200
承臺水化熱計算與施工是大型橋梁基礎施工中非常重要的一個環節，通過學習可以很好的了解大體積混凝土溫控的相關技術，對橋梁基礎施工具有指導意義！
大體積混凝土的溫度控制 附大體積混凝土溫度應力與溫度控制下載
大體積混凝土溫度控制的關鍵在于降低混凝土水化熱以及減少混凝土內、外溫差，避免產生過大的溫度應力，使得混凝土在前期強度較低的情況下不至于受到過大的拉應力而產生裂縫。控制混凝土內、外溫差的主要措施有：降低混凝土入倉溫度、降低混凝土水化熱、混凝土外部保溫以及混凝土內部降溫。
（圖為三峽大壩）
現代建筑中時常涉及到大體積混凝土施工，如高層樓房基礎、大型設備基礎、水利大壩、水庫、船閘、路橋隧道等。它的主要特點就是體積大，一般實體最小尺寸大于或等于1m它的表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部溫升比較快。混凝土內外溫差比較大時，會使混凝土產生溫度裂縫，影響結構安全和正常使用。必須從根本上分析它，來保證施工的質量。
1、什么是大體積混凝土
所謂大體積混凝土，一般是指實體截面最小尺寸大于或等于1m的混凝土。這種混凝土結構表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部溫升比較快，當混凝土內外溫差比較大時，混凝土容易產生溫度裂縫，影響結構安全和正常使用。日本建筑協會標準（JASS5）規定：“結構斷面厚度在80cm以上，同時水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界氣溫之差超過25攝氏度的混凝土，稱為大體積混凝土。”美國混凝土協會（ACI）規定：“任意體量的混凝土，其尺寸大到足以必須采取措施減小由體積變形引起的裂縫時即可稱作大體積混凝土。”業界一般認為，當混凝土內外溫差預計將超過25攝氏度時，必須采取一定的措施來防止溫度裂縫的產生。這就是大體積混凝土溫度控制的意義所在。
眾所周知，混凝土雖然具有較強的抗壓性能但其抗拉性能非常差，必須要配置鋼筋才能具有較強的抗拉、抗折、抗剪性能。混凝土裂縫作為一種施工質量通病嚴重的影響著鋼筋混凝土結構的壽命，因為鋼筋只有完全埋藏在混凝土保護層中才能避免被水和氧氣等其他化學介質侵蝕。
展開 大體積混凝土裂縫難防治？是因為這些細節！
大體積混凝土減少裂縫措施
減少大體積混凝土裂縫一要盡量減少水泥水化熱，二是控制大體積混凝土溫差：
減少大體積混凝土水化熱的措施
(1) 充分利用混凝土的后期強度，減少每立方米混凝土中水泥量。
(2) 使用粗骨料，盡量選用粒徑較大、級配良好的粗細骨料；控制砂石含泥量；摻加粉煤灰等摻合料或摻加相應的減水劑、緩凝劑，改善和易性、降低水灰比，以達到減少水泥用量、降低水化熱的目的。
(3) 在拌合混凝土時，還可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土得到補償收縮，減少混凝土的溫度應力。
控制大體積混凝土溫差的措施
(1) 在混凝土入模時，采取措施改善和加強模內的通風，加速模內熱量的散發。
(2) 選用低水化熱或中水化熱的水泥品種配制混凝土。水泥入罐溫度≤60℃，采用加冰或冷水拌合混凝土，對骨料進行水冷、風冷、真空氣化冷卻等方式預冷。
(3) 混凝土澆筑后，做好混凝土的保溫保濕養護，緩緩降溫，充分發揮徐變特性；減低溫度應力，夏季注意避免曝曬，注意保濕，溫度較低時采取措施保溫覆蓋，以免發生急劇的溫度梯度發生。
展開 如何識別六大常見混凝土裂縫？
??????點擊下方圖片查看詳情
2
塑性收縮（干縮）裂縫
一般多在混凝土澆注后，還處于塑性狀態時，由于天氣炎熱、蒸發量大、大風或混凝土本身水化熱高等原因，而產生裂縫。
裂縫一般特征：一般有兩種形狀：一種為不規則龜紋狀或放射狀裂縫；另一種為每隔一段距離出現一條裂縫；有時上述兩類裂縫同時在混凝土構件上出現。
3
溫度裂縫
一般是由于外界溫度變化，使混凝土產生脹縮變形，這種變形即為溫度變化，當混凝土構件受到約束時，將在混凝土構件內產生應力，當由此產生的混凝土內部的拉應力超過混凝土抗拉強度極限值時，混凝土便產生溫度裂縫。
裂縫一般特征：溫度裂縫，由于與溫度場分布、溫差大小，約束程度以及結構構件的類型不同，其溫度裂縫的形狀和發生的部位，都有較大的差異，同時，隨時間的推移，溫度裂縫還會逐漸開展，甚至惡化。溫度裂縫是混凝土裂縫中較為復雜的一類。
4
水化熱裂縫
一般多在大體積混凝土或高強混凝土施工過程中，由于混凝土水化熱很高土內部溫度與混凝土表面溫度以及外部環境溫度相差較大，加之有約束的存在水化熱裂縫。
裂縫一般特征：有表層裂縫、內部裂縫、底層裂縫、貫穿裂縫、非貫穿裂縫和轉角、截面突變部位及孔洞角部的熱應力集中裂縫等類型。就其裂縫形狀而言，有龜裂縫或放射狀裂縫、水平裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫等。
5
地基沉陷裂縫
一般情況下，當混凝土結構主體和基礎剛度較大時，其抵抗地基沉陷的能力還是較強的。但是地基處理不滿足規范要求時，特別是在嚴重濕陷性黃土、凍脹土、膨脹土、鹽漬土、軟弱土等不良場地，仍時常產生地基沉陷（膨脹）裂縫。
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『分享』Midas/Civil用戶指南(第一分冊)《使用指南》  
/ 110
其它建模功能 / 113
導入/導出功能 / 113
模型合并功能 / 115
MCT命令窗口 / 115
查看輸入結果 / 116
顯示及顯示選項 / 117
項目輸入狀況 / 119
查詢節點 / 120
查詢單元 / 121
節點詳細表格 / 122
單元詳細表格 / 123
質量統計表格 / 124
分析 125
有限元 / 125
分析功能 / 127
靜力分析 / 131
施工階段分析 / 132
水化熱分析 / 134
特征值分析 / 137
反應譜分析 / 137
時程分析 / 138
屈曲分析 / 139
P-Delta分析 / 139
大位移分析 / 139
邊界非線性動力分析 / 139
自動考慮橋梁支座沉降的分析 / 142
考慮聯合梁橋組合前后截面特性變化的分析 / 142
查看分析結果 143
模式的轉換 / 141
荷載組合及最大/最小值的查尋 / 141
分析結果的組合 /141
查看分析結果 / 143
后處理功能的使用步驟 / 147
后處理功能的種類 / 154
制作動畫 / 166
通過表格查看 / 166
查看施工階段分析結果 / 171
橋梁主梁應力圖 / 171
階段/步驟時程圖形 / 172
鋼束張力損失圖 / 175
鋼束坐標表格 / 175
鋼束延伸率表格 / 176
懸臂法預拱度 / 177
查看水化熱分析結果 / 178
輸出 181
輸出文本 / 181
打印 /186
頁面設置 / 186
設置打印顏色 / 188
文本編輯器 189
文本編輯器的主要功能 / 189
使用文本編輯器打印文件 / 190
選擇字體的種類和大小 /190
區分打印頁面 / 190
插入頁眉和頁腳 / 191
設定頁面 / 192
打印預覽 /192
圖形編輯器 195
圖形編輯器的主要功能 / 195
使用方法 / 196
展開 揭秘世界建筑奇跡背后的混凝土黑科技！
大體積混凝土最典型的特征是由于水泥水化時會釋放出大量的水化熱，從而會使混凝土產生出較大溫度應變，同時由于混凝土性能的特點產生收縮變形，當這部分應變受到約束產生的應力超出混凝土的承載極限時，便會造成混凝土開裂，隨著裂縫的出現，混凝土結構的整體性、耐久性和防水抗滲性必然會受到嚴重影響。所以，在大體積混凝土施工時，必須采取有效地措施防止裂縫的產生。
圖 4 應用 COMSOL Multiphysics 進行模擬的結果
混凝土在水化反應中逐漸硬化，期間伴隨著溫度的升高，而溫度的變化過程會對混凝土早期和后期的開裂產生重要影響。設計優化的一個重要目的是控制水化過程的最高溫度、里表溫差和表外溫差，降低損傷概率。
中建八局對大體積混凝土施工方案制定的工作流程為：首先對材料進行溫升實驗，對參數進行擬合，然后應用 COMSOL 軟件進行仿真，根據仿真結果采用足尺實驗修正模型，最后進行施工方案設計。
王進博士根據足尺實驗創建了一個等尺寸模型，應用 COMSOL 軟件進行建模分析，希望能夠通過仿真結果來指導施工方案，更加科學地控制混凝土質量。王進博士總結道：“通過對不同混凝土水化熱模型和大體積混凝土早期溫度變化的仿真，能夠給大體積混凝土相關的投標、設計和施工方案優化提供依據。”王進博士通過建立水化熱模型，模擬實際的散熱條件，優化配合比，得到不同的水化熱模型下水化度參數和溫度隨時間的演化過程。他表示，下一步計劃是通過更多的實驗數據可以來驗證和修正模型，并依據仿真結果優化施工過程，尤其是養護過程；通過和濕度場、應變場的耦合，可以建立起可靠的混凝土早期變形預測模型。
建筑工程中由于涉及到的尺寸較大，現場工況復雜，通過實驗來進行優化設計的成本很高，實現難度也很大。中建八局通過仿真模擬降低了前期設計優化的成本，提高了施工的安全可靠性。
展開 混凝土質量通病防治實施方案
在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發，表面引起相當大的拉應力，此時表面溫度亦較氣溫為高，此時拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應力，與水化熱應力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應力達到很大的數值，就有導致裂縫的危險，但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉等，對于防止混凝土表面產生過大的拉應力，具有顯著的效果。
為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。
（1）混凝土中存在大量毛細孔道，水蒸發后毛細管中產生毛細管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力，但會使混凝土強度降低。
（2）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水劑可使混凝土用水量減少25％。
（3）水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15％的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補充。
（4）減水劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少收縮變形。
（5）提高水泥漿與骨料的粘結力，提高的混凝土抗裂性能。
（6）混凝土在收縮時受到約束產生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水劑可有效的提高的混凝土抗拉強度，大幅提高混凝土的抗裂性能。
（7）摻加外加劑可使混凝土密實性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少收縮。
（8）摻減水劑后混凝土緩凝時間適當，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。
（9）摻外加劑混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發，減少干燥收縮。
許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經濟。
展開 混凝土質量通病防治實施方案
在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發，表面引起相當大的拉應力，此時表面溫度亦較氣溫為高，此時拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應力，與水化熱應力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應力達到很大的數值，就有導致裂縫的危險，但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉等，對于防止混凝土表面產生過大的拉應力，具有顯著的效果。
為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。
（1）混凝土中存在大量毛細孔道，水蒸發后毛細管中產生毛細管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力，但會使混凝土強度降低。
（2）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水劑可使混凝土用水量減少25％。
（3）水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15％的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補充。
（4）減水劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少收縮變形。
（5）提高水泥漿與骨料的粘結力，提高的混凝土抗裂性能。
（6）混凝土在收縮時受到約束產生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水劑可有效的提高的混凝土抗拉強度，大幅提高混凝土的抗裂性能。
（7）摻加外加劑可使混凝土密實性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少收縮。
（8）摻減水劑后混凝土緩凝時間適當，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。
（9）摻外加劑混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發，減少干燥收縮。
許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經濟。
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