CN110105086A - 一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层及其养护方法 - Google Patents

Abstract

一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层及其养护方法。在寒区冬季施工中，混凝土的养护措施耗能大且存在安全隐患，分析原因为缺乏预先指导措施，导致难以估算对不同厚度混凝土的养护时间的问题。本发明中混凝土养护层包括模板层、相变材料层和保温层，所述模板层的内壁贴紧有混凝土，模板层的外壁设置有相变材料层，相变材料层为通电蓄热的层体，相变材料层的外壁设置有保温层；本发明中的养护方法是在施工现场对混凝土进行养护，将处于模板层和保温层之间的相变材料层通过模板层对混凝土进行传热，相变材料层通过重复充放热的方式实现对混凝土持续供热养护过程。本发明用于寒区冬季现场施工中的混凝土养护。

Description

一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层及其养护方法

技术领域

本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层及其养护方法。

背景技术

在寒区冬季进行建筑施工中，对混凝土的养护极为困难，养护成本高，导致冬季可施工工期短，施工质量不稳定，在混凝土养护过程中，最大问题就是能够安全养护，由于现有对混凝土的养护方法，如构建外部加热法(电加热养护法、蒸汽养护法、暖棚法)需要高昂的费用，费工，去构建加热源不但涉及使用大量材料，需要的成本巨大，也存在较大安全隐患，尤其夜间加热养护，需要较多人工看护，实现起来极为低效且耗能。也是无法降低冬季施工成本的重要因素之一，在寒区冬季施工中是亟待解决的问题之一。

总之，施工现场混凝土的养护措施耗能大且存在安全隐患，因施工现场混凝土构件的结构尺寸不同，需要养护的混凝土的厚度不同，因缺乏预先指导措施，导致难以确定不同厚度混凝土对应的养护时间的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层及其养护方法，以解决在寒区冬季施工中，混凝土的养护措施耗能大且存在安全隐患，因缺乏预先指导措施，导致难以估算对不同厚度混凝土的养护时间的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层，它包括模板层、相变材料层和保温层，所述模板层的内壁贴紧有混凝土，模板层的外壁设置有相变材料层，相变材料层为通电蓄热的层体，相变材料层的外壁设置有保温层。

作为优选方案：相变材料层是由至少一个电热带和至少两个相变材料片交替复合形成的层体。

作为优选方案：相变材料层内设置有第一温度传感器，混凝土的端角处设置有第二温度传感器，混凝土的中心处设置有第三温度传感器。

作为优选方案：模板层为木模板层，保温层为挤塑苯板层、棉层或气泡膜层。

利用所述的一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层实现的养护方法，在施工现场对混凝土进行养护，将处于模板层和保温层之间的相变材料层通过模板层对混凝土进行传热，相变材料层通过重复充放热的方式实现对混凝土持续供热养护过程。

作为优选方案：该养护方法还包括养护时间的预先计算，即在混凝土养护操作前，依据结构设计要求的混凝土厚度，配合相变材料层厚度的试值计算得出相变材料层在一次充电后对混凝土维持5～35℃的养护时间，根据计算得出的养护时间评价在施工现场对相变材料层的充电时间点的安全性，调整并确定现场养护混凝土对应的相变材料层厚度，最后在施工现场对混凝土进行养护操作。

作为优选方案：养护时间的计算过程如下：

步骤一：计算相变材料层对混凝土在5～35℃的加热状态下的养护时间；

步骤二：确定养护时间值是否超过12个小时，当养护时间值低于12个小时时，表明施工现场对相变材料层的充电时间点难以处于白天的时间段，养护混凝土的过程具有安全隐患，需增加相变材料层的厚度值并重新对养护时间进行计算；当养护时间值超过12个小时，表明施工现场对相变材料层的充电时间点能够处于白天的时间段，避免夜间对相变材料层通电加热，养护混凝土的过程安全。

作为优选方案：利用相变材料层对混凝土在5～35℃的加热状态下的养护时间的计算过程如下：

步骤一：相变材料层通过通电升温达到相变点后断电，此时相变材料层处于对混凝土的充热状态，充热状态的持续时间为ΔT₁，通过计算得出相变材料层对混凝土的充热时间ΔT₁：

1)根据相变潜热ΔH以及相变材料层的质量mass_相变计算得到相变材料层的总热量Q₁，计算公式如下：

Q₁＝ΔH×mass_相变＝ΔH×ρ_相变×V_相变；

2)根据相变材料层的最高温度T＝35℃、混凝土蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w、模板层的热阻R₁以及保温层的热阻R₂，计算得到相变材料层向外传递的总热量Φ，计算公式如下：

其中δ₁为模板层的厚度，A₁为模板层与相变材料层的接触面积，λ₁为模板层的导热系数；δ₂为保温层的厚度，A₂为保温层与相变材料层的接触面积，λ₂为保温层的导热系数；

最后计算相变材料层处于充热状态的持续时间

步骤二：当相变材料层的温度降至相变点以下时，此时相变材料层的相变潜热全部释放，混凝土的温度在相变材料层的相变潜热的作用下达到相变材料层的最高温度T，此时相变材料层进入对混凝土的保温阶段，混凝土的温度下降至5℃所用时间为ΔT₂，通过吴震东公式计算得出相变材料层的充热时间ΔT₂；

1)根据模板层的厚度δ₁、模板层的导热系数λ₁、保温层的厚度δ₂、保温层的导热系数λ₂、相变材料层的厚度δ₃、相变材料层的导热系数λ₃以及透风因子常数计算得到混凝土的总传热系数k，计算公式如下：

2)根据混凝土的比热容C、混凝土的密度ρ、混凝土中水泥水化累积最终放热量Q₀和每立方米混凝土中水泥用量w计算得到混凝土的第一结构系数A，计算公式如下：

3)根据混凝土的第一结构系数A和混凝土的体积V计算得出混凝土表面结构系数M，计算公式如下：

4)根据透风系数α、总传热系数k、混凝土表面结构系数M、混凝土中水泥的水化放热系数m、混凝土中水泥水化累积最终放热量Q₀、混凝土中每立方米水泥用量w，计算得到混凝土的第二结构系数B，计算过程如下：

5)根据混凝土的第一结构系数A以及混凝土的第二结构系数B，分别计算得到混凝土的第三结构系数E和第四结构系数f，计算公式如下：

6)根据混凝土蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w以及混凝土的第三结构系数E，计算得到混凝土的第五结构系数D，计算公式如下：

D＝t₀-t_w+E

7)根据吴震东微分公式，带入初始边界条件t＝t₀、施工现场的环境温度t_w、混凝土中水泥的水化放热系数m、混凝土的第三结构系数E、第四结构系数f以及第五结构系数D、求解一阶线性非齐次微分方程，得到混凝土的内部温度随时间变化遵循函数关系：

在上式中，混凝土温度从t₀降至t所用的时间为ΔT₂；

根据关于ΔT₂的计算公式，绘制f(t，ΔT₂)函数图像，在函数图像中，确定t＝5℃时对应的ΔT₂值；

最终得出相变材料层一次通电后对混凝土的养护时间为ΔT₁+ΔT₂。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

一、本发明为一种利用相变材料制成的混凝土养护层，能够根据养护混凝土的尺寸计算得到养护层中相变材料层的设置厚度，使养护过程安全且节能，对现场施工过程中混凝土养护具有指导作用。

二、本发明在养护过程无需人工全程监督，整个养护进程中养护层能够使被养护的混凝土始终处于有效温度范围内，避免无效低温或高温出现而导致养护效果不连贯的缺陷，确保混凝土的各个位置养护均匀，确保混凝土养护后在冬季低温环境中具有优质抗压强度，有利于提高冬季施工的质量。

三、本发明中的养护方法能够合理计算出相变材料层一次充电后对混凝土持续有效的养护时间，便于合理确定模板层、相变材料层和保温层的厚度尺寸，节省养护成本和资源。因养护过程中需要对相变材料层进行不止一次的充电过程，本方法能够有效避免养护过程中在夜间对相变材料层进行充电的情况发生，降低夜间出现火灾的隐患的几率。

四、相变材料层中的相变材料为复合相变材料，其相变点较低，且潜热巨大，热性能良好，相变材料层通过重复充放热的方式使其相变潜热能对混凝土长时间加热。相变材料层通过放热使温度降至相变点之后，通过重新加热再次发生相变，储存巨大的潜热，作为一种可重复充放热的热电池来对混凝土进行养护。相变材料层的制备过程操作简单，适用于施工现场。相变材料层中的相变材料选取灵活，根据养护混凝土选择合适的相变材料，各种有机和无机相变材料均可对应使用。

五、本发明中的养护层在进行养护过程中无需借助其他复杂的机械结构，容易实现且便于移动，可多次重复利用。

六、相变材料层、模板层和保温层相结合形成养护层简单且养护效果均匀，养护层利用相变材料层对混凝土进行养护，还避免相变材料层与混凝土直接接触造成对混凝土耐久性的不利影响。

七、相变材料层中的相变材料相变潜热作为外热源对混凝土加热时，会使得混凝土内部温度在保持在相变点附近，温度值维持在5-35℃之间，从而使混凝土内部水泥较好的水化。同时相变材料层温度最高加热到35℃有效避免了现有直接电加热法在夜晚工人下班时无法控制温度，很容易引发火灾的弊端，本发明中的相变材料层为复合层体，选用具有阻燃效果的成分组成相变材料，能够增强相变材料的使用安全性，同时相变点温度较低，其巨大的相变潜热一方面能够实现对混凝土持续加热，另一方面还能够防止温度过高带来的火灾风险的发生。

附图说明

图1是在本发明养护装置中各个温度传感器分布位置的立体结构示意图；

图2是本发明养护层的立体结构示意图；

图3是为实施例一中养护温度随养护时间变化的曲线图；

图4是为实施例二中养护温度随养护时间变化的曲线图；

图中，1-模板层；2-相变材料层；3-保温层；4-混凝土；7-第一温度传感器；8-第二温度传感器；9-第三温度传感器；10-测温仪；2-1-电热带；2-2-相变材料片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中的养护层包括模板层1、相变材料层2和保温层3，所述模板层1的内壁贴紧有混凝土4，模板层1的外壁设置有相变材料层2，相变材料层2为通电蓄热的层体，相变材料层2的外壁设置有保温层3。模板层1、相变材料层2和保温层3的布置顺序为有内至外依次设置。模板层1为木模板，自身温度下降较慢，适于养护。保温层3为挤塑苯板、棉被、气泡膜或其他市场销售的各种保温材料制成的层体。

进一步的，相变材料层2是由至少一个电热带2-1和至少两个相变材料片2-2交替复合形成的层体。当电热带2-1的个数为一个，相变材料片2-2的个数为两个时，两个相变材料片2-2之间夹持有电热带2-1，当电热带2-1的个数为多个，相变材料片2-2的个数为多个时，电热带2-1和相变材料片2-2交替设置，确保相邻的两个相变材料片2-2之间设置有一个电热带2-1。电热带2-1为现有产品，其能够实现通电加热的效果，其通电加热的工作过程与现有电热带的工作过程相同。电热带2-1为相变材料片2-2提供热源。

如图1所示，相变材料层2内设置有第一温度传感器7，第一温度传感器7的最佳设置位置为相变材料层2的端角处，混凝土4的表面或浅层处设置有第二温度传感器8，混凝土4浅层处指的是混凝土4的浅表层，其距离混凝土表面2～20cm，第二传感器8的最优设置位置为混凝土4的端角处，混凝土4的中心处设置有第三温度传感器9。第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9配合设置有测温仪10，第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9分别与测温仪10相连接，各个温度传感器7与测温仪10相配合的过程与现有技术相同。

如图2所示，图中示意了模板层1、相变材料层2、保温层3和混凝土4之间相对位置以及模板层1、相变材料层2、保温层3和混凝土4设置厚度的关系。模板层1最优选取为木模板，其厚度为2cm，根据混凝土4、模板框以及保温层3的比热熔、导热系数、初始温度和密度，相变材料的导热系数、温度和相对焓值后，结合寒区冬季施工中对混凝土养护时间值和养护温度值通过计算能够得到相变材料层2设置厚度，相变材料层2的设置厚度为木模板的两倍以上。保温层3的厚度与木模板的厚度相等或比木模板厚度小1cm，该厚度设置既起到保温效果，维持相变材料层2产生的热量不扩散浪费，还确保了保温材料的用量，减少浪费。

进一步的，混凝土4选用的为C60混凝土，尺寸为400mm×400mm×120mm。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，制备相变材料，将其填充在模板层1和保温层3之间与电热带2-2相配合形成相变材料层2，在混凝土施工时预埋温度传感器，相变材料层2通过模板层1实现对混凝土4的间接传热，相变材料层2通过重复充放热的方式实现对混凝土4持续供热的养护过程。相变材料层2的制备过程如下：

将水合盐、细粒珍珠岩、粗粒珍珠岩和高吸水树脂按照质量份数比为1：0.1：0.02：0.0187进行混合，混合顺序为先将水合盐、细粒珍珠岩和粗粒珍珠岩按照质量份数比为1：0.1：0.02进行干拌均匀形成混合物，搅拌的同时对混合物进行水浴加热，使混合物加热至相变融化，再称量高吸水树脂均匀撒在混合物的表面并继续搅拌加热，直至混合物形成果冻状胶体时停止搅拌。

具体实施方式三：本实施方式中的养护方法为在施工现场对混凝土进行养护，将处于模板层1和保温层3之间的相变材料层2通过模板层1对混凝土4进行传热，相变材料层2通过重复充放热的方式实现对混凝土4持续供热养护过程。

对混凝土养护操作前，先进行养护时间的计算，依据结构设计要求的混凝土4厚度，配合相变材料层2厚度的试值计算得出相变材料层2在一次充电后对混凝土4维持5～35℃的养护时间，根据计算得出的养护时间评价在施工现场对相变材料层2的充电时间点的安全性，在安全范围内，调整并最终确定现场养护混凝土4对应的相变材料层2厚度，最后在施工现场进行混凝土的养护操作。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式三的进一步限定，利用相变材料层2对混凝土4在5～35℃的加热状态下的养护时间的计算过程如下：

步骤一：计算相变材料层2对混凝土4在5～35℃的加热状态下的养护时间，本发明中养护时间的计算不包括对相变材料层2的充电时间，是计算相变材料层2充电后能够维持的养护时间，该养护时间的计算分为两个阶段分别进行计算：

第一阶段：相变材料层2通过通电升温达到相变点后断电，此时相变材料层2处于对混凝土4的充热状态，充热状态的持续时间为ΔT₁，通过计算得出相变材料层2对混凝土4的充热时间ΔT₁：

1)根据相变潜热ΔH以及相变材料层2的质量mass_相变计算得到相变材料层2的总热量Q₁，计算公式如下：

Q₁＝ΔH×mass_相变＝ΔH×ρ_相变×V_相变；

相变潜热ΔH由具体选取的相变材料即可获取，相变材料层2的质量mass_相变根据相变材料的密度和体积计算得出，根据养护层中相变材料层2的设计尺寸要求即可获取。

2)根据相变材料层2的最高温度T＝35℃、混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w、模板层1的热阻R₁以及保温层3的热阻R₂，计算得到相变材料层2向外传递的总热量Φ，计算公式如下：

其中δ₁为模板层1的厚度，A₁为模板层1与相变材料层2的接触面积，λ₁为模板层1的导热系数；δ₂为保温层3的厚度，A₂为保温层3与相变材料层2的接触面积，λ₂为保温层3的导热系数；

最后计算相变材料层2处于充热状态的持续时间

上述计算过程前，施工现场的环境温度t_w通过现场测量即可获取，混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀根据混凝土养护常识即可获取，模板层1和保温层3的厚度、接触面积以及导热系数根据养护设计要求即可获知。

第二阶段：当相变材料层2的温度降至相变点以下时，此时相变材料层2的相变潜热全部释放，混凝土4的温度在相变材料层2的相变潜热的作用下达到相变材料层2的最高温度T，此时相变材料层2进入对混凝土4的保温阶段，混凝土4的温度下降至5℃所用时间为ΔT₂，通过计算得出相变材料层2的充热时间ΔT₂；

1)根据模板层1的厚度δ₁、模板层1的导热系数λ₁、保温层3的厚度δ₂、保温层3的导热系数λ₂、相变材料层2的厚度δ₃、相变材料层2的导热系数λ₃以及透风因子常数计算得到混凝土4的总传热系数k，计算公式如下：

上述过程中透风因子常数的取值范围为0.3至0.5，根据施工现场的风速大小进行对应选取即可，其选取过程为常识操作过程。

2)根据混凝土4的比热容C、混凝土4的密度ρ、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀和每立方米混凝土4中水泥用量w计算得到混凝土4的第一结构系数A，计算公式如下：

根据需要养护的混凝土4标号，即可获知混凝土4的比热容C、混凝土4的密度ρ、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀和每立方米混凝土4中水泥用量w。

3)根据混凝土4的第一结构系数A和混凝土4的体积V计算得出混凝土4表面结构系数M，计算公式如下：

混凝土4的体积V根据结构设计要求即可计算得出需要养护的混凝土4的厚度，与模板层1的接触面积并计算出需要养护的混凝土4的体积。

4)根据透风系数α、总传热系数k、混凝土4表面结构系数M、混凝土4中水泥的水化放热系数m、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀、混凝土4中每立方米水泥用量w，计算得到混凝土4的第二结构系数B，计算过程如下：

透风系数α为常数，通过本领域公开的透风系数值即可获取，根据需要养护的混凝土4标号，即可获知混凝土4中水泥的水化放热系数m、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀以及每立方米混凝土4中水泥用量w。

5)根据混凝土4的第一结构系数A以及混凝土4的第二结构系数B，分别计算得到混凝土4的第三结构系数E和第四结构系数f，计算公式如下：

6)根据混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w以及混凝土4的第三结构系数E，计算得到混凝土4的第五结构系数D，计算公式如下：

D＝t₀-t_w+E

7)根据吴震东微分公式，带入初始边界条件t＝t₀、施工现场的环境温度t_w、混凝土4中水泥的水化放热系数m、混凝土4的第三结构系数E、第四结构系数f以及第五结构系数D、求解一阶线性非齐次微分方程，得到混凝土4的内部温度随时间变化遵循函数关系：

在上式中，混凝土4温度从t₀降至t所用的时间为ΔT₂；

根据关于ΔT₂的计算公式，绘制f(t，ΔT₂)函数图像，在函数图像中，确定t＝5℃时对应的ΔT₂值；

最终得出相变材料层2一次通电后对混凝土4的养护时间为ΔT₁+ΔT₂。

步骤二：确定养护时间ΔT₁+ΔT₂是否超过12个小时，当养护时间值低于12个小时时，表明施工现场对相变材料层2的充电时间点难以处于白天的时间段，养护混凝土4的过程具有安全隐患，需增加相变材料层2的厚度值并重新对养护时间进行计算；当养护时间ΔT₁+ΔT₂超过12个小时，表明施工现场对相变材料层2的充电时间点能够处于白天的时间段，避免夜间对相变材料层2进行充电，养护混凝土4的过程安全；当养护时间ΔT₁+ΔT₂远远超出12个小时，为36个小时以上，表明施工现场对相变材料层2的充电时间点能够处于白天的时间段，避免夜间对相变材料层2进行充电，养护混凝土4的过程安全，但此时可适当减少相变材料层2的设置厚度，以便实现节省养护成本，达到节能减排的养护效果。12小时作为评价是否安全的临界时间值是根据一天24小时内夜间出现的时间而最终确定的夜晚持续的平均值。

上述养护时间的计算为预先计算，便于养护之前进行的预先指导步骤，实现对养护时间进行提前验证的过程，有利于工作人员掌握养护时间，并在具体养护操作中采取在合理时段内对相变材料层2进行通电，具有安全指导意义。

本发明中的方法计算的前提为模板层1、相变材料层2、保温层3和混凝土4的接触面积相等，四者的都是等面积排列对应的关系下进行计算，符合本发明养护层结构的设置特点。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式三或四的进一步限定，本实施方式中的养护方法的具体操作过程如下：

当计算完毕养护时间后，利用在养护时间计算过程中的模板层1的尺寸、相变材料层2的尺寸和保温层3的尺寸在施工现场组装相变蓄热养护层并实现对混凝土4的养护，具体操作过程如下步骤：

步骤一：在模板层1的一侧和保温层3之间为相变材料层2预留空间，并在预留空间内铺设电热带2-1，制备复合相变材料，将制备完毕的相变材料注入预留空间中，直至电热带2-1全部埋在复合相变材料中，从而形成相变材料层2；

步骤二：按照之前养护时间计算过程中对应的混凝土4的厚度值进行混凝土4的浇筑过程，浇筑区域为模板层1的另一侧对应区域内；

在步骤二的操作过程中，还需要将第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9分别设置在各自对应的位置，设置位置能够确保相变材料层2的端角处设置有第一温度传感器7，混凝土4的端角处设置有第二温度传感器8，混凝土4的中心处设置有第三温度传感器9。将第一温度传感器7、第二温度传感器8和第三温度传感器9分别与温度记录仪10相连接，再浇筑混凝土4后，当第三温度传感器9检测到混凝土4内部温度降至5℃以下时，对电热带2-1进行加热，使其所处的相变材料层2的温度上升，对通过模板框对混凝土4进行养护，直至第一温度传感器7检测到的温度超出相变材料层2相变点1～2℃时停止对相变材料层2加热，加热的最高温度为35℃，利用相变材料层2的相变潜热持续对混凝土4进行养护，当第三温度传感器9检测到混凝土4内部温度降至5℃以下时，再次电热带2-1对相变材料层2内的相变材料再次进行加热，周而复始，形成相变材料层2通过重复充放热的方式实现对混凝土4持续供热养护过程。

本发明通过在施工现场试验可知，本发明适用于混凝土冬季施工的养护，尤其适用于-15～-30℃的极低温度环境中，以能够适用于寒区冬季的较长时间，延长了在寒区冬季可施工的天数，且在低温施工中对混凝土的养护效果更为均匀显著，确保施工质量。结合本发明上述的优点说明以下实施例：

实施例一：选取Na₂SO₄·10H₂O作为相变材料，其相变点为35℃，相变潜热为220kJ/kg，当施工现场的环境温度为-15℃时，根据设计人员提供的结构设计要求，需要养护的混凝土4的初始温度为15℃，混凝土4为C60混凝土；

1)根据相变潜热ΔH以及相变材料层2的质量mass_相变计算得到相变材料层2的总热量Q₁，计算公式如下：

Q₁＝ΔH×mass_相变＝ΔH×ρ_相变×V_相变＝220×(0.52×0.52×0.24-0.44×0.44×0.16)×1000＝7446kJ

2)根据相变材料层2的最高温度T＝35℃、混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w、模板层1的热阻R₁以及保温层3的热阻R₂，计算得到相变材料层2向外传递的总热量Φ，计算公式如下：

选用木模板作为模板层1，其厚度δ₁为0.02m，模板层1与相变材料层2的接触面积A₁为0.588m²，模板层1的导热系数λ₁为0.13w/m·k，从而根据得出，

选用常规挤塑苯板作为保温层3，其厚度δ₂为0.015m，保温层3与相变材料层2的接触面积A₂为1.04m²，保温层3的导热系数λ₂为0.02w/m·k，从而根据得出，

最后计算相变材料层2处于充热状态的持续时间

第二阶段：当相变材料层2的温度降至相变点以下时，此时相变材料层2的相变潜热全部释放，混凝土4的温度在相变材料层2的相变潜热的作用下达到相变材料层2的最高温度T＝35℃，此时相变材料层2进入对混凝土4的保温阶段，混凝土4的温度下降至5℃所用时间为ΔT₂，通过计算得出相变材料层2的充热时间ΔT₂；

1)根据模板层1的厚度δ₁、模板层1的导热系数λ₁、保温层3的厚度δ₂、保温层3的导热系数λ₂、相变材料层2的厚度δ₃、相变材料层2的导热系数λ₃以及透风因子常数计算得到混凝土4的总传热系数k，计算公式如下：

2)根据混凝土4的比热容C＝0.97kJ/kg·k、混凝土4的密度ρ＝2500kg/m³、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀＝310kJ/kg和每立方米混凝土4中水泥用量w＝380kg/m³，最后计算得到混凝土4的第一结构系数A，计算公式如下：

3)根据混凝土4的第一结构系数A和混凝土4的体积V计算得出混凝土4表面结构系数M，计算公式如下：

4)根据透风系数α、总传热系数k、混凝土4表面结构系数M、混凝土4中水泥的水化放热速度系数m＝0.013/h、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀＝310kJ/kg、混凝土4中每立方米水泥用量w＝380kg/m³，计算得到混凝土4的第二结构系数B，计算过程如下：

5)根据混凝土4的第一结构系数A以及混凝土4的第二结构系数B，分别计算得到混凝土4的第三结构系数E和第四结构系数f，计算公式如下：

6)根据混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w以及混凝土4的第三结构系数E，计算得到混凝土4的第五结构系数D，计算公式如下：

D＝t₀-t_w+E＝36.3

7)根据吴震东微分公式，带入初始边界条件t＝t₀、施工现场的环境温度t_w、混凝土4中水泥的水化放热系数m、混凝土4的第三结构系数E、第四结构系数f以及第五结构系数D、求解一阶线性非齐次微分方程，得到混凝土4的内部温度随时间变化遵循函数关系：

绘制f(t,ΔT₂)函数图像，f(t,ΔT₂)函数图像如图3所示，图3为施工现场温度为-15℃时混凝土4处于降温阶段时，温度随时间的变化趋势；在函数图像中，确定t＝5℃时对应的ΔT₂＝22h；

最终得出相变材料层2一次充电后对混凝土4的养护时间为ΔT₁+ΔT₂＝9+22＝31h，表示选取Na₂SO₄·10H₂O作为相变材料形成的相变材料层2通过一次充电能够维持5～35℃的养护时间为31个小时，超出12小时，具有二次充电能够落入白天的充电优势，具备安全养护的特点，可按照上述数据在施工现场进行具体实施。

实施例二：选取Na₂SO₄·10H₂O作为相变材料，其相变点为35℃，相变潜热为220kJ/kg，当施工现场的环境温度为-30℃时，根据设计院提供的结构设计要求，需要养护的混凝土4的初始温度为15℃，混凝土4为C60混凝土；

1)根据相变潜热ΔH以及相变材料层2的质量mass_相变计算得到相变材料层2的总热量Q₁，计算公式如下：

Q₁＝ΔH×mass_相变＝ΔH×ρ_相变×V_相变＝220×(0.52×0.52×0.24-0.44×0.44×0.16)×1000＝7446kJ

2)根据相变材料层2的最高温度T＝35℃、混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w、模板层1的热阻R₁以及保温层3的热阻R₂，计算得到相变材料层2向外传递的总热量Φ，计算公式如下：

选用木模板作为模板层1，其厚度δ₁为0.02m，模板层1与相变材料层2的接触面积A₁为0.588m²，模板层1的导热系数λ₁为0.13w/m·k，从而根据得出，

选用常规挤塑苯板作为保温层3，其厚度δ₂为0.015m，保温层3与相变材料层2的接触面积A₂为1.04m²，保温层3的导热系数λ₂为0.02w/m·k，从而根据得出，

最后计算相变材料层2处于充热状态的持续时间

第二阶段：当相变材料层2的温度降至相变点以下时，此时相变材料层2的相变潜热全部释放，混凝土4的温度在相变材料层2的相变潜热的作用下达到相变材料层2的最高温度T＝35℃，此时相变材料层2进入对混凝土4的保温阶段，混凝土4的温度下降至5℃所用时间为ΔT₂，通过计算得出相变材料层2的充热时间ΔT₂，

1)根据模板层1的厚度δ₁、模板层1的导热系数λ₁、保温层3的厚度δ₂、保温层3的导热系数λ₂、相变材料层2的厚度δ₃、相变材料层2的导热系数λ₃以及透风因子常数计算得到混凝土4的总传热系数k，计算公式如下：

2)根据混凝土4的比热容C＝0.97kJ/kg·k、混凝土4的密度ρ＝2500kg/m³、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀＝310kJ/kg和每立方米混凝土4中水泥用量w＝380kg/m³，最后计算得到混凝土4的第一结构系数A，计算公式如下：

3)根据混凝土4的第一结构系数A和混凝土4的体积V计算得出混凝土4表面结构系数M，计算公式如下：

4)根据透风系数α、总传热系数k、混凝土4表面结构系数M、混凝土4中水泥的水化放热速度系数m＝0.013/h、混凝土4中水泥水化累积最终放热量Q₀＝310kJ/kg、混凝土4中每立方米水泥用量w＝380kg/m³，计算得到混凝土4的第二结构系数B，计算过程如下：

5)根据混凝土4的第一结构系数A以及混凝土4的第二结构系数B，分别计算得到混凝土4的第三结构系数E和第四结构系数f，计算公式如下：

6)根据混凝土4的蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w以及混凝土4的第三结构系数E，计算得到混凝土4的第五结构系数D，计算公式如下：

D＝t₀-t_w+E＝51.3

7)根据吴震东微分公式，带入初始边界条件t＝t₀、施工现场的环境温度t_w、混凝土4中水泥的水化放热系数m、混凝土4的第三结构系数E、第四结构系数f以及第五结构系数D、求解一阶线性非齐次微分方程，得到混凝土4的内部温度随时间变化遵循函数关系：

绘制f(t,ΔT₂)函数图像，f(t,ΔT₂)函数图像如图4所示，图4为施工现场温度为-30℃时混凝土4处于降温阶段时，温度随时间的变化趋势，确定t＝5℃时对应的ΔT₂＝13h；

最终得出相变材料层2一次充电后对混凝土4的养护时间为ΔT₁+ΔT₂＝8.76+13＝21.76h，表示选取Na₂SO₄·10H₂O作为相变材料形成的相变材料层2通过一次充电能够维持5～35℃的养护时间为21.76个小时，超出12小时，具有二次充电能够落入白天的充电优势，具备安全养护的特点，可按照上述数据在施工现场进行具体实施。

实施例三：按照实施例一或实施例二的计算过程，当相变材料层2的厚度为4cm的情况下，一次充热完成后，相变材料层2能够使得混凝土在27个小时内温度保持在5℃以上，符合混凝土4的养护时间和养护温度的要求。

实施例四：本发明经过样品测试可知，在冬季施工中，室外温度低于-15℃，第一天先对相变材料层2进行加热，加热时间为3至4小时，然后在模板框内浇筑混凝土4(时间为第一天上午九时)，到第二天下午二点，第二温度传感器8检测到混凝土4的边角温度降至5℃，再次启动相变材料层2进行充热，充热至第二天下午六点，相变材料层2再次充满热，停止对相变材料层2充热，至第三天凌晨六点，混凝土角落温度再次降至5℃，至此不在重复加热，直至三天龄期即可，有效避免夜间充电的隐患，整个过程实现通过相变材料层2对混凝土4的持续加热，从而使相变材料层2实现对混凝土4多天无间断的处于恒温范围内的养护过程，说明本发明相对于现有全天式加热的养护方式，具有加热时间短、热能利用率高、耗能少的特点，符合节能减排的要求。上述实施例说明本发明操作的安全可靠性，对现场不同厚度混凝土的养护工作具有指导意义。

Claims (8)

1.一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层，其特征在于：它包括模板层(1)、相变材料层(2)和保温层(3)，所述模板层(1)的内壁贴紧有混凝土(4)，模板层(1)的外壁设置有相变材料层(2)，相变材料层(2)为通电蓄热的层体，相变材料层(2)的外壁设置有保温层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层，其特征在于：相变材料层(2)是由至少一个电热带(2-1)和至少两个相变材料片(2-2)交替复合形成的层体。

3.根据权利要求1所述的一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层，其特征在于：相变材料层(2)内设置有第一温度传感器(7)，混凝土(4)的端角处设置有第二温度传感器(8)，混凝土(4)的中心处设置有第三温度传感器(9)。

4.根据权利要求1所述的一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层，其特征在于：模板层(1)为木模板层，保温层(3)为挤塑苯板层、棉层或气泡膜层。

5.利用权利要求1至4中任一项所述的一种寒区冬季施工的混凝土相变蓄热养护层实现的养护方法，其特征在于：在施工现场对混凝土进行养护，将处于模板层(1)和保温层(3)之间的相变材料层(2)通过模板层(1)对混凝土(4)进行传热，相变材料层(2)通过重复充放热的方式实现对混凝土(4)持续供热养护过程。

6.根据权利要求5所述的养护方法，其特征在于：该养护方法还包括养护时间的预先计算，即在混凝土养护操作前，依据结构设计要求的混凝土(4)厚度，配合相变材料层(2)厚度的试值计算得出相变材料层(2)在一次充电后对混凝土(4)维持5～35℃的养护时间，根据计算得出的养护时间评价在施工现场对相变材料层(2)的充电时间点的安全性，调整并确定现场养护混凝土(4)对应的相变材料层(2)厚度，最后在施工现场对混凝土进行养护操作。

7.根据权利要求6所述的养护方法，其特征在于：养护时间的计算过程如下：

步骤一：计算相变材料层(2)对混凝土(4)在5～35℃的加热状态下的养护时间；

步骤二：确定养护时间值是否超过12个小时，当养护时间值低于12个小时时，表明施工现场对相变材料层(2)的充电时间点难以处于白天的时间段，养护混凝土(4)的过程具有安全隐患，需增加相变材料层(2)的厚度值并重新对养护时间进行计算；当养护时间值超过12个小时，表明施工现场对相变材料层(2)的充电时间点能够处于白天的时间段，避免夜间对相变材料层(2)通电加热，养护混凝土(4)的过程安全。

8.根据权利要求7所述的养护方法，其特征在于：利用相变材料层(2)对混凝土(4)在5～35℃的加热状态下的养护时间的计算过程如下：

步骤一：相变材料层(2)通过通电升温达到相变点后断电，此时相变材料层(2)处于对混凝土(4)的充热状态，充热状态的持续时间为ΔT₁，通过计算得出相变材料层(2)对混凝土(4)的充热时间ΔT₁：

1)根据相变潜热ΔH以及相变材料层(2)的质量mass_相变计算得到相变材料层(2)的总热量Q₁，计算公式如下：

Q₁＝ΔH×mass_相变＝ΔH×ρ_相变×V_相变；

2)根据相变材料层(2)的最高温度T＝35℃、混凝土(4)蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w、模板层(1)的热阻R₁以及保温层(3)的热阻R₂，计算得到相变材料层(2)向外传递的总热量Φ，计算公式如下：

其中δ₁为模板层(1)的厚度，A₁为模板层(1)与相变材料层(2)的接触面积，λ₁为模板层(1)的导热系数；δ₂为保温层(3)的厚度，A₂为保温层(3)与相变材料层(2)的接触面积，λ₂为保温层(3)的导热系数；

最后计算相变材料层(2)处于充热状态的持续时间

步骤二：当相变材料层(2)的温度降至相变点以下时，此时相变材料层(2)的相变潜热全部释放，混凝土(4)的温度在相变材料层(2)的相变潜热的作用下达到相变材料层(2)的最高温度T，此时相变材料层(2)进入对混凝土(4)的保温阶段，混凝土(4)的温度下降至5℃所用时间为ΔT₂，通过吴震东公式计算得出相变材料层(2)的充热时间ΔT₂；

1)根据模板层(1)的厚度δ₁、模板层(1)的导热系数λ₁、保温层(3)的厚度δ₂、保温层(3)的导热系数λ₂、相变材料层(2)的厚度δ₃、相变材料层(2)的导热系数λ₃以及透风因子常数计算得到混凝土(4)的总传热系数k，计算公式如下：

2)根据混凝土(4)的比热容C、混凝土(4)的密度ρ、混凝土(4)中水泥水化累积最终放热量Q₀和每立方米混凝土(4)中水泥用量w计算得到混凝土(4)的第一结构系数A，计算公式如下：

3)根据混凝土(4)的第一结构系数A和混凝土(4)的体积V计算得出混凝土(4)表面结构系数M，计算公式如下：

4)根据透风系数α、总传热系数k、混凝土(4)表面结构系数M、混凝土(4)中水泥的水化放热系数m、混凝土(4)中水泥水化累积最终放热量Q₀、混凝土(4)中每立方米水泥用量w，计算得到混凝土(4)的第二结构系数B，计算过程如下：

5)根据混凝土(4)的第一结构系数A以及混凝土(4)的第二结构系数B，分别计算得到混凝土(4)的第三结构系数E和第四结构系数f，计算公式如下：

6)根据混凝土(4)蓄热养护到0℃所用的时间t₀、施工现场的环境温度t_w以及混凝土(4)的第三结构系数E，计算得到混凝土(4)的第五结构系数D，计算公式如下：

D＝t₀-t_w+E

7)根据吴震东微分公式，带入初始边界条件t＝t₀、施工现场的环境温度t_w、混凝土(4)中水泥的水化放热系数m、混凝土(4)的第三结构系数E、第四结构系数f以及第五结构系数D、求解一阶线性非齐次微分方程，得到混凝土(4)的内部温度随时间变化遵循函数关系：

在上式中，混凝土(4)温度从t₀降至t所用的时间为ΔT₂；

根据关于ΔT₂的计算公式，绘制f(t，ΔT₂)函数图像，在函数图像中，确定t＝5℃时对应的ΔT₂值；

最终得出相变材料层(2)一次通电后对混凝土(4)的养护时间为ΔT₁+ΔT₂。