朱广祥， 李若冰， 乔国富， 薛广杰， 李壮贤， 黄雷涛

（1.黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；3.青岛科瑞新型环保材料集团有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

2020年9月22日，习总书记在第七十五届联合国大会上提出，我国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，在2060年前实现碳中和。这一“双碳”目标的提出，再一次将节能减排推向学术界的热点话题。目前能源消耗巨大的形势下，研究出一种高效绿色的绝热材料是解决能源问题的迫切之需，真空绝热板技术由此应用而生［1-3］。真空绝热板的导热系数0.004W/（m·K），是一种保温性能卓越的轻质材料［4，5］。将真空绝热板应用于建筑保温领域，是降低建筑能耗并达成双碳目标最有潜力的努力方向［6］。

另一方面，在我国北方地区冬期施工的条件下，低温恶劣的环境不利于混凝土强度的持续增长，养护措施不得当极易导致混凝土表面产生冻胀开裂等问题。在低温环境中，保证混凝土的施工和养护温度，是提高混凝土结构安全性和耐久性的有利措施。真空绝热板作为保温与结构一体化的功能材料，对于混凝土构件在低温环境中的保温和养护具有重要的意义［7，8］。因此，文中主要研究与传统竹木模板的相比，真空绝热板在冬季施工条件下的保温效果，有利于真空绝热板在北方地区的应用和推广。

1 计算背景

文中主要研究在冬季施工的环境下，真空绝热板对墙体混凝土保温效果的影响。如图1所示，为混凝土墙体施工过程中的传热示意图。利用ANSYS有限元软件，对混凝土墙体水化热和外界低温共同作用下的温度场进行研究。所建立墙体的数值计算模型的尺寸为3m×3m×0.3m，通过与传统竹木模板的对比，初步验证真空绝热板在冬季负温环境下的保温效果。划分的有限元模型的网格尺寸为0.05m，单元数为21600。

图1 混凝土墙体施工过程中的传热示意图

2 理论模型的建立

2.1 温度场求解的内热源项

水泥水化放热为混凝土温度场计算的内热源项，考虑了混凝土自身温度和龄期对水化反应放热的综合影响，建立了基于等效龄期的绝热温升函数作为求解的内热源项。参考Arrhenius函数，考虑混凝土材料自身的温度对水化反应的影响，首先建立了等效龄期的函数表达式如式（1）所示。

式中，Tr为混凝土的参考温度，一般取20℃；T为Δt内的混凝土平均温度；Ea为普通水泥的活化能，J/mol；R为气体常数，R=83144J/（mol·K）。

基于上述混凝土的等效龄期，得出水化放热速率的函数表达如式（2）所示。墙体内各点施加对应等效龄期的水化放热速率，进而实现求解。

式中，q（te）为混凝土在等效龄期te下的水化放热速率。

2.2 温度场求解的定解条件

2.2.1 边界条件

按照第三类边界条件进行考虑，考虑混凝土在实际工程中养护的温度、墙体外模板及保温层的影响，建立了相应的热交换边界条件。

式中，kx，ky和kz分别表示混凝土在X，Y和Z3个方向的导热系数；T为混凝土单元的温度；Tamb为养护的温度；β为固体最外层自由表面的对流换热系数J/（m2·s·℃）；δi为混凝土外保温层的厚度；λi为混凝土外保温层的导热系数。

2.2.2 初始条件

选定浇筑混凝土的时刻为初始研究时刻，相应的混凝土的浇筑温度为温度场求解的初始条件。

式中，T0（x，y，z）为初始浇筑混凝土时，墙体内不同位置处混凝土的初始温度分布情况。

3 有限元模拟结果展示分析

如图2所示，分别选择以下关键点进行分析，选择墙体中心位置处的表层混凝土和芯部混凝土，分布记作测点（A1）和测点（A2）；墙体边缘处中心位置处记作测点（A3），墙体角部区域记作测点（A4）。提取上述四个测点的温度时间曲线进行分析。

图2 温度变化分析测点的选择（单位：m）

针对普通养护措施下，模拟了在0℃养护条件下混凝土温度场的分布和演化规律。针对有真空绝热板（VIP板）的保温措施下，依次模拟了在0、-10℃和-15℃养护温度下，混凝土墙体的温度场的分布和演化规律。具体模拟结果的展示和分析如图3所示。

图3 普通养护措施在0℃的温度时间历程曲线

3.1 养护温度为0℃的温度场分析

图3为普通养护措施下在0℃的养护温度条件下，墙体内四个关键点的温度时间历程曲线。由图3可得，各关键点的温度会迅速下降，其中墙体边角处温度下降最为迅速，在浇筑完混凝土后的100小时，A1、A2、A3和A4四个关键点的温度分别达到了2.5、2.9、1.8℃和1.1℃。在普通竹木模板的养护条件下，墙体的最低气温已经接近0℃，因此为了确保施工的质量，在传统施工条件下，外界气温不得低于0℃，否则容易引起混凝土冻涨，降低墙体工程的施工质量。

图4为含有VIP板在0℃的养护温度条件下，墙体内四个关键点的温度时间历程曲线。由图4可得，各关键点的温度会经历一个先增大后减小的变化趋势，在浇筑完混凝土后的50h，各测点的温度基本达到最大值，A1、A2、A3和A4四个关键点的最大温度分别达到了37.9、39.3、31.7℃和25.6℃。在浇筑完混凝土后的100h，各测点的温度基本保持在一个理想的状态，此刻A1、A2、A3和A4四个关键点的温度分别为23.8、24.6、19.5℃和15.6℃。通过在0℃的养护温度下进行对比，可以明显看出真空绝热板（VIP），可以在一定程度上确保冬期低温下混凝土的施工质量。

图4 带有VIP板在0℃的温度时间历程曲线

3.2 养护温度为-10℃的温度场分析

图5为含有VIP板在-10℃的养护温度条件下，墙体内四个关键点的温度时间历程曲线。由图5可得，各关键点的温度会经历一个先增大后减小的变化趋势，在浇筑完混凝土后的45h，各测点的温度基本达到最大值，A1、A2、A3和A4四个关键点的最大温度分别达到了29.5、30.8、22.2℃和15.7℃。在浇筑完混凝土后的100h，各测点的温度基本保持在一个理想的状态，此刻A1、A2、A3和A4四个关键点的温度分别为15.6、16.5、10.8℃和6.3℃。由此可见，在-10℃的外界环境下，采用含有VIP板的养护措施仍然可以保证墙体的施工质量。

图5 带有VIP板在-10℃的温度时间历程曲线

3.3 养护温度为-15℃的温度场分析

图6为含有VIP板在-15℃的养护温度条件下，墙体内四个关键点的温度时间历程曲线。由图6可得，A1、A2和A3关键点的温度会经历一个先增大后减小的变化趋势，在混凝土浇筑完41h，大部分的测点温度达到最大值，此刻A1、A2和A3关键点的最大温度分别为25.4、26.7℃和17.9℃。而A4关键点的温度基本呈现一个持续下降的趋势。在浇筑完混凝土后的100h，大部分区域的混凝土温度保持在一个理想的状态，此刻A1、A2、A3和A4四个关键点的温度分别为10.9、11.8、5.7℃和0.9℃，此刻A4关键点的温度几乎接近0℃。由此可见，在-15℃的外界环境下，采用含有VIP板的养护措施可以保证大部分的区域的混凝土满足冬季施工的质量要求，但是少数部分区域存在接近0℃的风险。

图6 带有VIP板在-15℃的温度时间历程曲线

4 结语

文中通过有限元模拟的方式，初步证实了真空绝热板在混凝土墙体冬期施工中具有良好的保温效果。模拟结果显示：在普通竹木模板施工的条件下，外界温度低于0℃将无法进行墙体的混凝土浇筑；而在含有真空绝热板（VIP板）的条件下施工，外界温度低于-15℃将无法进行墙体的混凝土浇筑。在0～15℃的外界环境下施工，含有真空绝热板的混凝土墙体，在浇筑完成100h，各点的均处于一个理想的温度状态。真空绝热板作为保温与结构一体化的功能材料，对于混凝土构件在低温环境中的保温和养护具有重要的意义。将真空绝热板应用于建筑保温领域，有利于降低北方地区的建筑能耗，并推动早期实现“双碳”目标。