| 标题 | 表面设置热反射涂层混凝土的吸收系数反演计算 |
| 范文 | 杨澍桔 程承 包琪 钟媛 摘要：为降低太阳热辐射对桥梁混凝土温度效应，提高桥梁混凝土耐久性，使用环氧树脂、热反射隔热功能颜（填）料，在实验室制备白色、红色及灰色三种太阳热反射涂料。采用有限差分法，按一维传导模型对不同颜色涂装混凝土在室外温度环境下进行表面吸收系数反演计算分析，并与未涂装混凝土对比分析研究。结果表明：涂刷白色涂层、红色涂层、灰色涂层的混凝土和未涂装的混凝土的太阳辐射吸收系数分别为0.22、0.26、0.35、0.55，最大温差依次为：白色9.8℃、红色7.8℃，灰色5.8℃。该结果为太阳热反射防护涂料在桥梁混应用技术的进一步研究与推广提供理论参考。 关键词：桥梁混凝土;热反射涂层;太阳热辐射吸收系数;反演计算 中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）02-0087-06 Inverse Calculation of Absorption Coefficient of Concrete?with Heat - Reflective Coating on Surface YANG Shuju?1， CHENG Cheng?2， BAO Qi?2， ZHONG Yuan?2 （1. Department of Highway Engineering Application Technology， Yunnan Traffic Technician College， Anning6503000;?2.College of Civil Engineering， Southwest Forestry University， Kunming 650224） Abstract：In order to reduce the temperature effect of solar thermal radiation on bridge concrete and improve the durability of bridge concrete， three kinds of solar heat reflection coatings， white， red and gray， were prepared by using epoxy resin and heat reflection and heat insulation function pigments （fillers）. By using finite difference method， the surface absorption coefficient of coagulation with different colors was calculated and analyzed in outdoor temperature environment according to one-dimensional conduction model. The results of comparison with uncoated concrete showed the solar radiation absorption coefficients of white coating， red coating， grey coated concrete and uncoated concrete were 0.22， 0.26， 0.35 and 0.55， respectively. The maximum temperature difference was： white 9.8 ℃， red 7.8 ℃， gray 5.8 ℃. It provides a theoretical reference for the further research and popularization of solar thermal reflection protective coatings in bridge mixing application technology. Keywords：Bridge concrete; heat-reflective coating; solar thermal radiation absorption coefficient; inverse calculation 0引言 混凝土基本熱工参数包括导温系数、导热系数、比热、密度、表面总换热系数和太阳辐射强度吸收系数等，各参数对混凝土结构温度场均有不同程度的影响。这些参数当中，表面换热系数和表面吸收系数对结构内温度场和温度效应影响最大?[1]。然而，混凝土是一种热惰性材料，吸收太阳辐射热向内部传递的速度较慢，从而使混凝土结构形成了较大的温度梯度，由此产生的温度应力也不容忽视，这在混凝土桥梁结构中尤为突出。随着太阳辐射引起的混凝土桥梁结构温度升高，其混凝土结构温度荷载也会逐渐增大，将会引起混凝土结构产生温度裂缝，导致混凝土结构出现较大的应力与变形，影响混凝土结构的正常使用?[2-9]。 热反射涂层作为一种功能性涂料具有良好的适应性及降温隔热的特性，在建筑工程各领域得到了广泛的应用?[10-12]。将其在混凝土桥梁结构中应用，除具有降低腐蚀介质对桥梁混凝土的腐蚀风险，还会减少日照辐射引起的温度效应，将会对提高混凝土桥梁耐久性有着积极作用?[13]。目前常采用有限元软件对混凝土结构温度场进行仿真分析，对材料相关热物理参数的选取有着极大的依赖性。因此，如何获得表面设置热反射涂层的混凝土表面太阳热辐射吸收系数对分析设置热反射涂层的混凝土结构温度场分布及温度应力计算有实际意义。通常情况下，混凝土的热工参数通过室内试验或经验确定，但由于室内试验具有局限性，由室内试验得到的混凝土的热工参数往往与实际参数有较大差别?[14-15]。此次试验在参考文献[16]和[17]的基础上，测试了混凝土表面涂刷实验室自制的三种颜色涂料的温度变化数据，并对其降温效果进行了分析;提出相关假设，利用实际气象数据及温度数据对实验室自制三种颜色涂料的太阳热反射吸收系数进行反演计算，可为进一步研究其温度场模拟与分析提供重要参数。 1实验方案与分析方法 1.1试件制备 选择校园内日照充足无遮挡物的某楼楼顶作为试验平台，在平台上合适的位置布设50 mm厚的高密度泡沫板若干张，将事先装订好的4个500 mm×500 mm×300 mm的木箱以间隔为100 mm的距离横向依次坐落于高密度泡沫板上，浇筑之前把固定有热电偶的钢筋埋设于木箱底板的中心位置，然后采用人工搅拌现浇混凝土于木箱当中，同时使用电动搅拌棒将其振捣密实，表面抹平，48 h后拆模，如图1（a）所示，一周后用高密度泡沫板包裹混凝土试件四周，顶面受太阳辐射，可认为混凝土试件内是一维传热。一个混凝土试件中预埋4个热电偶，沿热量传导方向，两热电偶间距逐渐增大，如图2所示。养护两周之后，在混凝土表面分别涂刷实验室自制的白色、红色和灰色太阳热反射降温隔热涂料，在混凝土表面形成热反射涂层，未涂刷的混凝土试件作为对比试件，如图1（b）所示。此外，测试现场的环境温度、风速和太阳辐射的数据均采用人工采集。 1.2数据采集 太阳辐射采用台湾tenmars泰玛斯TM-207太阳辐射测量仪，与试件平面同一高度放置进行太阳辐射数据采集;风速采用GM8901数字式风速计，将其迎风置于混凝土试件表面的垂直方向采集瞬时风速。室外气温使用HC-520室内外温湿表进行测量。 测量地点为校园内某楼楼顶，确保日照充足无遮挡物影响混凝土热工参数的计算，将事先埋设在混凝土试件内的热电偶的线与温度传感器记录仪相连。为了便于掌握混凝土表面热流量和温度随时间变化情况，测试时间集中在10：00～18：30之间，使用上述实验仪器对太阳辐射量、环境温度和风速每隔0.5 h采集一次，并以混凝土表面为对象，建立热量平衡方程，由此计算4个混凝土试件的表面吸收系数。 1.3热工参数反演方法 由于混凝土属于不透明介质，故投射在混凝土表面的总能量由吸收率?α?和反射率?ρ?组成，即?α+ρ?=1。所以混凝土表面太阳辐射吸收系数可通过测量反射率而算得。目前测量物体反射率有光谱法和积分法两种。这两种方法对样品的尺寸要求是3～5 mm的薄片，然而混凝土的尺寸及组成材料的复杂性，两种方法均不适用。此次试验利用传热学和能量平衡原理在混凝土表面建立热量平衡方程，由此计算出混凝土表面的吸收系数。但此方法也有它的局限性，不能测定表面对不同波长辐射的吸收系数。此外，混凝土表面与太阳入射方向的夹角随时间不停的改变，故计算结果应取不同时刻太阳辐射吸收系数的平均值?[14]。 （1）导热系数 混凝土结构在太阳辐射热作用下，可看做一维导热，即导体热量仅从一个方向传递。一维瞬态热传导方程为?[14]： T?t=a2T?x?2+?θ?t?。（1） 式中：?a?为导温系数;?θ?为绝热温升;?t?为时刻;?T?为温度。 在结构体内沿热传导方向埋置4个热电偶，如图3所示。每个热电偶间距记为?hi?-1、?hi?和?h?i+1。设?Ti?、?t?代表第?i?点在时间?t?的温度。4个热电偶的位置，分别记为?i?-1、?i?、?i?+1和?i?+2。用差分代替微分，根据微分原理，忽略截断误差，可推导得?[14]： （Ti+1，t-Ti+1，t-?Δ?t）-（Ti，t-Ti，t-?Δ?t）=2a?Δ?th1+hi+1 [1hi+1（Ti+2，t-Ti+1，t）-1h1（Ti+1，t-Ti，t）]-2a?Δ?thi-1i [1h1（Ti+1，t-Ti，t）-1hi-1（Ti，t-Ti-1，t）] 當热电偶埋置好后，?hi?为定值，只需知道这4个热电偶在?t?+Δ?t?和?t?时刻的实测温度，即可根据上式计算得到混凝土的导温系数?a?。将导温系数?a?代入公式（3），即可得到导热系数?[16]： 式中：??为混凝土密度;?C?为混凝土比热容。 （2）对流换热系数 计算对流换热的基本公式为牛顿冷却公式： qc=β （Ts-T0） 。?（4） 式中：?qc?为对流换热的热流密度，W/m?2;?Β?为对流换热系数，W/（m?[email protected] ℃）;?Ts?为固体表面温度（混凝土表面温度），℃;?T?0为流体温度（环境温度），℃。 多数学者认为对流换热系数与结构所处环境周围的风速呈线性关系，常按一次函数取值进行分析?[11]。故表面涂刷热反射降温隔热涂料的混凝土试件和未涂刷的混凝土试件的对流换热系数 [email protected] 可选用一致，统一采用文献[17]的换热系数经验公式： β?=3.06?v?+4.11 。 （5） 式中：?v?为风速，m/s。 （3）太阳辐射吸收系数 混凝土结构常暴露在阳光之下，因此混凝土表面热边界条件必须考虑太阳辐射能的影响。单位时间内在单位面积上，垂直于混凝土表面的太阳总辐射为?I?，其中被混凝土吸收的部分设为?R?，则考虑日照后的混凝土表面热边界条件为： 2结果与讨论 2.1降温效果分析 由温度实测值可得试件内部测点温度日变化曲线（以2015年2月9日为例），如图4所示。 从图4可以看出，各试件升温规律基本一致，涂装混凝土试件表面温度均小于未涂装混凝土表面温度，且表现出与太阳辐射量变化规律一致的趋势。其中，白色涂层和红色涂层对试件表面降温效果较为明显。为了进一步分析各涂层不同时段的降温特点，以未涂刷混凝土表面温度为基准计算了不同颜色涂层的降温效果曲线如图5所示。 从图4和图5可以看出，太阳辐射强度最大值出现于13：20左右，由于混凝土是热惰性材料，热量的传递存在滞后性，4种混凝土表面温度最大值则在15：00附近先后出现。根据实测数据，在13：20左右时太阳辐射量出现最大值，此时各颜色涂层情况为：白色6.9℃、红色5.2℃，灰色3.5℃;由于热量传输存在一定的滞后性，试件表面温度并不是在太 阳辐射量最大时刻同时出现最高温度，故选择未涂刷表面达到最大温度时刻时（本次试验为15：20时）进行降温效果考察，经对比发现：白色9.8℃、红色7.8℃，灰色5.8℃。由图4和图5可以看出，各时段进行温差变化规律随趋于一致，并且在13：20～15：20之间约3h范围内，涂刷不同颜色涂料试件表面温度平均降温幅分别为白色8.7℃，红色6.7℃，灰色4.1℃。这对减少混凝土结构温度应力将会具有积极意义。 2.2吸收系数反演计算 （1）导热系数 由图6可知，一天内从上午10：00至下午15：30，所有测点整体处于由太阳辐射引起的升温阶段，因此，取这一时段内相邻时刻各测点温度作为反演数据，代入公式（2）、公式（3）进行计算，计算结果列于表1。计算出导热系数反演导热系数 ℃）进行后续太阳热吸收系数计算。 （2）混凝土表面太阳辐射吸收系数反演 考虑到涂层仅改变混凝土试件表面太阳热辐射吸收系数，其他所有热物理参数涂刷前后均相同，因此在计算太阳热辐射吸收系数时，导热系数等其他热物理参数选用一致。根据公式（5）、公式（6）求出混凝土试件表面吸收的太阳辐射?R?，再将?R?与实测的混凝土表面的太阳总辐射?I?代入公式（7），求出白色涂层、红色涂层、灰色涂层以及未涂刷的混凝土试件的表面太阳辐射吸收系数，计算结果见表2。 由于太阳照射角度随着时间的改变而变化，太阳总辐射的实测值也受到云量的影响，而计算过程当中并没有考虑太阳照射角度变化的因素，故反演结果取平均值后，进行比较分析。反演结果显示：白色、红色、灰色和未涂装混凝土试件的表面太阳辐射吸收系数依次为0.22、0.26、0.35、0.55，不同颜色的涂装混凝土试件的降温效果与测得的表面太阳辐射吸收系数相一致。进一步从热物理参数角度证明了热反射涂层降温的机理及其改变桥梁混凝土结构温度场的积极作用。 3结论 （1）不同颜色涂装混凝土的降温效果与太阳辐射吸收系数相一致，一天当中最大温差白色9.8 ℃、红色7.8 ℃，灰色5.8 ℃。 （2）本文介绍了影响日照混凝土结构温度场及温度效应的热工参数，设计中为了给出这些热工参数的合理取值，以日照条件下一维传热混凝土试件的实测数据为基础，计算求得混凝土的导热系数为1.72W/m?2 （3）涂刷白色、红色、灰色太阳热反射涂料的混凝土试件和未涂装的混凝土试件的太阳辐射吸收系数分别为0.22、0.26、0.35、0.55。 【参考文献】 [1]刘文燕，耿耀明.热工参数对混凝土结构温度场影响研究[J].混凝土与水泥制品，2005（1）：11-15. 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