基于微观水化方法的混凝土温升预测建模框架

《Case Studies in Construction Materials》：A modeling framework based on a microscale hydration approach for predicting the temperature rise of concrete

　　

准确预测混凝土温度演变对于缓解大体积混凝土结构中的热裂缝至关重要。尽管微观水化模型擅长描述微结构发展，但其在预测宏观温升方面的应用常受限于大量的试验需求以及对不同配合比的适应性不足。为弥合这一差距，本研究提出了一种集成建模框架，将基于水化度的速率公式与微观动力学模型相结合。其主要创新在于对不同配合比具有高度的适应性：通过仅利用两次参考绝热试验识别的动力学参数，该框架能够在无需额外经验参数的情况下，可靠地预测不同水灰比（w/c）及任意热历史下的温升。在方法上，水化放热率被重新表述为水化度的函数，并通过反分析将绝热数据转换为等效等温曲线，以识别关键动力学参数。验证结果表明，该框架在等温和绝热条件下均保持较高的预测精度，与试验观测结果吻合良好。通过显著降低试验工作量的同时确保精度，该方法为大体积混凝土的热分析与温控设计提供了一种高效实用的工具。

**基于微观水化方法的混凝土温升预测建模框架解读**

**研究背景与问题**

在大体积混凝土结构中，水泥水化引起的温升及发展速率是热分析和抗裂设计的关键因素。准确预测这些热特性对于评估热应力、确保结构完整性至关重要。然而，直接通过绝热热量计进行测量虽然准确，但耗时费力，且难以覆盖多种配合比。此外，实际工程中的温度演变常因环境边界波动而偏离绝热结果。因此，如何利用有限的绝热试验数据，预测混凝土在任意热历史下的水化温升，是一个既具实用性又充满挑战的问题。现有研究已发展出多种水化动力学和理论模型，包括基于化学亲和力、水化度公式、有限元兼容模型以及多尺度耦合模型等。微观尺度模型（如HYMOSTRUC、CEMHYD3D、μic）虽能模拟颗粒尺度行为，但主要聚焦于水化度或微结构发展，其在有限试验数据下预测不同水灰比（w/c）及任意热历史下温升的能力尚待探索。

**研究内容与结论**

为应对上述挑战，研究人员提出了一种集成建模框架，将阿伦尼乌斯定律与改进的微观水化模型相结合。该框架仅需从单一配合比的两个参考绝热试验中识别动力学参数，即可可靠地推导出不同水灰比（w/c）及任意浇筑温度下混凝土的水化动力学和温度演变。具体来说，研究人员：（a）利用双指数函数建立了基于水化度的速率模型；（b）将微观水化模型与阿伦尼乌斯型温度依赖性集成；（c）实现了跨配合比的热曲线预测。验证结果表明，该框架在等温和绝热条件下均能保持高预测精度，绝热温升预测的相对误差在5%以内，并能成功捕捉“交叉效应”——即高温加速早期水化但后期速率降低的现象。该框架显著降低了试验工作量，为不同水灰比下混凝土水化热和绝热温升的精确预测提供了高效实用的工具。该论文发表在《Case Studies in Construction Materials》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：（1）**基于水化度的速率模型**：将绝热温升率重新表述为水化度的函数，利用双指数函数拟合绝热曲线，并获得参数a、b。（2）**阿伦尼乌斯型温度依赖性集成**：利用阿伦尼乌斯方程将不同温度条件下的水化速率关联，通过反分析从两个参考绝热试验数据中计算表观活化能（E_a）随水化度的演化。（3）**微观水化模型（HYMOSTRUC衍化版本）**：基于颗粒尺度模拟水泥水化过程，考虑粒子几何演化、初始堆积和水化动力学。该方法通过反分析从等温水化度曲线中识别关键动力学参数（基本速率因子K₀、扩散系数β、过渡厚度δ_tr）。（4）**数值求解方案**：采用基于水化度离散（步长Δα=0.001）的数值方法，逐级累加时间增量，计算任意热历史下的温升曲线。试验数据来自先前研究[45]中水灰比（w/c=0.54）的绝热试验（初始温度9.6°C、20.7°C、28.5°C）。

**研究结果**

**3.4 验证示例：绝热温升预测**
通过使用初始温度9.6°C和28.5°C的绝热曲线拟合参数，预测初始温度20.7°C的绝热温升。预测曲线与实验数据吻合良好，最大误差为1.07°C，相对误差为4.1%，验证了模型在相同配合比不同初始温度下的预测精度。

**4.1.1 等温条件温升（w/c=0.54）**
利用基于水化度的速率模型和数值方案，计算了w/c=0.54混凝土在10°C、20°C和30°C等温条件下的等效温升。结果表明，高温加速早期水化，但后期温升趋于一致，与实验结果一致。

**4.1.2 水化动力学参数识别**
通过反分析从等温水化度曲线中识别出水灰比0.54水泥浆体在不同温度下的动力学参数：基本速率因子K₀（10°C:0.12 μm/h，20°C:0.25 μm/h，30°C:0.38 μm/h），扩散系数β（均为0.68），过渡厚度δ_tr（2.5 μm），以及化学计量比（k₀=1.55，k₁对于10°C、20°C、30°C分别为1.55、1.55、1.55）。模拟水化度与理论值吻合良好。

**4.1.3 水灰比对水化度的影响**
利用识别参数模拟水灰比0.30的水泥浆体水化度发展。数值结果表明，相同时间内w/c越高，水化度越大，因为更大的颗粒间距减少干扰，促进水化反应。

**4.1.4 低水灰比混凝土等温温升（w/c=0.30）**
基于水化度与累积放热的关系，结合线性比例关系估算极限绝热温升（58.2°C），计算w/c=0.30混凝土在10°C、20°C、30°C下的等温温升曲线。高温加速温升发展，趋势与预期一致。

**4.2.2 表观活化能（E_a）演变与物理解释**
利用w/c=0.30混凝土在10°C和30°C下的水化度曲线，计算E_a随水化度的变化。E_a在早期（α<0.1）超过100 kJ/mol后迅速衰减；中期（0.1<α<0.8）呈近似线性负相关；后期（α>0.88）变为负值（约-40 kJ/mol），反映了从化学活化到扩散控制的“交叉效应”。

**4.2.3 20°C水化度预测**
基于10°C和30°C等温数据及E_a演化，预测w/c=0.30混凝土在20°C下的水化度曲线。宏观预测与微观模型数值结果高度一致，验证了温度插值能力。

**4.2.4 不同初始温度下的绝热温升**
预测w/c=0.30混凝土在初始温度10°C、20°C、30°C下的绝热温升发展。相同初始温度下，绝热温升高于等温条件，因为累积放热进一步加速水化。更高初始温度导致更快温升速率。

**讨论与结论**

**讨论**
该框架主要适用于普通硅酸盐水泥，对于掺有粉煤灰或矿渣等辅助胶凝材料（SCMs）的系统，需考虑复杂的水化与火山灰反应协同效应。框架在典型工程温度范围（5–60°C）内经过验证；在极端温度（>60°C或低于0°C）下可能存在偏差，需进一步修正温度依赖函数。此外，对w/c=0.30混合料的预测本质上是基于w/c=0.54参考数据的数值外推，缺乏直接实验验证，作者计划在未来进行更广泛水灰比的绝热热量计试验以校准外推定律。

**研究结论**
本研究提出了一种基于水化度的建模框架，通过整合绝热温升试验、阿伦尼乌斯型温度依赖性和微观水化模型，预测混凝土温升。与传统经验方法或复杂多尺度模型相比，该框架仅需两次参考绝热试验，即可在无额外经验参数条件下，可靠地将水化动力学外推至不同热历史和配合比。主要发现如下：（1）建立了基于水化度的速率模型，仅用两次参考绝热试验即可预测绝热温升，相对误差在5%以内，并能捕捉“交叉效应”，体现了从化学活化到扩散控制的机制转变。（2）通过微观水化模型的反分析，识别了不同温度下的关键动力学参数（扩散系数和固有反应速率），并可将其用于预测不同水灰比混凝土的水化温升。（3）结合速率模型与数值方案，成功实现了跨配合比预测（如w/c=0.30），展示了其在减少昂贵绝热试验依赖方面的工程实用性。总之，该框架通过集成微观水化模型，仅需两次参考绝热试验即可精确预测不同水灰比混凝土的水化热和绝热温升。