一种大体积混凝土结构表面放热系数确定的方法和装置技术领域
本发明涉及混凝土结构表面保温效果的确定的技术领域，具体地说，是涉及一种大体积
混凝土结构表面放热系数确定的方法和装置，适用于大体积混凝土结构温控防裂措施的制定、
表面保温效果的评价。
背景技术
大坝、水闸、渡槽等水利工程由于混凝土用量大、体积大，再加上混凝土是热性材料，
施工时由于水泥水化反应发热，温度升高，同时混凝土又受周围环境的影响，表面温度同内
部温度有差别，形成内外温差。工程经验表明，周围环境温度变化越剧烈、内外温差越大，
混凝土越容易产生裂缝，这些裂缝的出现既影响结构外形美观，又严重影响工程的工作性、
耐久性和安全性。
目前工程界为防止这种温度裂缝的产生，一般是采取表面保温的方法措施，即在混凝土
表面贴保温板来减小内外温差，降低开裂的风险。但是针对不同地区的工程，保温材料和保
温厚度的选择是一个重要的环节，它涉及到保温效果和经济费用两方面的问题；材料厚，效
果相对较好但是不经济，材料薄，虽然经济但是不能起到良好的保温效果。因此，选择适度
保温材料厚度就成为工程设计人员要考虑的问题。保温厚度和效果的科学表述和温控防裂数
值计算的精确与否，都涉及到混凝土表面放热系数，这个系数成为问题的关键。
混凝土表面放热系数的取得一般是通过经验公式计算或者专用仪器获得。经验公式计算
的表面放热系数不能模拟实际工程环境、不能反映混凝土实际情况，往往和实际有较大出入；
专用仪器非常昂贵且很难普及。此外，当不采取表面保温措施时，经验公式和专业仪器都没
有区分不同结构面的表面放热系数的差别，而且在本技术领域中，普遍认为放热系数和结构
面方位没有关系，实际上对于竖直面和水平面而言，放热系数是有所不同的，但是区别如何，
怎样能够获得不同结构面方位放热系数并得到实测验证，这种方法在现有技术中是没有的。
这些问题都使得现有技术中对于混凝土结构的保温措施设计存在盲目性。因此，寻求大体积
混凝土结构表面放热系数确定的装置和方法，对工程经济合理的保温措施的制定、保温效果
的监控和温控防裂的研究具有重要意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的在于改进现有确定混凝土表面放热系数方法的不足，提供一种从反映工程
实际、经济合理有效方面入手，确定混凝土的表面放热系数，包括有表面保温和无表面保温
时表面放热系数的方法和装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的大体积混凝土结构表面放热系数确定的方法，是通过将混凝土试件设置在
一个风道装置中，用一风源向试件吹风，通过测试风速对混凝土结构表面放热系数的影响而
确定和验证放热系数。
本发明提供的方法是：
步骤1：启动风道中设置的一风源，向试件提供一设定风速的气流；
步骤2：检测和记录不同风速时的混凝土表面温度，反演出混凝土表面放热系数，回归
分析出风速和混凝土表面的相关规律。
反演混凝土表面放热系数时，分成试件上设置保温材料和不设置保温材料两种情形；
(1)试件上设置保温材料的情形：
混凝土表面放热系数和风速的关系为：
![]()
式中，β为混凝土表面放热系数，kJ·(m2·h·℃)-1；vs为风速，m·s-1；![]()
和μ需根据混凝土
表面的粗糙程度来确定，![]()
经验值在20-25之间，μ经验值在10-15之间；
(2)试件上不设置保温材料的情形：
无保温措施时混凝土表面的放热系数和风速的关系为：
水平面：
β
=
α
·
(
1
+
3
v
s
)
0.5
·
(
T
s
-
T
a
)
0.3
(
T
s
+
T
a
+
θ
)
0.2
]]>
竖直面：![]()
式中，β为混凝土表面放热系数，kJ·(m2·h·℃)-1；Ts为混凝土表面温度；Ta为周围环境
气温；vs为风速，m·s-1；θ和α相关参数，需根据具体试验条件确定，θ经验值在20-40，α经
验值在20-30之间；![]()
和μ需根据混凝土表面的粗糙程度来确定，![]()
经验值在20-25，μ经验
值在10-15之间。
θ和α根据试验环境，结合相关规范和著作，得出这两个值。
根据上述公式得出的放热系数β，再通过现有技术中的有限元软件数值计算程序计算出
表面温度；
用计算出的表面温度与试验实测的表面温度比较，验证所述公式计算的β的合理性，计
算出的表面温度与实测的表面温度接近程度，证明所述计算公式的合理性，计算出的表面温
度与实测的表面温度越接近，证明所述计算公式的合理性越高。根据合理性较高的计算公式
得出各种保温材料的实际的保温效果。
本发明要解决的是两方面的问题：
一、评价保温层效果
保温好与坏，或者说保温效果好不好，保温效果与表面放热系数或者散热系数β直接相
关，β值越小，保温效果越好，β越大，保温效果越不好。
二、找出β值
不知道这个值的大小，没法评价保温效果好与坏，但是这个值直接得不到，必须根据经
验公式或者试验来得到，上述试验的目的就是得到这个β。
得到β，再通过现有技术中的有限元软件数值计算程序计算出表面温度，用根据数值计
算方法得出的表面温度和试验测出的温度对比，如果两数据吻合一致，说明β是合理的。
根据本发明的试验方法得出的求β的公式，经过验证合理，就可以推广应用了，再要了
解相关条件下的保温效果，根据本试验得出的公式直接计算就可以了。
反演值就是根据试验得出这个β，计算得出的温度，实测值就是试验中实测得出的温度。
本发明提供的大体积混凝土结构表面放热系数确定的装置，包括一个风道，该风道设置
一个进风口和一个出风口，使得该风道中可以形成一由进风口到出风口的气流方向，在所述
进风口上设置一风源；在该风道中设置一支座用于放置混凝土试件，在放置混凝土试件位置
的相对于气流的上风口一侧设置一试件前端分流墩，在相对于气流的下风口的一侧设置一试
件尾端分流墩；在该风道中还设置测温探头，该测温探头包括环境温度测温探头和试件表面
温度测温探头。
具体地，所述试件表面温度测温探头包括设置在所述试件的水平面的测温探头和/或设置
在所述试件的竖直面的测温探头。
所述试件表面测温探头设置在相应表面的中点上；和/或，
在所述试件的中心点上设置测温探头；和/或，
在所述试件内相对于中心点上下左右位置之一上设置至少一个测温探头。
所述风道的具体结构优选为：包括截面较小的直管段、截面较大的直管段和截面渐变段，
截面大小不同的两个直管段通过所述截面渐变段密封地连接成一体；所述支座设置在截面较
大的直管段中。
所述前端分流墩优选为朝向来风风向的弧面为椭圆形柱面，在来风方向上的长轴为椭圆
形柱体的短轴的1.2-2倍为优选方案，更进一步地，长短轴的比值优选为1.5。该比值增大可
以减小阻力系数，但会增加接触面积。因此，实际设计中不能太小，也不能太大。
前端分流墩的短轴与试件的宽度相等。
所述尾端分流墩为圆柱形柱面。
尾端分流墩的直径与试件的宽度相等。
本发明提供的大体积混凝土结构表面放热系数确定的方法和装置为获得混凝土表面保温
层的保温效果的研究给出了很好的试验方法，通过试验，可以对各种保温层在对混凝土保温
中的保温效果进行反演，并可以与实测的混凝土表面的温度进行比较，验证反演出来的数据
的正确性，然后，将试验结果得到的放热系数用于实际工程中混凝土表面保温层的保温效果
的评价。本发明具有如下优点：
(1)该装置简单易操作，可以避免为了得到相关的重要参数，而进行昂贵的专用试验仪
器购买，结合计算方法，可以较方便的得到结构的表面放热系数，为工程服务，具有广泛的
实用性。
(2)该方法可以根据得出的试验公式，计算混凝土表面的放热系数，特别是可以区分竖
直面和水平面的不同方位面的保温系数，使得数据更加符合客观实际，对于评价保温层的效
果更有意义。
附图说明
图1为本发明提供的试验装置的结构示意图。
图2为本发明提供的试验装置中混凝土试块。
图3为本发明提供的试验装置中混凝土试块的主视结构示意图。
图3a、图3b和图3c分别是图3中混凝土试块的A-A剖视、B-B剖视和C-C剖视结构示
意图，显示测温探头的位置。
图4是本发明的一个实施例中混凝土反演计算网格。
图5是图4所述实施例中风速对表面放热系数的影响曲线。
图6是图4所述实施例中温度实测值与反演计算值对比图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明提供的大体积混凝土结构表面放热系数确定的试验装
置，包括风源1、小截面风道直管段2、风道渐变段3、大截面风道直管段4、试块前端分流
墩6、试块尾端分流墩7、混凝土试块表面保温材料8、试块水平面温度探头和试块竖直面温
度探头。小截面风道直管段2、风道渐变段3、大截面风道直管段4组成一个试验风道，小截
面风道直管段2的一端形成进风口，大截面风道直管段4的一端形成出风口。在试验风道的
进风口上设置风源1，例如可以是一轴流式风机，也可以是其它形式的风机，在大截面风道
直管段4中的下底面上是放置混凝土试块5的位置。在放置的混凝土试块5的前端设置试块
前端分流墩6，在混凝土试块5的后端设置试块尾端分流墩7。
关于大体积混凝土结构，其中的“大体积”在行业中是这样约定的：凡是需要考虑温差
导致开裂的混凝土构件，就属于大体积混凝土结构。作为这样的大体积混凝土结构，例如大
坝的坝身、渡槽等。表面放热系数β一般在大体积混凝土结构温度计算和研究中才要用到，
因为体积大的混凝土才考虑温度的影响，体积小的混凝土(如墙体结构)不考虑温度的影响，
自然也就不用考虑这个β了。
在一个具体实施例中，小截面风道直管段2的横截面尺寸为1m×1m，风源1置于该段
的端口，风从这里向风道内吹；大截面风道直管段4的横截面尺寸为2m×2m，混凝土试块6
置于该大截面风道直管段的中后部；两部分之间由一段3m长的风道渐变段3连接。
如图2所示，混凝土试验块6为2m×1.2m×0.6m(长×宽×高)的长方体。试验可以分为
混凝土试验块6的顶面和两个侧面不贴保温材料和根据需要贴有不同保温材料两种；混凝土
试验块6底部架空，离风道底面50cm，减少底面对风速的影响；分流墩由三合板或者硬塑料
板制作，要求不变形且表面光滑，试块前端分流墩5为椭圆渐变柱体分流墩，长短轴比值为
1.5，尾端分流墩7为半圆形柱体的分流墩，两个分流墩都具有良好的流线型；分流墩和混凝
土试块衔接处的的宽度与混凝土试验块的宽度相等，且要紧密、平滑。
保温材料和温度计布置，见图2和图3、图3a、图3b和图3c。
在混凝土试验块上设置保温板的试验中，根据不同的试验要求，可以粘贴不同的保温板
材料，保温材料和混凝土表面要粘贴紧密。
在混凝土试验块表面中间部位和试块内部布置数字式温度探头，具体的，如图3b所示，
在混凝土试验块的长度方向的中部上顶面设置测温点B4，中部两个侧面上下对称中线上设置
测温点B5和B6，另外，在中部的中心设置测温点B3，在中部距离上顶面较近的混凝土试验
块中中心对称地设置测温点B1和测温点B2。如图3a和图3c所示，在混凝土试验块的所述
长度方向的两端面到中部截面之间间距的一半的两个截面即前侧截面和后侧截面上还设有一
些测温点：如图3a所示，在后侧截面上的中心设置测温点A3，在中心距离顶面较近的混凝
土试验块中还设置测温点A1和测温点A2。如图3c所示，在前侧截面上的中心设置测温点
C2，在中心的下侧设置一测温点C3，在上侧设置一测温点C1。
在混凝土试验块的这些位置设置测点的目的，是为了得到结构多个位置的实测温度，兼
顾了距离不同表面的位置的温度，方便后面反演分析和数据处理，以及重点关心的位置。
上面的混凝土试验块上的测温点的布局中，顶面和两个侧面表面上的测温点是必须要有
的，混凝土试验块内部的测温点中，在各个截面的中心位置的测温点一般也较多设置，如果
比较关注距离顶面较近的上部的温度变化，就可以在上部多设一些测温点，例如测温点A1、
A2、B1、B2、B4以及C1。
表面探头埋设在混凝土里面，表面和混凝土表面齐平；温度探头通过导线接到混凝土外
部的监测仪器上，监测仪可以设置为4小时-12小时间隔，实时记录和存储温度数据。
首先将混凝土试块6按要求配合比生成，并保证混凝土表面施工质量；搭建风道，把小
截面风道直管段2、风道渐变段3和大截面风道直管段4连接起来，风道内部无棱角，且表
面光滑圆润、严密不漏风；把混凝土试块5放入风道直管段4内；风源1备好。
开动风源进行试验，用不同风速进行试验，检测和记录不同风速时的混凝土表面温度，
反演出混凝土表面放热系数，回归分析出风速和混凝土表面的相关规律。有保温材料时，混
凝土表面放热系数和风速的关系为：
![]()
式中，β为混凝土表面放热系数，kJ·(m2·h·℃)-1；vs为风速，m·s-1；![]()
和μ需根据混凝土
表面的粗糙程度来确定，![]()
经验值在20-25之间，μ经验值在10-15之间。
根据上述公式得出的放热系数β，再利用现有技术中的通过有限元软件数值计算程序计
算出表面温度，如果和试验实测的表面温度一样，就说明这个公式计算的β合理，能反映实
际的保温效果。
(2)本发明还可以实现无表面保温材料时，混凝土的表面放热系数的测定。试验块不采
用表面保温，在混凝土顶面和两个侧面的中间部位和试块内部布置数字式温度探头，表面探
头埋设在混凝土里面，表面和混凝土表面齐平；温度探头通过导线接到混凝土外部的监测仪
器上，监测仪可以设置为4小时-12小时间隔，实时记录和存储温度数据。
开动风源进行试验，用不同风速进行试验，检测和记录不同风速时的混凝土表面温度，
反演出混凝土表面放热系数，回归分析出风速和混凝土表面的相关规律。
无保温措施时，不同方位面，表面放热系数会有差别，无保温措施时混凝土表面的放热
系数和风速的关系为：
水平面：
β
=
α
·
(
1
+
3
v
s
)
0.5
·
(
T
s
-
T
a
)
0.3
(
T
s
+
T
a
+
θ
)
0.2
]]>
竖直面：![]()
式中，β为混凝土表面放热系数，kJ·(m2·h·℃)-1；Ts为混凝土表面温度；Ta为周围环境
气温；vs为风速，m·s-1；θ和α相关参数，需根据具体试验条件确定，θ经验值在20-40，α经
验值在20-30之间；![]()
和μ需根据混凝土表面的粗糙程度来确定，![]()
经验值在20-25，μ经验
值在10-15之间。
采用上述装置和方法，可根据不同大体积混凝土工程的温控所需，试块表面可以贴不同
种类、同一种类不同厚度的保温材料，得出不同保温措施时的表面放热系数，还可以不贴保
温材料，探求不采取保温措施时混凝土表面的放热系数。本发明避免了大体积混凝土结构施
工时选择温控措施的盲目性，对于降低工程造价、提高工程的温控防裂效果具有很强的针对
性、适用性和显著效果。
应用例
(1)试验模型
人工风道环境，气温和湿度随大气变化，风速随时间改变。采用二级配混凝土，配合比
见表1。
表1混凝土配合比单位:kg/m3
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混凝土浇筑时间为某年8月22日。试块为2m×1.2m×0.6m(长×宽×高)的混凝土长方
体，上表面裸露，测温点B5所在竖直面是钢模板(无保温特性)，其他面均为1.5cm厚的竹
胶模板固定，底部架空，离地面50cm。试块内部布置数字式温度探头，用导线从温度探头接
到混凝土外部的测温仪上，测点布置如图3、图3a、图3b和图3c所示，共12个测点。
上述的混凝土试验块各个侧面的模板设置，是为了一次实验就可以得到多种条件下的数
据而这样设的，也就是说，在实际的试验中，可以把混凝土试验块的两个侧面设置为不同的
保温材料或者说保温形式，一次得到不同保温形式下的数据。设置钢模板，就是验证一下钢
模板是没有保温特性的。总之，不同的两个侧面和顶面，是可以设置成不同的保温形式的。
试验风道分为三部分，小截面风道直管段1横截面尺寸为1m×1m，风源1即风扇置于
该段的端口，风从这里向风道内吹；大截面风道直管段3横截面尺寸为2m×2m，两部分之
间由一段3m长的渐变段连结，风道模型见图1。混凝土试验块置于该大截面风道直管段中后
部；为了使风的流态较好，用三合板做了两个流线型分流墩，混凝土试验块迎风面放置一个
椭圆渐变柱体的分流墩5，混凝土试验块背风面放置一个半圆形的分流墩7。在来风方向上的
长轴为椭圆形柱体的短轴的1.2-2倍为优选方案，在本应用例中，长短轴的比值为1.5。前端
分流墩5和尾端分流墩的长轴或直径与试件的宽度相等。
(2)试验步骤
(1)架立好2m×1.2m×0.6m(长×宽×高)的竹胶模板，按图3、图3a、图3b和图3c
所示布置温度探头，在风道两边壁也分别布置温度探头，并用细铁丝固定。
(2)按施工配合比浇筑混凝土，浇筑时要特别注意各处混凝土的均匀性，建议配料时，
要对所有批次中的所有原材料的用量进行严格的称重，同时测定混凝土入仓温度。
(3)从试件浇筑完毕到第4天无风，这几天由于风道顶部尚未加盖，为了防雨，试块上
表面覆盖了塑料膜。第4天19：20开始吹风，风速为0.67米/秒，从第10天7：00风速改为
1.08米/秒，第17天10：00风速改为1.17米/秒，第19天和第20天鼓风机损坏，第21天到
第28天风速为1.52米/秒，第29天停风。
(4)每隔一段时间对所有测点测一次温度，第1天到第3天每2小时测一次，第4天到
第6天每4小时测一次，第7天到第10天每6小时测一次，第11天到第15天，每12小时
测一次，第16天到第30天每24小时测一次。每次还要测量两个风道气温。试验过程中有两
个测温探头损坏。
(5)将实际测得的气温值及测点温度值作为反演输入值，采用遗传算法的反演方法进行
反演计算，并对反演结果进行分析。
(3)参数反演
根据浇筑现场10个典型点的实测温度，对混凝土竹胶模板保温时混凝土表面放热系数β
进行了反演分析。反演计算网格见图4，反演方法为遗传算法。
(4)试验结果
(1)表2列出了几个关于风速与混凝土表面放热系数的关系模型，图5是本发明提出的
表面放热系数与风速关系曲线。
表2不同风速对应的混凝土表面热交换系数单位：kJ·(m2·h·℃)-1
![]()
无保温措施时混凝土试块水平面的放热系数和风速的关系为：Ts取30℃，Ta取20℃，则
水平面：![]()
竖直面：β2＝25.43+17.3×vs；
采用竹胶模板时混凝土表面放热系数和风速的关系：β3＝11.23+6.43×vs。其中![]()
和μ的
取值是结合当时的试验条件和环境，参考相关规范和书籍(朱伯芳院士著作【大体积混凝土
温度应力与温度控制】)取得的。
(2)根据反演参数的温度计算值和测量值的对比曲线见图6a至6j，各图中分别为不同
测点A1、A2、B1～B6、C1～C2的实测温度和反演温度对比值。
从图上可以看出，在混凝土浇筑龄期15d以内，拟合效果较好，误差在1.0℃以内；15d
以后两者略有偏差，但偏差也在2.0℃以内，究其原因，主要是由于15d后时间步长增大所致，
再加上混凝土温度与气温变化之间具有滞后特性，因此,昼夜温差对混凝土温度变化历程的影
响没有得以体现，若缩短温度测量间隔时间和计算时间步长，则拟合效果会更加理想。
(3)不同测点由于位置不同所体现出来的温度变化规律差异也较明显，测点离上表面越
远，最大温升值也越高，到达最高温度的时间也越迟；反之，测点离表面越近，最大升值也
越低，到达最大值的时间也越早。从历史曲线上也可以看出，B4和B5点的温度最低，分析
原因，主要是B4点位于没有保温材料的上表面，而B5点所在的表面钢模板也没有保温效果；
在所有的温度测点当中，B3由于位于混凝土试块的中心，故其温度峰值最高，反映了计算规
律的合理性；其他各测点的温度变化规律见相应附图所示。
(4)横向比较而言，B5的温度略低于B4，验证了无保温措施条件下，竖直面的放热系
数要大于水平面的放热系数的观点，同时也验证了钢模板无保温效果的论点；B6的温度高于
B5的温度同时证明了竹胶模板的保温性能良好。