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多物理場仿真進駐施工現場

時間、溫度、材料選擇、天氣條件和澆筑技術都會影響建筑用混凝土的早期性能。為了幫助客戶了解關鍵變量對項目的影響以做出明智的決策，海德堡材料通過一款編譯的仿真 App 來使用多物理場仿真模型的預測功能。

作者 Alan Petrillo
2023 年 9 月

從普通住宅到高聳的橋梁和摩天大樓，混凝土是無數建筑物的基本組成部分。為了實現混凝土的預期壽命，工程承包商必須在施工過程中做出正確的決策，以確定影響混凝土長期強度和耐久性的澆筑過程中的硬化或成熟速度。

承包商可以通過成熟度法預測混凝土澆筑過程可能產生的結果，但要在施工現場應用這一技術卻比較困難。因此，全球最大的水泥、骨料、預制和預拌混凝土供應商之一，海德堡材料（Heidelberg Materials）為其瑞典和挪威的客戶開發了一款名為 HETT 的計算機程序（參考文獻1）。他們參與了 HETT 的多次迭代開發，但與以往不同：新版本 HETT²² 是一款編譯的仿真 App，可基于考慮現場條件、環境溫度、材料選擇和其他相關變量的多物理場模型提供實時的預測結果。HETT²² 及其相關模型是由 Deflexional 公司為海德堡材料創建的，Deflexional 公司是 COMSOL 的一家認證咨詢機構，專門使用 COMSOL Multiphysics^® 軟件開發多物理場模型和仿真 App（參考文獻2）。Deflexional 使用 App 開發器將上述產品相關的仿真模型轉化為定制的仿真 App，并通過 COMSOL Compiler™ 進行了部署。在 HETT²² 應用程序推出 6 個月后，下載次數就超過了 1100 次。

海德堡材料瑞典水泥公司（Heidelberg Materials' Cement Sverige，前身為 Cementa 公司 ）負責 HETT 項目的項目經理 Mikael Westerholm 介紹說：“HETT²² 可以幫助您從不同角度評估各種選擇。通過仿真預測水泥早期成熟過程的可能結果，使承包商在做出決策之前對施工方案的選擇更有信心?！?/p>

權衡時間、溫度與水泥水化

雖然有多種因素會影響控制混凝土成熟度和強度發展的化學過程，但其中溫度的影響尤為重要。

海德堡材料挪威水泥公司（Heidelberg Materials' Sement Norge，前 Norcem 公司）的技術經理 Tom Fredvik 解釋說：“水泥水化是水泥和水之間的化學反應，這一過程會產生大量熱量，導致水泥硬化過程中溫度升高。而水泥的水化速度與溫度密切相關，溫度越高，水化速度就越快?！?/p>

快速水化并不一定可取。在炎熱天氣下快速固化的混凝土很可能比在涼爽條件下緩慢固化的混凝土強度更低。反之，零度以下的溫度也會影響強度的發展?！皩⑦@些影響納入考慮中是非常重要的，尤其是在冬季澆筑時。最壞的情況是，如果混凝土在獲得足夠的強度之前就已經凍結，可能會遭受永久性的霜凍破壞?！?Fredvik 說道。

承包商可以對模板進行隔熱處理并在裸露的混凝土表面覆蓋保溫材料，甚至可以增加外部熱源的熱量，以降低凍結風險。但這些技術必須謹慎使用，以避免過熱、過早干燥或大幅增加施工項目成本。

用成熟度法估計強度發展

在采用一定的熱管理措施前，承包商可以使用成熟度法來預測可能的結果。 “使用成熟度法預估溫度對混凝土強度發展的影響已有 50 多年的歷史了?！?Westerholm 介紹說，“這是一種無損預測強度的方法，否則只能在混凝土澆筑后通過在中心取樣來確定其強度?！?/p>

成熟度法將已知的度量指標與現場和項目的具體數據相結合。承包商可以提前獲得成熟度函數值和混凝土拌合物的參考強度，但必須對混凝土在固化過程中需要經歷的溫度進行估計。預估的溫度曲線應考慮環境溫度和水泥水化產生的內部熱量，因為實際溫度分布在混凝土鑄件內部并不一致，這意味著強度的發展也可能不均衡。

多物理場仿真技術助力承包商

為了更廣泛地利用仿真的預測潛力，海德堡材料委托 Deflexional 公司開發了最新版本的 HETT。Deflexional 首席執行官 Daniel Ericsson 說：“當海德堡團隊闡述他們的目標時，我們看到了擴大 HETT 用途的絕佳機會?！盚ETT²² 是使用 COMSOL Multiphysics 軟件中的 App 開發器創建，并通過 COMSOL Compiler™ 編譯的第一代仿真應用程序。

“對于 HETT²² 的開發，我們希望盡可能地方便用戶使用。我們還增加了新的功能，使客戶能夠考慮更多實際情況中的細節?！?Fredvik 補充道。

圖2通過一個假想的混凝土澆筑項目，演示了 HETT²² 的擴展功能。首先，仿真 App 使用者可以從代表不同施工場景的典型案例列表中選擇合適的類型，然后定義澆筑的幾何形狀、材料組合、混凝土強度等級、時間范圍和預期的天氣條件。之后，就可以使用這個仿真 App 進行計算來分析周圍的物理環境對澆筑行為的影響。

“在已有的預制板上澆筑混凝土時，新舊澆筑件之間的連接非常關鍵?！?Fredvik 說道，“HETT²² 使我們能夠分析接縫周圍的情況?！币部梢詫⑵渌赡苡绊懟炷翜囟群蛷姸劝l展的相關物理屬性納入模型中，例如，鑄件內部是否存在加熱電纜、加熱或冷卻管。示例模型的幾何結構及網格如圖3所示。

在定義了模板和幾何結構后，用戶可以為已列入計劃的澆筑項目收集特定地點的天氣預報（圖 4），或者也可以自動下載全球天氣預報并將其轉換為模型所需的適當邊界條件。Fredvik 介紹說：“除了提前選擇天氣，我們還可以向 HETT²² 提供養護期間的現場溫度記錄，然后在測量條件與預期條件有顯著差異時進行調整?！?/p>

時間上的限制和預期強度是影響用戶選擇材料的關鍵因素?！霸谶@個示例中，強度要求設定為 15 MPa，然后才能拆除模板。因此，我們從軟件內置的材料庫中選擇了具有合適強度發展的混凝土。用戶還可以選擇與混凝土混合的諸如粉煤灰、?；郀t礦渣和硅灰等輔助膠凝材料?！彼a充道。

這些材料是能源生產、鐵和硅鐵加工等其他行業的副產品。在水泥中使用輔助材料或將其作為混凝土的添加劑，有助于降低混凝土建筑的總體碳足跡（碳足跡指人類的活動中排放的 CO₂ 和其他溫室氣體的總量）?！皽p少 CO₂ 排放是全球混凝土行業的重點，但這些替代材料可能會減慢水化速度，并具有不同的強度發展特性。我們希望 HETT²² 能夠幫助用戶預測他們可能不熟悉的混凝土行為?！?Westerholm 表示。

借助仿真結果預先調整方案

在 COMSOL 模型的幫助下，HETT²² 得以運行并生成預測值，用于確定在拆模前達到預期強度（本例中為 15 MPa）所需的時間?！拔覀兛梢宰粉欀車諝夂屯寥赖念A期溫度，并預測混凝土本身的溫度曲線。根據溫度變化情況，我們計算出整個澆筑過程需要大約 30 小時才能達到我們所需的強度（圖5）?！盕redvik 解釋說。如果這個時間對于這項工作來說太長，那么 HETT²² 可以顯示不同的混凝土選擇方案對預計拆模時間的可能影響。建筑商可以從海德堡材料的混凝土產品菜單中選擇不同的方案，并直接在仿真 App 中查看每種方案性能特點的詳細信息。

如果實際天氣條件與預報不同怎么辦？對于這種情況，用戶可以調整溫度值來了解溫度變化對強度發展的影響?！叭绻鞖獍l生顯著變化，我們有可能會更早地拆除模板?！?Fredvik 說道。

多物理場仿真支持成本效益分析

通過預測與施工現場條件相關的方案選項所產生的影響，施工團隊可以使用編譯的仿真 App 更好地管理每個項目的經濟效益和碳足跡。例如，如果天氣預報顯示氣溫較低，那么使用低碳混凝土進行澆筑將需要較長，這表明承包商需要對成本和效益進行權衡。

Westerholm 會據此詢問承包商：“您是否應該改用固化速度更快的水泥或強度更高的混凝土，即使這樣做成本更高，而且碳足跡也可能更大？或者是否可以堅持最初的計劃，采取保溫或加熱模板的措施？”

海德堡材料為客戶提供了數百種可能的混凝土配方。從公司的角度來看，仿真 App 為解決一系列讓人卻步的復雜問題的方法提供了必要補充。通過仿真 App 的定制界面呈現出 COMSOL Multiphysics 軟件的模擬預測功能，可以幫助用戶更高效地做出明智決策。

“這就是我們為客戶開發 這款仿真 App HETT²² 的初衷，”Fredvik 總結說，“因為在混凝土澆筑工作的每一個決策點上，它都能為客戶提供有價值的幫助，因此它也是我們技術支持服務的核心部分?！?/p>

參考文獻