Heidelberg Materials Brings Simulation to Construction Sites

多物理场仿真进驻施工现场

时间、温度、材料选择、天气条件和浇筑技术都会影响建筑用混凝土的早期性能。为了帮助客户了解关键变量对项目的影响以做出明智的决策，海德堡材料通过一款编译的仿真 App 来使用多物理场仿真模型的预测功能。

作者 Alan Petrillo
2023 年 9 月

从普通住宅到高耸的桥梁和摩天大楼，混凝土是无数建筑物的基本组成部分。为了实现混凝土的预期寿命，工程承包商必须在施工过程中做出正确的决策，以确定影响混凝土长期强度和耐久性的浇筑过程中的硬化或成熟速度。

承包商可以通过成熟度法预测混凝土浇筑过程可能产生的结果，但要在施工现场应用这一技术却比较困难。因此，全球最大的水泥、骨料、预制和预拌混凝土供应商之一，海德堡材料（Heidelberg Materials）为其瑞典和挪威的客户开发了一款名为 HETT 的计算机程序（参考文献1）。他们参与了 HETT 的多次迭代开发，但与以往不同：新版本 HETT²² 是一款编译的仿真 App，可基于考虑现场条件、环境温度、材料选择和其他相关变量的多物理场模型提供实时的预测结果。HETT²² 及其相关模型是由 Deflexional 公司为海德堡材料创建的，Deflexional 公司是 COMSOL 的一家认证咨询机构，专门使用 COMSOL Multiphysics^® 软件开发多物理场模型和仿真 App（参考文献2）。Deflexional 使用 App 开发器将上述产品相关的仿真模型转化为定制的仿真 App，并通过 COMSOL Compiler™ 进行了部署。在 HETT²² 应用程序推出 6 个月后，下载次数就超过了 1100 次。

海德堡材料瑞典水泥公司（Heidelberg Materials' Cement Sverige，前身为 Cementa 公司 ）负责 HETT 项目的项目经理 Mikael Westerholm 介绍说：“HETT²² 可以帮助您从不同角度评估各种选择。通过仿真预测水泥早期成熟过程的可能结果，使承包商在做出决策之前对施工方案的选择更有信心。”

权衡时间、温度与水泥水化

虽然有多种因素会影响控制混凝土成熟度和强度发展的化学过程，但其中温度的影响尤为重要。

海德堡材料挪威水泥公司（Heidelberg Materials' Sement Norge，前 Norcem 公司）的技术经理 Tom Fredvik 解释说：“水泥水化是水泥和水之间的化学反应，这一过程会产生大量热量，导致水泥硬化过程中温度升高。而水泥的水化速度与温度密切相关，温度越高，水化速度就越快。”

快速水化并不一定可取。在炎热天气下快速固化的混凝土很可能比在凉爽条件下缓慢固化的混凝土强度更低。反之，零度以下的温度也会影响强度的发展。“将这些影响纳入考虑中是非常重要的，尤其是在冬季浇筑时。最坏的情况是，如果混凝土在获得足够的强度之前就已经冻结，可能会遭受永久性的霜冻破坏。” Fredvik 说道。

承包商可以对模板进行隔热处理并在裸露的混凝土表面覆盖保温材料，甚至可以增加外部热源的热量，以降低冻结风险。但这些技术必须谨慎使用，以避免过热、过早干燥或大幅增加施工项目成本。

用成熟度法估计强度发展

在采用一定的热管理措施前，承包商可以使用成熟度法来预测可能的结果。 “使用成熟度法预估温度对混凝土强度发展的影响已有 50 多年的历史了。” Westerholm 介绍说，“这是一种无损预测强度的方法，否则只能在混凝土浇筑后通过在中心取样来确定其强度。”

成熟度法将已知的度量指标与现场和项目的具体数据相结合。承包商可以提前获得成熟度函数值和混凝土拌合物的参考强度，但必须对混凝土在固化过程中需要经历的温度进行估计。预估的温度曲线应考虑环境温度和水泥水化产生的内部热量，因为实际温度分布在混凝土铸件内部并不一致，这意味着强度的发展也可能不均衡。

多物理场仿真技术助力承包商

为了更广泛地利用仿真的预测潜力，海德堡材料委托 Deflexional 公司开发了最新版本的 HETT。Deflexional 首席执行官 Daniel Ericsson 说：“当海德堡团队阐述他们的目标时，我们看到了扩大 HETT 用途的绝佳机会。”HETT²² 是使用 COMSOL Multiphysics 软件中的 App 开发器创建，并通过 COMSOL Compiler™ 编译的第一代仿真应用程序。

“对于 HETT²² 的开发，我们希望尽可能地方便用户使用。我们还增加了新的功能，使客户能够考虑更多实际情况中的细节。” Fredvik 补充道。

图2通过一个假想的混凝土浇筑项目，演示了 HETT²² 的扩展功能。首先，仿真 App 使用者可以从代表不同施工场景的典型案例列表中选择合适的类型，然后定义浇筑的几何形状、材料组合、混凝土强度等级、时间范围和预期的天气条件。之后，就可以使用这个仿真 App 进行计算来分析周围的物理环境对浇筑行为的影响。

“在已有的预制板上浇筑混凝土时，新旧浇筑件之间的连接非常关键。” Fredvik 说道，“HETT²² 使我们能够分析接缝周围的情况。”也可以将其他可能影响混凝土温度和强度发展的相关物理属性纳入模型中，例如，铸件内部是否存在加热电缆、加热或冷却管。示例模型的几何结构及网格如图3所示。

在定义了模板和几何结构后，用户可以为已列入计划的浇筑项目收集特定地点的天气预报（图 4），或者也可以自动下载全球天气预报并将其转换为模型所需的适当边界条件。Fredvik 介绍说：“除了提前选择天气，我们还可以向 HETT²² 提供养护期间的现场温度记录，然后在测量条件与预期条件有显著差异时进行调整。”

时间上的限制和预期强度是影响用户选择材料的关键因素。“在这个示例中，强度要求设定为 15 MPa，然后才能拆除模板。因此，我们从软件内置的材料库中选择了具有合适强度发展的混凝土。用户还可以选择与混凝土混合的诸如粉煤灰、粒化高炉矿渣和硅灰等辅助胶凝材料。”他补充道。

这些材料是能源生产、铁和硅铁加工等其他行业的副产品。在水泥中使用辅助材料或将其作为混凝土的添加剂，有助于降低混凝土建筑的总体碳足迹（碳足迹指人类的活动中排放的 CO₂ 和其他温室气体的总量）。“减少 CO₂ 排放是全球混凝土行业的重点，但这些替代材料可能会减慢水化速度，并具有不同的强度发展特性。我们希望 HETT²² 能够帮助用户预测他们可能不熟悉的混凝土行为。” Westerholm 表示。

借助仿真结果预先调整方案

在 COMSOL 模型的帮助下，HETT²² 得以运行并生成预测值，用于确定在拆模前达到预期强度（本例中为 15 MPa）所需的时间。“我们可以追踪周围空气和土壤的预期温度，并预测混凝土本身的温度曲线。根据温度变化情况，我们计算出整个浇筑过程需要大约 30 小时才能达到我们所需的强度（图5）。”Fredvik 解释说。如果这个时间对于这项工作来说太长，那么 HETT²² 可以显示不同的混凝土选择方案对预计拆模时间的可能影响。建筑商可以从海德堡材料的混凝土产品菜单中选择不同的方案，并直接在仿真 App 中查看每种方案性能特点的详细信息。

如果实际天气条件与预报不同怎么办？对于这种情况，用户可以调整温度值来了解温度变化对强度发展的影响。“如果天气发生显著变化，我们有可能会更早地拆除模板。” Fredvik 说道。

多物理场仿真支持成本效益分析

通过预测与施工现场条件相关的方案选项所产生的影响，施工团队可以使用编译的仿真 App 更好地管理每个项目的经济效益和碳足迹。例如，如果天气预报显示气温较低，那么使用低碳混凝土进行浇筑将需要较长，这表明承包商需要对成本和效益进行权衡。

Westerholm 会据此询问承包商：“您是否应该改用固化速度更快的水泥或强度更高的混凝土，即使这样做成本更高，而且碳足迹也可能更大？或者是否可以坚持最初的计划，采取保温或加热模板的措施？”

海德堡材料为客户提供了数百种可能的混凝土配方。从公司的角度来看，仿真 App 为解决一系列让人却步的复杂问题的方法提供了必要补充。通过仿真 App 的定制界面呈现出 COMSOL Multiphysics 软件的模拟预测功能，可以帮助用户更高效地做出明智决策。

“这就是我们为客户开发 这款仿真 App HETT²² 的初衷，”Fredvik 总结说，“因为在混凝土浇筑工作的每一个决策点上，它都能为客户提供有价值的帮助，因此它也是我们技术支持服务的核心部分。”