大溫差、干寒地區(qū)日照對混凝土箱梁的影響規(guī)律

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(1.蘭州交通大學 a.土木工程學院; b.道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 蘭州 730070; 2.甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，蘭州 730050)

大溫差、干寒地區(qū)日照對混凝土箱梁的影響規(guī)律

趙文斌1a，劉建勛1a,張戎令1a,1b，李延盛2,關(guān)惠軍2

(1.蘭州交通大學 a.土木工程學院; b.道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 蘭州 730070; 2.甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，蘭州 730050)

為研究大溫差、干寒地區(qū)日照對保存在預制場的混凝土箱梁的影響規(guī)律，首先對原材料進行了檢測，利用混凝土抗裂環(huán)，給出了日照養(yǎng)護與無日照養(yǎng)護條件下混凝土抗裂性的優(yōu)劣；同時測試了在日照養(yǎng)護與無日照養(yǎng)護下混凝土的強度變化規(guī)律及強度損失，將得到的結(jié)果與標準養(yǎng)護下的結(jié)果進行了對比分析；然后，測試了預制箱梁在預制場保存期間的溫度場變化規(guī)律，給出了不同時間段的溫度變化梯度。得出結(jié)論：①日照可以提高混凝土的強度，但是會對混凝土的抗裂性產(chǎn)生不利的影響；②日照作用下混凝土的抗拉強度和抗壓強度損失都大于無日照養(yǎng)護下的混凝土；③存放于露天梁場的混凝土箱梁一天內(nèi)的日照溫度梯度在不斷發(fā)生變化，在下午14:00時變化幅度達到最大。

混凝土箱梁；大溫差；太陽輻射；混凝土強度；日照溫度場

1 研究背景

我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，有力地促進了西部地區(qū)的發(fā)展。近期提出的“一帶一路”規(guī)劃涉及交通、基建等6大行業(yè)，同時提出以交通基礎(chǔ)設施為突破，實現(xiàn)亞洲互聯(lián)互通。在此大背景下，必將在西部地區(qū)修建更多高等級公路，以促進各項政策的落實。

在我國西部戈壁地區(qū)修建高等級公路，這些線路大多區(qū)段直接穿越強風、強日照、晝夜溫差大的地區(qū)，太陽輻射會對混凝土造成不利的影響。然而在不清楚太陽輻射對混凝土影響規(guī)律的情況下，盲目施工會帶來一些不可預測的問題，從而導致混凝土的各種病害，拖延施工日期，造成不必要的費用支出。 周立霞[1]、黨振峰等[2]，舒志堅[3]學者分析了特殊環(huán)境下混凝土養(yǎng)護條件與混凝土強度、耐久性的關(guān)系。芮守番[4]、葉見曙等[5]詳細分析了混凝土的養(yǎng)護溫度、濕度對混凝土強度的影響規(guī)律。國外Abid等[6]對混凝土箱梁在有太陽輻射和無太陽輻射下的溫度場進行了長期的觀測和分析,但沒能對大溫差、干寒、強風地區(qū)太陽輻射對混凝土的各項性能的影響做出詳細地分析和研究。因此，研究太陽輻射對混凝土的影響規(guī)律有其必要性。

同時，國內(nèi)學者孫文等[7]、顧斌等[8]對特殊環(huán)境下箱梁日照溫度場進行了詳細的仿真分析。劉興法[9]、汪劍等[10]、陳衡治等[11]及一些國外學者[12-13]對箱梁在使用過程中的溫度場進行了測試及詳細的研究分析。但是，對于大溫差、干寒地區(qū)預制箱梁在預制場保存時的溫度場沒有進行詳細地分析和研究。因此，本文通過研究太陽輻射對混凝土各項性能的影響，分析了混凝土箱梁的日照溫度場，同時給出了在這種特殊環(huán)境條件下混凝土箱梁在1 d不同時段的溫度梯度變化規(guī)律。

2 混凝土強度試驗

2.1 工程背景

白明高速，主線起點為內(nèi)蒙與甘肅交界的白疙瘩，至終點甘肅與新疆交界的明水附近。BM01合同段起訖樁號：K1808+000.0—K1822+000.0,全長14 km，共設置大、中橋3座，涵洞14道，通道10處。設計采用高性能混凝土，設計年限100 a,標段內(nèi)風速≥7 m/s，常年有強風，晝夜溫差大，濕度常年低于40%。

2.2 混凝土配合

混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比(C50)Table 1 Mix ratio of concrete (C50) g/cm3

2.3 原材料檢測結(jié)果

水的相關(guān)參數(shù)見表2,砂子、水泥、石子的檢測結(jié)果見表3—表5。

表2 水的相關(guān)參數(shù)Table 2 Relative indexes of water

表3 砂子的檢測結(jié)果Table 3 Test results of sand

表4 水泥檢測結(jié)果Table 4 Test results of cement

表5 石子的檢測結(jié)果Table 5 Test results of stone

2.4 試驗方案

(1) 在大溫差、干寒、強風地區(qū)采用無日照養(yǎng)護、日照養(yǎng)護及標準養(yǎng)護方式進行抗裂性對比分析，給出3種養(yǎng)護方式下抗裂性的優(yōu)劣。同時測試3種養(yǎng)護方式下混凝土的強度增長規(guī)律。

(2) 在無日照和有日照2種養(yǎng)護方式下分別養(yǎng)護7 d后再搬回標養(yǎng)室養(yǎng)護21 d，測試不同齡期(7,12,19,28 d)混凝土的抗壓強度及28 d的抗拉強度，計算這2種養(yǎng)護方式下混凝土的強度損失量[14]。在養(yǎng)護過程中無日照養(yǎng)護和日照養(yǎng)護都處于大氣之中，前者只是對日照進行了遮擋。在這種大溫差、干寒的環(huán)境下，每日濕度13%～31%，溫度在-1～27 ℃之間變化，常常伴有大風，最大風速可達到11.46 m/s。

(3) 選擇20 m長預制箱梁進行試驗，測試其日照溫度的變化規(guī)律。溫度傳感器在澆筑前綁扎在鋼筋骨架上，澆筑過程中應該注意保護元件不被破壞。

2.5 試驗方法

(1) 試驗的各組混凝土試塊均根據(jù)表1中的配合比及表2—表5的原材料一次性制作完成，混凝土抗壓試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗裂環(huán)尺寸為425 mm×305 mm×100 mm(長×寬×高)。根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)測試各齡期混凝土試塊的抗壓強度及28 d的劈裂抗拉強度。觀察抗裂環(huán)開裂情況并且記錄縱向裂縫貫穿時間及裂縫寬度。

(2) 在3種不同養(yǎng)護方式下混凝土抗裂環(huán)均養(yǎng)護7 d，開裂時間從拆模開始算起?；炷亮⒎襟w試塊均養(yǎng)護28 d，測試不同齡期(3,5,7,14,28,56 d)混凝土抗壓強度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 日照對混凝土抗裂的影響規(guī)律

(1) 本試驗中的所有抗裂環(huán)都是在上午11:00拆模后進行不同方式養(yǎng)護，這個時間段可以滿足陽光照射要求。從圖1(a)和圖1(b)分析得出，在日照作用下抗裂環(huán)在2 h左右就開始出現(xiàn)裂縫，無日照作用的抗裂環(huán)在58 h左右開始出現(xiàn)貫穿的裂縫。因此可以得出無日照養(yǎng)護的開裂速度遠遠小于日照養(yǎng)護。同時標準養(yǎng)護7 d開裂時間為172 h，且只有1條貫穿裂縫，如圖1(c)所示。這就說明在這種大溫差、干寒地區(qū)，日照加快了混凝土開裂。同時，從圖1(a)和圖1(b)中可以清楚地觀察到有日照養(yǎng)護的裂縫個數(shù)多于無日照養(yǎng)護裂縫個數(shù)。這是由于在這種大溫差干寒地區(qū)混凝土自身毛細水分蒸發(fā)快，自收縮變形較大，而日照正好加速了水分蒸發(fā)促使混凝土前期開裂。同時由于日照的作用加大前期水化熱的溫度也可能導致混凝土開裂。因此在這種特殊環(huán)境下，前期應盡量避免強光照射，并保證足夠的濕度。

圖1 不同養(yǎng)護條件下的混凝土抗裂環(huán)Fig.1 Anti-crack concrete rings under different curing conditions

(2) 根據(jù)表6也可以看出，開裂時間與開裂寬度成正比關(guān)系。隨著開裂時間增長，開裂寬度也在增大，而標準養(yǎng)護28 d的抗裂環(huán)不產(chǎn)生裂縫，這就說明混凝土前期的養(yǎng)護是非常重要的。有日照養(yǎng)護與無日照養(yǎng)護的區(qū)別為溫度和濕度，日照養(yǎng)護提供了溫度，無日照養(yǎng)護減緩了水分蒸發(fā)。在這種大溫差地區(qū)，晚上溫度可以達到0 ℃以下，這就使得水泥水化速度減慢，因而無日照養(yǎng)護的抗裂環(huán)開裂時間會加長，而有日照的剛好相反。因此在混凝土早期一定要控制好混凝土養(yǎng)護的溫度和濕度，這樣才可以有效控制混凝土的開裂。

表6 不同養(yǎng)護下混凝土開裂狀況Table 6 Cracking of concretes under differentcuring conditions

3.2 日照對混凝土強度及強度損失的影響規(guī)律

(1) 根據(jù)圖2分析得出:在28 d時日照養(yǎng)護與無日照養(yǎng)護情況下強度分別是標準養(yǎng)護28 d強度的94.44%,77.78%，日照養(yǎng)護下混凝土28 d強度為51.02 MPa，滿足強度要求;無日照養(yǎng)護3 d強度只有標準養(yǎng)護3 d強度的65.80%，而日照養(yǎng)護3 d強度可以達到標準養(yǎng)護3 d強度的92.28%。這就說明日照加快了水化熱的進程，提高了混凝土的強度。因此在這種大溫差、干寒地區(qū)，混凝土在養(yǎng)護過程中一定要采取適當?shù)谋卮胧?。如果不采取保溫措施，混凝土的強度將難以滿足要求。根據(jù)圖2可得出，無日照養(yǎng)護條件下強度增長緩慢，28 d時混凝土將難以達到規(guī)范要求的強度50 MPa。

(2) 雖然日照養(yǎng)護下強度滿足要求(圖2)，但是根據(jù)3.1節(jié)中日照對混凝土抗裂的影響規(guī)律的分析可知，日照養(yǎng)護下抗裂性難以滿足要求。因此在施工過程中不能僅控制混凝土的強度，更應該注意混凝土前期對濕度的需求，控制混凝土的裂縫發(fā)展。

圖2 不同養(yǎng)護下混凝土強度變化曲線Fig.2 Variations of concrete strength under different curing conditions

(3) 根據(jù)表7可知，日照養(yǎng)護和無日照養(yǎng)護7 d后再進行標準養(yǎng)護，混凝土抗壓強度不斷增加，在28 d齡期時強度分別達到了51.02 MPa和51.66 MPa，滿足設計要求50 MPa。但是，在養(yǎng)護28 d時有日照養(yǎng)護的抗拉強度是無日照養(yǎng)護的78%，因此不能只考慮其抗壓強度，注意防止混凝土開裂。從表7可以看出無日照作用下28 d抗壓強度損失7.15%，抗拉強度損失15.03%，而有日照作用下的混凝土28 d抗壓強度損失的8.3%，抗拉強度損失29.02%。無日照養(yǎng)護的混凝土早期強度損失遠小于日照養(yǎng)護下的強度，但隨著標準養(yǎng)護時間的增加，28 d時無日照養(yǎng)護的混凝土抗拉及抗壓強度損失反而小于日照養(yǎng)護的混凝土。說明日照促進了水泥的水化，使其前期強度較高，隨著日照的作用混凝土產(chǎn)生裂縫影響其后期的強度增長，因此無日照養(yǎng)護后期在標準養(yǎng)護以后強度高于日照養(yǎng)護的混凝土。

表7 混凝土強度損失Table 7 Losses of concrete strength

3.3 混凝土箱梁溫度場的觀測與分析

3.3.1 溫度傳感器布置

本次測試試驗的對象為20 m長預制箱梁，預制箱梁縱向按西南—東北(大約偏轉(zhuǎn)30°)方向置于梁場，如圖3所示，在箱梁跨中橫截面布置溫度傳感器，沿其縱向不再布置。為了研究這種特殊溫度分布環(huán)境下對箱梁的不利影響，本文挑選濕度相對較低、晝夜溫差較大的月份進行試驗(2015年10月份)。

圖3 混凝土箱梁跨中截面溫度傳感計布置Fig.3 Layout of temperature sensors in cross section of concrete box girder

圖4 大氣溫度與箱室內(nèi)溫度變化曲線Fig.4 Temperature of atmosphere and temperature inside box girder

3.3.2 日照輻射作用下箱梁溫度的變化

由于測量數(shù)據(jù)較多，在分析過程中只給出部分數(shù)據(jù)用于說明問題。

圖4為大氣溫度和混凝土箱梁室內(nèi)空氣的溫度。由圖4可知，大氣溫度絕大部分時間高于箱室內(nèi)空氣溫度，1 d中大氣溫度近似呈現(xiàn)正弦式變化，變化幅度為20 ℃左右。箱室內(nèi)與外界存在空氣對流，其溫度變化幅度略低于大氣溫度，變化幅度為11 ℃左右，同時箱內(nèi)溫度滯后于大氣溫度。

圖5為箱梁腹板溫度，箱梁的東北側(cè)由于較早受到太陽輻射作用，所以東北側(cè)腹板在上午8:00～11:00之間溫度上升明顯較快，且在較長時間內(nèi)都高于西南側(cè)腹板相同深度處的混凝土溫度，且相差較大。而在12:00時左右，溫差達到最大值15 ℃左右，小于規(guī)范要求；箱梁西南一側(cè)由于角度及翼緣板的影響，下午受到的太陽輻射作用較弱，基本隨著大氣變化而變化；箱梁東北一側(cè)與西南一側(cè)腹板中間溫差在5 ℃左右，東北側(cè)腹板最大溫差為9 ℃左右，西南一側(cè)變化不大。

圖5 混凝土箱梁腹板溫度變化曲線Fig.5 Temperature of mid-plate in concrete box girder

圖6 混凝土箱梁頂板溫度變化曲線Fig.6 Temperature of deck slab of concrete box girder

圖6為箱梁頂板溫度變化,由于頂板表面貼有溫度傳感器，而且頂板也是受日照輻射最強的地方，因此頂板溫度的變化幅度顯著。頂板以下9 cm范圍內(nèi)，混凝土溫度大概呈正弦變化，變化幅度約為22 ℃，9 cm以下溫度變化幅度約為2 ℃。而頂板最大溫度差為12 ℃，小于規(guī)范要求。即使這樣，在箱梁預制好之后應該進行遮擋保存以避免暴曬和風蝕。

圖7為箱梁底板溫度變化曲線，由于底板與預制的底座緊緊相貼，因此所受大氣溫度及日照輻射的影響不大。底板溫度呈正弦變化，最大溫度與最小溫度延遲于大氣溫度4～6 h，變化幅度不大，約為2 ℃。底板的溫差在1.5 ℃左右，小于規(guī)范要求。

圖7 混凝土箱梁底板溫度變化曲線Fig.7 Temperature of bottom slab of concrete box girder

綜合分析，對于預制混凝土箱梁在預制場時應該盡量遮擋保存，以避免強光直射和驟然降溫對箱梁產(chǎn)生的不利影響。箱梁在日照作用下內(nèi)外最大溫差為15 ℃，小于規(guī)范要求，因此由溫度產(chǎn)生的溫度應力不會造成混凝土箱梁開裂。同時，在保存預制箱梁時應該及時添加箱梁兩端的堵頭板，防止空氣對流加快內(nèi)側(cè)溫度下降，導致產(chǎn)生較大的溫度應力而使混凝土開裂。

圖8 實測混凝土箱梁某一天的各時刻的豎向溫度梯度Fig.8 Measured vertical temperature gradients of concrete box girder in one day

3.3.3 日照作用下混凝土箱梁溫度梯度變化

圖8為實測2015年10月份某一天的溫度梯度變化，從圖8可以看出溫度梯度隨時間在不斷地變化，而且與《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)要求方值相差很大。這是由于箱梁未及時安裝堵頭板，而底板與預制底座緊緊相貼，導致底板的溫度變化比腹板緩慢，因此底板溫度高于腹板溫度。

同時，頂板下邊緣與空氣對流很快，導致頂板表面與內(nèi)部溫差加大，使頂板下邊緣的溫度低于腹板溫度，因而整個溫度梯度如圖8所示。所以箱梁在預制場保存時的溫度梯度與架梁后完全不一樣，在以后的分析過程中應該注意這一點。

4 結(jié) 論

(1) 日照可加快混凝土強度增長速度，而且28 d的強度可達到50 MPa以上。無日照養(yǎng)護的混凝土抗裂性優(yōu)于日照養(yǎng)護的混凝土，但是其強度發(fā)展緩慢，28 d的強度只達到48 MPa。因此在這種大溫差、干寒地區(qū)養(yǎng)護混凝土過程當中不僅要保證足夠的濕度，更應該保證其足夠的溫度。

(2) 在大溫差戈壁地區(qū)混凝土無日照作用下28 d抗壓強度損失7.15%，抗拉強度損失15.03%;而日照作用下的混凝土28 d抗壓強度損失的8.3%，抗拉強度損失29.02%。

(3) 給出大溫差干寒條件下混凝土預制箱梁在預制場保存時的箱梁溫度變化規(guī)律，同時給出了在1 d內(nèi)不同時段混凝土箱梁的溫度梯度變化規(guī)律。

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Effect of Sunlight on Concrete Box Girder in Arid andCold Region with Large Temperature Difference

ZHAO Wen-bin1, LIU Jian-xun1, ZHANG Rong-ling1,2, LI Yan-sheng3, GUAN Hui-jun3

(1.School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2.National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road and Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou 730070, China; 3.Gansu Road and Bridge Third Highway Engineering Co., Ltd., Lanzhou 730050, China)

The aim of this research is to investigate the influence of sunlight on concrete box girder at precasting yard in arid and cold regions with big temperature difference. First of all the materials were tested, and concrete anti-crack ring was used to test the advantages and shortcomings of concrete in curing conditions both in the presence and in the absence of sunlight. Moreover, the variations and losses of concrete strength were also analyzed under the above mentioned curing conditions, and the obtained results were compared with those under standard curing. In addition, the changes of temperature field of precast box girders in the precast yard were tested and the temperature gradients in different time periods were acquired. The results are concluded as follows: 1) sunlight enhances the strength of concrete, but exerts adverse impact on the crack resistance of concrete; 2) the losses of tensile strength and compressive strength of concrete under sunlight curing are both larger than those in the absence of sunlight; 3) the temperature variation law of box girder in the precasting yard and the change law of temperature gradient in the same time of a day are given.

concrete box girder; large temperature difference; solar radiation; concrete strength; sunlight temperature field

2016-09-02;

2016-10-12

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃滾動支持項目(IRT15R29)；甘肅省交通運輸廳科研項目(201606)

趙文斌(1990-)，男，甘肅慶陽人，碩士,研究方向為預制混凝土箱梁裂縫控制技術(shù)研究。E-mail:1079913040@qq.com

劉建勛(1970-)，男，甘肅武威人，教授級高級工程師，碩士，從事預應力混凝土橋梁全壽命理論及應用的研究。E-mail:18209315888@139.com

10.11988/ckyyb.20160899

TU528.37;U441

A

1001-5485(2018)01-0137-06

(編輯：王 慰)