高寒環(huán)境下配筋率對混凝土溫度場影響試驗研究

侯湘亞

摘 要：根據(jù)鋼材和混凝土兩種不同材料的熱學(xué)參數(shù)尤其是導(dǎo)熱系數(shù)差異測算，混凝土的溫度場在一定程度受鋼筋影響。通過對不同配筋率的混凝土構(gòu)件進行試驗，在凍庫實現(xiàn)高寒地區(qū)環(huán)境溫度模擬，通過測試混凝土構(gòu)件各個區(qū)域溫度隨水化熱反應(yīng)后的變化，確定配筋率對混凝土構(gòu)件溫度場的影響，得出在高寒地區(qū)鋼筋對混凝土溫度場影響較為明顯，可以作為一種有效的溫控措施對大體積混凝土溫度場進行控制。

關(guān)鍵詞：鋼材;混凝土;水化熱;高寒;配筋率

中圖分類號：TQ172.4 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）12-0066-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.013

Experimental Study on the Effect of Reinforcement Ratio on

Concrete Temperature Field in Alpine Environment

HOU Xiangya

（Xiangtan Urban and Rural Railway Investment Limited Company，Xiangtan 411201，China）

Abstract：According to the thermal parameters of steel and concrete， especially the difference in thermal conductivity， the temperature field of concrete is affected by steel bars to a certain extent. In the experiment， the environment temperature simulation in the alpine area is realized through the concrete members with different reinforcement ratios in the freezer， and the effect of the reinforcement ratio on the temperature field of the concrete members is determined by testing the changes of the temperature in each area of the concrete members with the reaction of the hydration heat， and the results are obtained. Reinforcement in alpine regions has obvious influence on the temperature field of concrete， which can be used as an effective temperature control measure to control the temperature field of mass concrete.

Keywords：steel; concrete; hydration heat; high cold; reinforcement ratio

0 引言

鋼材和混凝土這兩種不同材料的熱學(xué)參數(shù)尤其是導(dǎo)熱系數(shù)不盡相同，鋼筋和混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)分別為43.2 W/（m·℃）、1.51 W/（m·℃），鋼筋會影響混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場，配筋率越高，影響越明顯?；炷羶?nèi)部的鋼筋體積分?jǐn)?shù)增大會導(dǎo)致混凝土本身導(dǎo)熱系數(shù)增大;鋼筋體積分?jǐn)?shù)較大時，應(yīng)當(dāng)注意鋼筋對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的改變。對于混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過程中往往會露出鋼筋接頭，考慮到鋼筋和混凝土兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，鋼筋在這種情況下會起到一個類似熱棒的作用。熱棒作為一種較為特殊的降溫手段，在實際工程中應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在西藏等凍土地區(qū)的路基工程中[1-4]。而鋼筋接頭在實際工程中應(yīng)用很普遍，筆者通過試驗研究鋼筋對大體積混凝土溫度場的影響[5-6]。

1 凍庫試驗儀器和設(shè)備

鋼筋混凝土溫度場試驗主要通過在混凝土中設(shè)置不同的配筋率，測試混凝土在水泥絕熱升溫后溫度場的變化，通過測得的溫度數(shù)據(jù)，研究鋼筋的熱棒效應(yīng)的影響效果。本次試驗共加工制作5個混凝土試件，并放置在自行制作的保溫桶內(nèi)。每組試件分別配置0、1、2、3、4根鋼筋，配備鋼筋為Φ36 mm鋼筋，長0.7 m。5個試件的鋼筋布置平面圖如圖1至圖4所示。

在混凝土澆筑后的72 h內(nèi)，采用智能讀數(shù)儀人工測量混凝土試件的實時溫度。沿著鋼筋豎向分別在中心高度靠近鋼筋、3/4混凝土試件高度和混凝土試件頂部布置3個溫度傳感器;沿著鋼筋橫向分別在距離中心75 mm以及距離中心150 mm的混凝土試件表面處布置2個傳感器。傳感器編號依次為A、B、C、D、E，具體布置方式見圖5，試件結(jié)構(gòu)見圖6。

試驗采用高密度橡塑海綿自行制作保溫桶，其海綿厚度為12 cm，海綿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 W/（m·℃），具有非常好的保溫效果。試驗采用的溫度傳感器型號為長沙市三智電子科技有限公司SZW-18智能溫度傳感器，測量誤差為±0.1 ℃;測量儀器為長沙市三智電子科技有限公司SZZW-ZH智能讀數(shù)儀。

試驗中所采用的原材料如下。海螺牌普通硅酸鹽42.5水泥;湘潭郊區(qū)河砂，為Ⅰ區(qū)中砂;湘潭錳礦碎石，其最大粒徑不超過10 mm。混凝土種類參考清華大學(xué)的試驗，同樣采用自密實混凝土，其配合比如表1所示[7]。

試驗中每個混凝土試件放置5個傳感器，采用扎絲、塑膠卡扣將傳感器固定在鋼筋上;沒有放置鋼筋的混凝土試件將傳感器綁在鐵絲上。

2 試驗步驟

試驗采用滾動式混凝土拌和機拌和，澆筑后馬上運輸?shù)絻鰩熘?，凍庫根?jù)試驗要求設(shè)置為0 ℃恒溫，凍庫完全密閉，所以空氣流速為0 m/s。為了保證鋼筋混凝土試件不受凍庫地面溫度的影響，特意將試件放置在定做的木板支架上，從而保證試件底部的邊界條件與其余面一樣為第三類邊界條件。

試驗測得72 h的各個試件溫度場的數(shù)據(jù)，采用長沙市三智電子科技有限公司SZZW-ZH智能讀數(shù)儀每2 h進行一次測量，從混凝土入模時開始第一次測量，直到72 h。

3 中心點試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過72 h，測得了175組試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)在將5個試件中心點的實測數(shù)據(jù)列入圖表，得到試件溫升曲線，如圖7所示。

試件1在混凝土澆筑后第46 h達到峰值溫度42.1 ℃;試件2在混凝土澆筑后第40 h達到峰值溫度41.1 ℃;試件3在混凝土澆筑后第38 h達到峰值溫度33.3 ℃;試件4在混凝土澆筑后第34 h達到峰值溫度31.9 ℃;試件5在混凝土澆筑后第34 h達到峰值溫度30.6 ℃。通過試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，配置鋼筋的混凝土與沒有配置鋼筋的混凝土試件溫度場區(qū)別較大，其中心點最高溫度都下降了較多，其減少的數(shù)值依次是1 ℃、7.7 ℃、10.2 ℃和11.5 ℃。

由圖7得到混凝土的溫升過程主要分為兩個階段。第一階段：混凝土澆筑開始到35 h左右，混凝土試件的熱量產(chǎn)量大于鋼筋傳導(dǎo)出去的熱量，所以5個試件的溫度曲線均持續(xù)升高。但是，配有鋼筋的混凝土最高溫度相對來說處于一個較低的位置。第二階段：從35 h到72 h這段時間內(nèi)，未配有鋼筋的混凝土試件在水化熱作用下，試件的溫度會持續(xù)上升達到最高溫度，然后慢慢降低;而配有鋼筋的混凝土試件，此時鋼筋傳導(dǎo)出去的熱量大于混凝土試件的熱量產(chǎn)量，從而導(dǎo)致試件溫度慢慢降低，而且降溫速率會大于未配有鋼筋的混凝土試件;在混凝土澆筑72 h時，配有鋼筋的混凝土試件的溫度遠小于未配有鋼筋的混凝土試件的溫度，并且減少了與凍庫內(nèi)部的溫差，在很大程度上縮短了混凝土試件到達穩(wěn)定溫度的時間。所以，凍庫試驗的數(shù)據(jù)顯示，鋼筋在混凝土溫度場的控制中可以起到較好的效果，且配筋率較高的溫控效果更加顯著。

4 豎向溫度場試驗結(jié)果與分析

為研究鋼筋在混凝土試件中的豎向溫控范圍，現(xiàn)將5個試件中在3/4混凝土試件高度的B點和混凝土試件頂部的A點實測數(shù)據(jù)列入圖表，得到豎向最大溫差，如圖8所示。

由圖8可以看出，試件1豎向溫差并不規(guī)律，但始終在0 ℃左右波動，波動范圍為-1.4～0.8 ℃，因為保溫桶隔熱效果較好，所以混凝土試件整體溫度相差很小;試件2豎向溫差在46 h時達到峰值溫度3.3 ℃;試件3豎向溫差在40 h時達到峰值溫度2.8 ℃;試件4豎向溫差在38 h時達到峰值溫度2.3 ℃;試件5豎向溫差在38 h時達到峰值溫度3.2 ℃。試驗結(jié)果表明，沿鋼筋豎向向外溫控效果逐漸增強，但是增強幅度較小。鋼筋對于混凝土試件的豎向溫度場有一定的影響，越接近混凝土試件頂部，其溫度越低。但是對其豎向影響幅度較小，溫差最大僅為3 ℃。

5 橫向溫度場試驗結(jié)果與分析

為研究鋼筋在混凝土試件中的橫向溫控范圍，現(xiàn)將5個混凝土試件沿著鋼筋橫向分別在距離中心75 mm的D點以及距離中心150 mm的混凝土試件表面的E點實測數(shù)據(jù)列入圖表，得到橫向最大溫差，如圖9所示。

由圖9可以看出，試件1橫向溫差并不規(guī)律，但始終在0 ℃左右波動，波動范圍為-0.7～0 ℃，因為保溫桶隔熱效果較好，所以混凝土試件整體溫度相差很小;試件2橫向溫差在30 h時達到峰值溫度-0.7 ℃;試件3橫向的溫差在26 h時左右達到峰值溫度-1.0 ℃;試件4橫向溫差在32 h時左右達到峰值溫度-1.2 ℃;試件5橫向溫差在34 h時達到峰值溫度-1.5 ℃。試驗結(jié)果表明，沿鋼筋橫向向外溫控效果逐漸減小，但是減小幅度較小，這說明鋼筋對于混凝土試件的橫向150 mm范圍內(nèi)溫控效果很好，其溫差最大僅為-1.5 ℃。

6 結(jié)論

為模擬高寒地區(qū)環(huán)境，在凍庫中采用鋼筋進行混凝土溫控試驗研究，并設(shè)置不同的配筋率進行對比，得出以下結(jié)論。

①高寒地區(qū)鋼筋可以使混凝土峰值溫度大幅降低，峰值時間提前，并且縮短最終到達穩(wěn)定溫度的時間。

②鋼筋豎向向外150 mm范圍內(nèi)，溫控效果逐漸增強，但增強幅度較小。

③鋼筋橫向150 mm范圍內(nèi)，溫控效果逐漸降低，但降低幅度較小，在此范圍內(nèi)整體具有良好的溫控效果。

④在高寒地區(qū)，鋼筋可以作為一種有效的溫控手段，對大體積混凝土溫度場進行控制，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻：

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