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(cè)算，混凝土的溫度場(chǎng)在一定程度受鋼筋影響。通過(guò)對(duì)不同配筋率的混凝土構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，在凍庫(kù)實(shí)現(xiàn)高寒地區(qū)環(huán)境溫度模擬，通過(guò)測(cè)試混凝土構(gòu)件各個(gè)區(qū)域溫度隨水化熱反應(yīng)后的變化，確定配筋率對(duì)混凝土構(gòu)件溫度場(chǎng)的影響，得出在高寒地區(qū)鋼筋對(duì)混凝土溫度場(chǎng)影響較為明顯，可以作為一種有效的溫控措施對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：鋼材;混凝土;水化熱;高寒;配筋率

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ172.4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，配筋率越高，影響越明顯。混凝土內(nèi)部的鋼筋體積分?jǐn)?shù)增大會(huì)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(shí)，應(yīng)當(dāng)注意鋼筋對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的改變。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中往往會(huì)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(huì)起到一個(gè)類(lèi)似熱棒的作用。熱棒作為一種較為特殊的降溫手段，在實(shí)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(shí)際工程中應(yīng)用很普遍，筆者通過(guò)試驗(yàn)研究鋼筋對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)的影響[5-6]。

1 凍庫(kù)試驗(yàn)儀器和設(shè)備

鋼筋混凝土溫度場(chǎng)試驗(yàn)主要通過(guò)在混凝土中設(shè)置不同的配筋率，測(cè)試混凝土在水泥絕熱升溫后溫度場(chǎng)的變化，通過(guò)測(cè)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(yàn)共加工制作5個(gè)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(zhǎng)0.7 m。5個(gè)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(cè)量混凝土試件的實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)傳感器。傳感器編號(hào)依次為A、B、C、D、E，具體布置方式見(jiàn)圖5，試件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

試驗(yàn)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(yàn)采用的溫度傳感器型號(hào)為長(zhǎng)沙市三智電子科技有限公司SZW-18智能溫度傳感器，測(cè)量誤差為±0.1 ℃;測(cè)量?jī)x器為長(zhǎng)沙市三智電子科技有限公司SZZW-ZH智能讀數(shù)儀。

試驗(yàn)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(guò)10 mm。混凝土種類(lèi)參考清華大學(xué)的試驗(yàn)，同樣采用自密實(shí)混凝土，其配合比如表1所示[7]。

試驗(yàn)中每個(gè)混凝土試件放置5個(gè)傳感器，采用扎絲、塑膠卡扣將傳感器固定在鋼筋上;沒(méi)有放置鋼筋的混凝土試件將傳感器綁在鐵絲上。

2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)采用滾動(dòng)式混凝土拌和機(jī)拌和，澆筑后馬上運(yùn)輸?shù)絻鰩?kù)中，凍庫(kù)根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置為0 ℃恒溫，凍庫(kù)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(kù)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(lèi)邊界條件。

試驗(yàn)測(cè)得72 h的各個(gè)試件溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)，采用長(zhǎng)沙市三智電子科技有限公司SZZW-ZH智能讀數(shù)儀每2 h進(jìn)行一次測(cè)量，從混凝土入模時(shí)開(kāi)始第一次測(cè)量，直到72 h。

3 中心點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)72 h，測(cè)得了175組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在將5個(gè)試件中心點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(dá)到峰值溫度42.1 ℃;試件2在混凝土澆筑后第40 h達(dá)到峰值溫度41.1 ℃;試件3在混凝土澆筑后第38 h達(dá)到峰值溫度33.3 ℃;試件4在混凝土澆筑后第34 h達(dá)到峰值溫度31.9 ℃;試件5在混凝土澆筑后第34 h達(dá)到峰值溫度30.6 ℃。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，配置鋼筋的混凝土與沒(méi)有配置鋼筋的混凝土試件溫度場(chǎng)區(qū)別較大，其中心點(diǎn)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(guò)程主要分為兩個(gè)階段。第一階段：混凝土澆筑開(kāi)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(gè)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(duì)來(lái)說(shuō)處于一個(gè)較低的位置。第二階段：從35 h到72 h這段時(shí)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(huì)持續(xù)上升達(dá)到最高溫度，然后慢慢降低;而配有鋼筋的混凝土試件，此時(shí)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(huì)大于未配有鋼筋的混凝土試件;在混凝土澆筑72 h時(shí)，配有鋼筋的混凝土試件的溫度遠(yuǎn)小于未配有鋼筋的混凝土試件的溫度，并且減少了與凍庫(kù)內(nèi)部的溫差，在很大程度上縮短了混凝土試件到達(dá)穩(wěn)定溫度的時(shí)間。所以，凍庫(kù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，鋼筋在混凝土溫度場(chǎng)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(chǎng)試驗(yàn)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(gè)試件中在3/4混凝土試件高度的B點(diǎn)和混凝土試件頂部的A點(diǎn)實(shí)測(cè)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(dòng)，波動(dòng)范圍為-1.4～0.8 ℃，因?yàn)楸赝案魺嵝Ч^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(shí)達(dá)到峰值溫度3.3 ℃;試件3豎向溫差在40 h時(shí)達(dá)到峰值溫度2.8 ℃;試件4豎向溫差在38 h時(shí)達(dá)到峰值溫度2.3 ℃;試件5豎向溫差在38 h時(shí)達(dá)到峰值溫度3.2 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，沿鋼筋豎向向外溫控效果逐漸增強(qiáng)，但是增強(qiáng)幅度較小。鋼筋對(duì)于混凝土試件的豎向溫度場(chǎng)有一定的影響，越接近混凝土試件頂部，其溫度越低。但是對(duì)其豎向影響幅度較小，溫差最大僅為3 ℃。

5 橫向溫度場(chǎng)試驗(yàn)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(gè)混凝土試件沿著鋼筋橫向分別在距離中心75 mm的D點(diǎn)以及距離中心150 mm的混凝土試件表面的E點(diǎn)實(shí)測(cè)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(dòng)，波動(dòng)范圍為-0.7～0 ℃，因?yàn)楸赝案魺嵝Ч^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(shí)達(dá)到峰值溫度-0.7 ℃;試件3橫向的溫差在26 h時(shí)左右達(dá)到峰值溫度-1.0 ℃;試件4橫向溫差在32 h時(shí)左右達(dá)到峰值溫度-1.2 ℃;試件5橫向溫差在34 h時(shí)達(dá)到峰值溫度-1.5 ℃。試驗(yàn)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(shuō)明鋼筋對(duì)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(kù)中采用鋼筋進(jìn)行混凝土溫控試驗(yàn)研究，并設(shè)置不同的配筋率進(jìn)行對(duì)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(shí)間提前，并且縮短最終到達(dá)穩(wěn)定溫度的時(shí)間。

②鋼筋豎向向外150 mm范圍內(nèi)，溫控效果逐漸增強(qiáng)，但增強(qiáng)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(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行控制，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

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