大温差、干寒地区日照对混凝土箱梁的影响规律

，,,1b，,

(1.兰州交通大学 a.土木工程学院; b.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室， 兰州 730070; 2.甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，兰州 730050)

大温差、干寒地区日照对混凝土箱梁的影响规律

赵文斌1a，刘建勋1a,张戎令1a,1b，李延盛2,关惠军2

(1.兰州交通大学 a.土木工程学院; b.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室， 兰州 730070; 2.甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，兰州 730050)

为研究大温差、干寒地区日照对保存在预制场的混凝土箱梁的影响规律，首先对原材料进行了检测，利用混凝土抗裂环，给出了日照养护与无日照养护条件下混凝土抗裂性的优劣；同时测试了在日照养护与无日照养护下混凝土的强度变化规律及强度损失，将得到的结果与标准养护下的结果进行了对比分析；然后，测试了预制箱梁在预制场保存期间的温度场变化规律，给出了不同时间段的温度变化梯度。得出结论：①日照可以提高混凝土的强度，但是会对混凝土的抗裂性产生不利的影响；②日照作用下混凝土的抗拉强度和抗压强度损失都大于无日照养护下的混凝土；③存放于露天梁场的混凝土箱梁一天内的日照温度梯度在不断发生变化，在下午14:00时变化幅度达到最大。

混凝土箱梁；大温差；太阳辐射；混凝土强度；日照温度场

1 研究背景

我国经济的迅速发展以及西部大开发战略的实施，有力地促进了西部地区的发展。近期提出的“一带一路”规划涉及交通、基建等6大行业，同时提出以交通基础设施为突破，实现亚洲互联互通。在此大背景下，必将在西部地区修建更多高等级公路，以促进各项政策的落实。

在我国西部戈壁地区修建高等级公路，这些线路大多区段直接穿越强风、强日照、昼夜温差大的地区，太阳辐射会对混凝土造成不利的影响。然而在不清楚太阳辐射对混凝土影响规律的情况下，盲目施工会带来一些不可预测的问题，从而导致混凝土的各种病害，拖延施工日期，造成不必要的费用支出。 周立霞[1]、党振峰等[2]，舒志坚[3]学者分析了特殊环境下混凝土养护条件与混凝土强度、耐久性的关系。芮守番[4]、叶见曙等[5]详细分析了混凝土的养护温度、湿度对混凝土强度的影响规律。国外Abid等[6]对混凝土箱梁在有太阳辐射和无太阳辐射下的温度场进行了长期的观测和分析,但没能对大温差、干寒、强风地区太阳辐射对混凝土的各项性能的影响做出详细地分析和研究。因此，研究太阳辐射对混凝土的影响规律有其必要性。

同时，国内学者孙文等[7]、顾斌等[8]对特殊环境下箱梁日照温度场进行了详细的仿真分析。刘兴法[9]、汪剑等[10]、陈衡治等[11]及一些国外学者[12-13]对箱梁在使用过程中的温度场进行了测试及详细的研究分析。但是，对于大温差、干寒地区预制箱梁在预制场保存时的温度场没有进行详细地分析和研究。因此，本文通过研究太阳辐射对混凝土各项性能的影响，分析了混凝土箱梁的日照温度场，同时给出了在这种特殊环境条件下混凝土箱梁在1 d不同时段的温度梯度变化规律。

2 混凝土强度试验

2.1 工程背景

白明高速，主线起点为内蒙与甘肃交界的白疙瘩，至终点甘肃与新疆交界的明水附近。BM01合同段起讫桩号：K1808+000.0—K1822+000.0,全长14 km，共设置大、中桥3座，涵洞14道，通道10处。设计采用高性能混凝土，设计年限100 a,标段内风速≥7 m/s，常年有强风，昼夜温差大，湿度常年低于40%。

2.2 混凝土配合

混凝土配合比见表1。

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

2.3 原材料检测结果

水的相关参数见表2,砂子、水泥、石子的检测结果见表3—表5。

表2 水的相关参数Table 2 Relative indexes of water

表3 砂子的检测结果Table 3 Test results of sand

表4 水泥检测结果Table 4 Test results of cement

表5 石子的检测结果Table 5 Test results of stone

2.4 试验方案

(1) 在大温差、干寒、强风地区采用无日照养护、日照养护及标准养护方式进行抗裂性对比分析，给出3种养护方式下抗裂性的优劣。同时测试3种养护方式下混凝土的强度增长规律。

(2) 在无日照和有日照2种养护方式下分别养护7 d后再搬回标养室养护21 d，测试不同龄期(7,12,19,28 d)混凝土的抗压强度及28 d的抗拉强度，计算这2种养护方式下混凝土的强度损失量[14]。在养护过程中无日照养护和日照养护都处于大气之中，前者只是对日照进行了遮挡。在这种大温差、干寒的环境下，每日湿度13%～31%，温度在-1～27 ℃之间变化，常常伴有大风，最大风速可达到11.46 m/s。

(3) 选择20 m长预制箱梁进行试验，测试其日照温度的变化规律。温度传感器在浇筑前绑扎在钢筋骨架上，浇筑过程中应该注意保护元件不被破坏。

2.5 试验方法

(1) 试验的各组混凝土试块均根据表1中的配合比及表2—表5的原材料一次性制作完成，混凝土抗压试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗裂环尺寸为425 mm×305 mm×100 mm(长×宽×高)。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)测试各龄期混凝土试块的抗压强度及28 d的劈裂抗拉强度。观察抗裂环开裂情况并且记录纵向裂缝贯穿时间及裂缝宽度。

(2) 在3种不同养护方式下混凝土抗裂环均养护7 d，开裂时间从拆模开始算起。混凝土立方体试块均养护28 d，测试不同龄期(3,5,7,14,28,56 d)混凝土抗压强度。

3 试验结果及分析

3.1 日照对混凝土抗裂的影响规律

(1) 本试验中的所有抗裂环都是在上午11:00拆模后进行不同方式养护，这个时间段可以满足阳光照射要求。从图1(a)和图1(b)分析得出，在日照作用下抗裂环在2 h左右就开始出现裂缝，无日照作用的抗裂环在58 h左右开始出现贯穿的裂缝。因此可以得出无日照养护的开裂速度远远小于日照养护。同时标准养护7 d开裂时间为172 h，且只有1条贯穿裂缝，如图1(c)所示。这就说明在这种大温差、干寒地区，日照加快了混凝土开裂。同时，从图1(a)和图1(b)中可以清楚地观察到有日照养护的裂缝个数多于无日照养护裂缝个数。这是由于在这种大温差干寒地区混凝土自身毛细水分蒸发快，自收缩变形较大，而日照正好加速了水分蒸发促使混凝土前期开裂。同时由于日照的作用加大前期水化热的温度也可能导致混凝土开裂。因此在这种特殊环境下，前期应尽量避免强光照射，并保证足够的湿度。

图1 不同养护条件下的混凝土抗裂环Fig.1 Anti-crack concrete rings under different curing conditions

(2) 根据表6也可以看出，开裂时间与开裂宽度成正比关系。随着开裂时间增长，开裂宽度也在增大，而标准养护28 d的抗裂环不产生裂缝，这就说明混凝土前期的养护是非常重要的。有日照养护与无日照养护的区别为温度和湿度，日照养护提供了温度，无日照养护减缓了水分蒸发。在这种大温差地区，晚上温度可以达到0 ℃以下，这就使得水泥水化速度减慢，因而无日照养护的抗裂环开裂时间会加长，而有日照的刚好相反。因此在混凝土早期一定要控制好混凝土养护的温度和湿度，这样才可以有效控制混凝土的开裂。

表6 不同养护下混凝土开裂状况Table 6 Cracking of concretes under differentcuring conditions

3.2 日照对混凝土强度及强度损失的影响规律

(1) 根据图2分析得出:在28 d时日照养护与无日照养护情况下强度分别是标准养护28 d强度的94.44%,77.78%，日照养护下混凝土28 d强度为51.02 MPa，满足强度要求;无日照养护3 d强度只有标准养护3 d强度的65.80%，而日照养护3 d强度可以达到标准养护3 d强度的92.28%。这就说明日照加快了水化热的进程，提高了混凝土的强度。因此在这种大温差、干寒地区，混凝土在养护过程中一定要采取适当的保温措施。如果不采取保温措施，混凝土的强度将难以满足要求。根据图2可得出，无日照养护条件下强度增长缓慢，28 d时混凝土将难以达到规范要求的强度50 MPa。

(2) 虽然日照养护下强度满足要求(图2)，但是根据3.1节中日照对混凝土抗裂的影响规律的分析可知，日照养护下抗裂性难以满足要求。因此在施工过程中不能仅控制混凝土的强度，更应该注意混凝土前期对湿度的需求，控制混凝土的裂缝发展。

图2 不同养护下混凝土强度变化曲线Fig.2 Variations of concrete strength under different curing conditions

(3) 根据表7可知，日照养护和无日照养护7 d后再进行标准养护，混凝土抗压强度不断增加，在28 d龄期时强度分别达到了51.02 MPa和51.66 MPa，满足设计要求50 MPa。但是，在养护28 d时有日照养护的抗拉强度是无日照养护的78%，因此不能只考虑其抗压强度，注意防止混凝土开裂。从表7可以看出无日照作用下28 d抗压强度损失7.15%，抗拉强度损失15.03%，而有日照作用下的混凝土28 d抗压强度损失的8.3%，抗拉强度损失29.02%。无日照养护的混凝土早期强度损失远小于日照养护下的强度，但随着标准养护时间的增加，28 d时无日照养护的混凝土抗拉及抗压强度损失反而小于日照养护的混凝土。说明日照促进了水泥的水化，使其前期强度较高，随着日照的作用混凝土产生裂缝影响其后期的强度增长，因此无日照养护后期在标准养护以后强度高于日照养护的混凝土。

表7 混凝土强度损失Table 7 Losses of concrete strength

3.3 混凝土箱梁温度场的观测与分析

3.3.1 温度传感器布置

本次测试试验的对象为20 m长预制箱梁，预制箱梁纵向按西南—东北(大约偏转30°)方向置于梁场，如图3所示，在箱梁跨中横截面布置温度传感器，沿其纵向不再布置。为了研究这种特殊温度分布环境下对箱梁的不利影响，本文挑选湿度相对较低、昼夜温差较大的月份进行试验(2015年10月份)。

图3 混凝土箱梁跨中截面温度传感计布置Fig.3 Layout of temperature sensors in cross section of concrete box girder

图4 大气温度与箱室内温度变化曲线Fig.4 Temperature of atmosphere and temperature inside box girder

3.3.2 日照辐射作用下箱梁温度的变化

由于测量数据较多，在分析过程中只给出部分数据用于说明问题。

图4为大气温度和混凝土箱梁室内空气的温度。由图4可知，大气温度绝大部分时间高于箱室内空气温度，1 d中大气温度近似呈现正弦式变化，变化幅度为20 ℃左右。箱室内与外界存在空气对流，其温度变化幅度略低于大气温度，变化幅度为11 ℃左右，同时箱内温度滞后于大气温度。

图5为箱梁腹板温度，箱梁的东北侧由于较早受到太阳辐射作用，所以东北侧腹板在上午8:00～11:00之间温度上升明显较快，且在较长时间内都高于西南侧腹板相同深度处的混凝土温度，且相差较大。而在12:00时左右，温差达到最大值15 ℃左右，小于规范要求；箱梁西南一侧由于角度及翼缘板的影响，下午受到的太阳辐射作用较弱，基本随着大气变化而变化；箱梁东北一侧与西南一侧腹板中间温差在5 ℃左右，东北侧腹板最大温差为9 ℃左右，西南一侧变化不大。

图5 混凝土箱梁腹板温度变化曲线Fig.5 Temperature of mid-plate in concrete box girder

图6 混凝土箱梁顶板温度变化曲线Fig.6 Temperature of deck slab of concrete box girder

图6为箱梁顶板温度变化,由于顶板表面贴有温度传感器，而且顶板也是受日照辐射最强的地方，因此顶板温度的变化幅度显著。顶板以下9 cm范围内，混凝土温度大概呈正弦变化，变化幅度约为22 ℃，9 cm以下温度变化幅度约为2 ℃。而顶板最大温度差为12 ℃，小于规范要求。即使这样，在箱梁预制好之后应该进行遮挡保存以避免暴晒和风蚀。

图7为箱梁底板温度变化曲线，由于底板与预制的底座紧紧相贴，因此所受大气温度及日照辐射的影响不大。底板温度呈正弦变化，最大温度与最小温度延迟于大气温度4～6 h，变化幅度不大，约为2 ℃。底板的温差在1.5 ℃左右，小于规范要求。

图7 混凝土箱梁底板温度变化曲线Fig.7 Temperature of bottom slab of concrete box girder

综合分析，对于预制混凝土箱梁在预制场时应该尽量遮挡保存，以避免强光直射和骤然降温对箱梁产生的不利影响。箱梁在日照作用下内外最大温差为15 ℃，小于规范要求，因此由温度产生的温度应力不会造成混凝土箱梁开裂。同时，在保存预制箱梁时应该及时添加箱梁两端的堵头板，防止空气对流加快内侧温度下降，导致产生较大的温度应力而使混凝土开裂。

图8 实测混凝土箱梁某一天的各时刻的竖向温度梯度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温度梯度变化

图8为实测2015年10月份某一天的温度梯度变化，从图8可以看出温度梯度随时间在不断地变化，而且与《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)要求方值相差很大。这是由于箱梁未及时安装堵头板，而底板与预制底座紧紧相贴，导致底板的温度变化比腹板缓慢，因此底板温度高于腹板温度。

同时，顶板下边缘与空气对流很快，导致顶板表面与内部温差加大，使顶板下边缘的温度低于腹板温度，因而整个温度梯度如图8所示。所以箱梁在预制场保存时的温度梯度与架梁后完全不一样，在以后的分析过程中应该注意这一点。

4 结 论

(1) 日照可加快混凝土强度增长速度，而且28 d的强度可达到50 MPa以上。无日照养护的混凝土抗裂性优于日照养护的混凝土，但是其强度发展缓慢，28 d的强度只达到48 MPa。因此在这种大温差、干寒地区养护混凝土过程当中不仅要保证足够的湿度，更应该保证其足够的温度。

(2) 在大温差戈壁地区混凝土无日照作用下28 d抗压强度损失7.15%，抗拉强度损失15.03%;而日照作用下的混凝土28 d抗压强度损失的8.3%，抗拉强度损失29.02%。

(3) 给出大温差干寒条件下混凝土预制箱梁在预制场保存时的箱梁温度变化规律，同时给出了在1 d内不同时段混凝土箱梁的温度梯度变化规律。

[1] 周立霞.西北戈壁地区高性能混凝土耐久性研究[D].兰州:兰州交通大学,2011.

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[4] 芮守香. 混凝土养护与温度、强度的关系[J]. 甘肃科技纵横, 2012, 41(5):143-144.

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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

长江学者和创新团队发展计划滚动支持项目(IRT15R29)；甘肃省交通运输厅科研项目(201606)

赵文斌(1990-)，男，甘肃庆阳人，硕士,研究方向为预制混凝土箱梁裂缝控制技术研究。E-mail:1079913040@qq.com

刘建勋(1970-)，男，甘肃武威人，教授级高级工程师，硕士，从事预应力混凝土桥梁全寿命理论及应用的研究。E-mail:18209315888@139.com

10.11988/ckyyb.20160899

TU528.37;U441

A

1001-5485(2018)01-0137-06

(编辑：王 慰)