高寒环境下配筋率对混凝土温度场影响试验研究

侯湘亚

摘 要：根据钢材和混凝土两种不同材料的热学参数尤其是导热系数差异测算，混凝土的温度场在一定程度受钢筋影响。通过对不同配筋率的混凝土构件进行试验，在冻库实现高寒地区环境温度模拟，通过测试混凝土构件各个区域温度随水化热反应后的变化，确定配筋率对混凝土构件温度场的影响，得出在高寒地区钢筋对混凝土温度场影响较为明显，可以作为一种有效的温控措施对大体积混凝土温度场进行控制。

关键词：钢材;混凝土;水化热;高寒;配筋率

中图分类号：TQ172.4     文献标志码：A     文章编号：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

钢材和混凝土这两种不同材料的热学参数尤其是导热系数不尽相同，钢筋和混凝土的导热系数分别为43.2 W/（m·℃）、1.51 W/（m·℃），钢筋会影响混凝土结构的温度场，配筋率越高，影响越明显。混凝土内部的钢筋体积分数增大会导致混凝土本身导热系数增大;钢筋体积分数较大时，应当注意钢筋对混凝土导热系数的改变。对于混凝土结构，在施工过程中往往会露出钢筋接头，考虑到钢筋和混凝土两种材料的导热系数相差较大，钢筋在这种情况下会起到一个类似热棒的作用。热棒作为一种较为特殊的降温手段，在实际工程中应用较少，主要应用在西藏等冻土地区的路基工程中[1-4]。而钢筋接头在实际工程中应用很普遍，笔者通过试验研究钢筋对大体积混凝土温度场的影响[5-6]。

1 凍库试验仪器和设备

钢筋混凝土温度场试验主要通过在混凝土中设置不同的配筋率，测试混凝土在水泥绝热升温后温度场的变化，通过测得的温度数据，研究钢筋的热棒效应的影响效果。本次试验共加工制作5个混凝土试件，并放置在自行制作的保温桶内。每组试件分别配置0、1、2、3、4根钢筋，配备钢筋为Φ36 mm钢筋，长0.7 m。5个试件的钢筋布置平面图如图1至图4所示。

在混凝土浇筑后的72 h内，采用智能读数仪人工测量混凝土试件的实时温度。沿着钢筋竖向分别在中心高度靠近钢筋、3/4混凝土试件高度和混凝土试件顶部布置3个温度传感器;沿着钢筋横向分别在距离中心75 mm以及距离中心150 mm的混凝土试件表面处布置2个传感器。传感器编号依次为A、B、C、D、E，具体布置方式见图5，试件结构见图6。

试验采用高密度橡塑海绵自行制作保温桶，其海绵厚度为12 cm，海绵的导热系数为0.034 W/（m·℃），具有非常好的保温效果。试验采用的温度传感器型号为长沙市三智电子科技有限公司SZW-18智能温度传感器，测量误差为±0.1 ℃;测量仪器为长沙市三智电子科技有限公司SZZW-ZH智能读数仪。

试验中所采用的原材料如下。海螺牌普通硅酸盐42.5水泥;湘潭郊区河砂，为Ⅰ区中砂;湘潭锰矿碎石，其最大粒径不超过10 mm。混凝土种类参考清华大学的试验，同样采用自密实混凝土，其配合比如表1所示[7]。

试验中每个混凝土试件放置5个传感器，采用扎丝、塑胶卡扣将传感器固定在钢筋上;没有放置钢筋的混凝土试件将传感器绑在铁丝上。

2 试验步骤

试验采用滚动式混凝土拌和机拌和，浇筑后马上运输到冻库中，冻库根据试验要求设置为0 ℃恒温，冻库完全密闭，所以空气流速为0 m/s。为了保证钢筋混凝土试件不受冻库地面温度的影响，特意将试件放置在定做的木板支架上，从而保证试件底部的边界条件与其余面一样为第三类边界条件。

试验测得72 h的各个试件温度场的数据，采用长沙市三智电子科技有限公司SZZW-ZH智能读数仪每2 h进行一次测量，从混凝土入模时开始第一次测量，直到72 h。

3 中心点试验结果与分析

经过72 h，测得了175组试验数据，现在将5个试件中心点的实测数据列入图表，得到试件温升曲线，如图7所示。

试件1在混凝土浇筑后第46 h达到峰值温度42.1 ℃;试件2在混凝土浇筑后第40 h达到峰值温度41.1 ℃;试件3在混凝土浇筑后第38 h达到峰值温度33.3 ℃;试件4在混凝土浇筑后第34 h达到峰值温度31.9 ℃;试件5在混凝土浇筑后第34 h达到峰值温度30.6 ℃。通过试验数据可以发现，配置钢筋的混凝土与没有配置钢筋的混凝土试件温度场区别较大，其中心点最高温度都下降了较多，其减少的数值依次是1 ℃、7.7 ℃、10.2 ℃和11.5 ℃。

由图7得到混凝土的温升过程主要分为两个阶段。第一阶段：混凝土浇筑开始到35 h左右，混凝土试件的热量产量大于钢筋传导出去的热量，所以5个试件的温度曲线均持续升高。但是，配有钢筋的混凝土最高温度相对来说处于一个较低的位置。第二阶段：从35 h到72 h这段时间内，未配有钢筋的混凝土试件在水化热作用下，试件的温度会持续上升达到最高温度，然后慢慢降低;而配有钢筋的混凝土试件，此时钢筋传导出去的热量大于混凝土试件的热量产量，从而导致试件温度慢慢降低，而且降温速率会大于未配有钢筋的混凝土试件;在混凝土浇筑72 h时，配有钢筋的混凝土试件的温度远小于未配有钢筋的混凝土试件的温度，并且减少了与冻库内部的温差，在很大程度上缩短了混凝土试件到达稳定温度的时间。所以，冻库试验的数据显示，钢筋在混凝土温度场的控制中可以起到较好的效果，且配筋率较高的温控效果更加显著。

4 竖向温度场试验结果与分析

为研究钢筋在混凝土试件中的竖向温控范围，现将5个试件中在3/4混凝土试件高度的B点和混凝土试件顶部的A点实测数据列入图表，得到竖向最大温差，如图8所示。

由图8可以看出，试件1竖向温差并不规律，但始终在0 ℃左右波动，波动范围为-1.4～0.8 ℃，因为保温桶隔热效果较好，所以混凝土试件整体温度相差很小;试件2竖向温差在46 h时达到峰值温度3.3 ℃;试件3竖向温差在40 h时达到峰值温度2.8 ℃;试件4竖向温差在38 h时达到峰值温度2.3 ℃;试件5竖向温差在38 h时达到峰值温度3.2 ℃。试验结果表明，沿钢筋竖向向外温控效果逐渐增强，但是增强幅度较小。钢筋对于混凝土试件的竖向温度场有一定的影响，越接近混凝土试件顶部，其温度越低。但是对其竖向影响幅度较小，温差最大仅为3 ℃。

5 横向温度场试验结果与分析

为研究钢筋在混凝土试件中的横向温控范围，现将5个混凝土试件沿着钢筋横向分别在距离中心75 mm的D点以及距离中心150 mm的混凝土试件表面的E点实测数据列入图表，得到横向最大温差，如图9所示。

由图9可以看出，试件1横向温差并不规律，但始终在0 ℃左右波动，波动范围为-0.7～0 ℃，因为保温桶隔热效果较好，所以混凝土试件整体温度相差很小;试件2横向温差在30 h时达到峰值温度-0.7 ℃;试件3横向的温差在26 h时左右达到峰值温度-1.0 ℃;试件4横向温差在32 h时左右达到峰值温度-1.2 ℃;试件5横向温差在34 h时达到峰值温度-1.5 ℃。试验结果表明，沿钢筋横向向外温控效果逐渐减小，但是减小幅度较小，这说明钢筋对于混凝土试件的横向150 mm范围内温控效果很好，其温差最大仅为-1.5 ℃。

6 结论

为模拟高寒地区环境，在凍库中采用钢筋进行混凝土温控试验研究，并设置不同的配筋率进行对比，得出以下结论。

①高寒地区钢筋可以使混凝土峰值温度大幅降低，峰值时间提前，并且缩短最终到达稳定温度的时间。

②钢筋竖向向外150 mm范围内，温控效果逐渐增强，但增强幅度较小。

③钢筋横向150 mm范围内，温控效果逐渐降低，但降低幅度较小，在此范围内整体具有良好的温控效果。

④在高寒地区，钢筋可以作为一种有效的温控手段，对大体积混凝土温度场进行控制，减少温度裂缝的产生。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工标准：GB 50496—2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1998.

[3] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4] [朱岳明，徐之青，贺金仁，等.混凝土水管冷却温度场的计算方法[J].长江科学院院报，2003（2）：19-22.

[5] CREC.青藏铁路冻土热管的传热分析[R].兰州：中铁西北科学研究院，2003.

[6] 雷柯夫.热传导理论[M].裘烈钧，丁履德，译.北京：高等教育出版社，1955.

[7] 周虎.普及型自密实混凝土的研究[D].北京：清华大学，2006.