1、铺面水泥混凝土冻融环境量化研究铺面水泥混凝土冻融环境量化研究李晔1，姚祖康1，孙旭毅2，刘春晨21.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092；2.民航东北管理局，辽宁沈阳110000摘 要：在分析铺面混凝土冻融环境特点的基础上，提出了表征铺面混凝土冻融循环的量化指标及其定义。根据有限差分方法计算得到的我国主要城市铺面混凝土内部年逐时温度，进行了铺面混凝土冻融环境的量化指标统计分析，建立了铺面混凝土年冻融循环次数的预估方程，统计得到各量化指标的分布状况和特征值。关键词：铺面水泥混凝土；冻融环境；量化研究以冻融耐久性裂纹和盐冻剥蚀损坏为代表的冻融损坏是冰冻地区铺面水泥混凝土(以下简
2、称混凝土)的主要损坏类型之一。预防铺面混凝土冻融损坏最有效的措施是制定科学定量的铺面混凝土抗冻设计指标，针对特定的铺面混凝土冻融环境进行有效的抗冻设计，而其基本前提是得到铺面混凝土冻融环境的量化指标1。对混凝土冻融环境的研究，因混凝土材料研究领域面向所有的工程应用，所以基本上局限于对气候环境冻融循环的简单统计，对某类工程混凝土内部湿度、温度变化的微气候及其与气候环境之间的关系没有进行深入研究，只针对港口、水利工程的不同部位对气候环境统计结果进行过简单的修正2，对铺面混凝土内部冻融循环微气候的研究没有涉及。铺面领域对环境影响历来受重视，但以往的研究主要着重于湿度、温度梯度引起的应力破坏，虽建立了
3、气候环境指标与面层混凝土温度梯度之间的理论与经验关系，但没有具体明确的混凝土面层冻融循环的定义与研究分析成果3。美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)正与联邦公路局(Federal Highway Administration)合作进行该方面的研究，目前已开发出利用详细的气候数据计算混凝土桥面板年冻融循环次数的程序4。本文在分析铺面混凝土冻融环境特点的基础上，提出了铺面混凝土自然冻融循环及其量化指标的定义，然后根据有限差分方法计算得到的我国主要城市铺面混凝土内部年逐时温度，进行了铺面混凝土冻融环境的量化指标统计分
4、析。1冻融环境量化指标定义根据混凝土冻融破坏机理可知，随冰冻降温速率、冰冻时长、最低冰冻温度以及混凝土饱水程度的不同，每次冻融循环对混凝土的损坏作用激烈程度则不同。对混凝土抗冻性能的快速评价则通过加大上述混凝土冻融循环特征的恶劣程度来缩短试验时间。在同一种冻融循环作用下，冻融损坏作用随冻融次数的增加而增强。因此不同气候环境下、铺面结构的不同使用寿命要求对铺面混凝土的抗冻耐久性有不同要求。所以对铺面混凝土冻融环境通过2大类4个指标来量化：一类是表征不同地区、不同气候条件差异的指标，具体为对应不同气候条件下的年自然冻融循环次数；另一类为表征铺面混凝土自然冻融循环与实验室评价试验冻融循环差异的特征指
5、标，具体为冰冻降温速率、冰冻时长、最低冰冻温度等3个指标，其中最重要的是冰冻降温速率。1.1铺面混凝土自然冻融循环定义铺面工作环境中与冻融损坏直接相关的因素是自然气温的冻融循环变化及结构饱水的容易程度。由于辐射热和气温在1d内发生周期性变化，通过热交换和热传导，铺面内不同深度处的温度也相应地发生周期性变化，当铺面处于由秋入冬或由冬转春的季节变换时期时，有可能在1d内发生数次正负温交替的冻融循环。因此计算铺面混凝土的年冻融循环次数不仅仅取决于冻与融的具体温度变化，而且与铺面的不同深度有关。一般而言，混凝土铺面不同深度处的温度日变化曲线的波动程度随深度而衰减，所以同一地点铺面混凝土的年冻融循环次数
6、也会随深度而减少。美国各州公路工作者协会(American Association of State Highway Officials)道路试验一实测数值为：在面板45mm深处年冻融循环次数为41次的情况下，在面板75mm深处的年冻融循环次数仅为18次。因此选择合适的计算点深度对正确量化铺面混凝土的冻融环境很重要5。雨天时，混凝土面层受到降水的润湿，可接近或达到水饱和状态。而晴天时，在空气温度和低相对湿度以及风的影响下，混凝土毛细管内的水分逐渐蒸发消失，面层逐步变干燥。面层的底面与基层相接触，未暴露在大气中，因而较少感受到大气的干湿影响，其湿度变化不如面层顶部那么大。Janssen在美国伊利
7、诺斯州的野外测定也表明，混凝土面层(20cm厚)仅在顶部5cm厚度范围内出现大幅度的干湿变化，而其余深度部分则长期保持80%以上的水饱和度6。图1为现场、试验室以及计算机仿真得到的铺面混凝土湿度沿深度的分布6，可以看出，距表面最近长期保持较高水饱和度的点距面层表面约5cm。美国各州公路工作者协会道路试验将铺面混凝土一次冻融循环定义为5：铺面冻融计算点温度从0以上降到小于0且保持低于0时间长于2h为冰冻一次，铺面冻融计算点温度从0以下升到0以上且保持高于0，2h以上为融化一次，一次冰冻与一次融化合起来计为一个冻融循环。根据前述铺面混凝土温度、湿度状况分析，本文选择铺面混凝土冻融循环计算点深度为5
8、cm。1.2冻融循环特征参数定义图2为一次典型冻融循环的逐时气温变化，则一次冻融循环的特征参数定义如下：冰冻最低温度冰冻过程中达到的最低温度，用min表示。冰冻时长从开始冰冻至开始融化经历的时长，即=a-f，其中f为冰冻开始时间，a为融化开始时间。冰冻降温速率冰冻降温速率为冰冻过程中从0开始达到冰冻最低温度时的平均降温速率，即Sf=|min|/(min-)，其中min为达到最低温度时间。2铺面混凝土自然冻融循环次数2.1计算自然冻融循环次数作者应用建筑环境设计模拟工具包DeST生成的逐时气象数据及自行编写的有限差分模型计算程序，选取了分布全国大多省份的37个主要城市(覆盖了几乎所有有机场的城市
9、)，对选定水泥混凝土铺面结构进行了不同深度的年逐时温度计算1。利用计算得到的不同地区混凝土面层5cm深处年逐时温度数据，根据铺面混凝土自然冻融循环的定义，我国主要城市铺面混凝土年冻融循环次数见表1。表2为上述统计结果与国家”九五”科技攻关课题“重点工程混凝土安全性研究”中根据近50年实际气象资料统计出的混凝土野外环境年冻融循环次数2的比较，两者基本一致，说明本统计中应用的气温资料、温度计算公式以及冻融循环定义较为合理。2.2铺面混凝土年冻融循环次数预估方程在对实际铺面工程进行混凝土抗冻设计时，对每个工程均进行冻融循环次数统计并不方便，通过统计分析，建立易于收集的与铺面混凝土冻融循环密切相关的气
10、象参数之间的关系，便可依据气象资料来预估该铺面工程所在地区的年冻融循环次数。根据冻融循环的定义以及混凝土与大气之间的热传导过程可知，铺面混凝土冻融循环与气象条件最密切的因素是气温和日照辐射；在气温方面，不同行业、不同国家的混凝土抗冻标准基本上采用最冷月平均气温作为特征参数，为了使铺面混凝土的抗冻设计指标具有可比性，也采用最冷月平均气温作为气温参数；而日照辐射，通常最容易获取的是当地的年日平均日照辐射热，所以采用年日平均日照辐射热作为太阳辐射的回归统计参数。去掉表1中年冻融循环次数小于5的样本，对年冻融循环次数与最冷月平均气温及年平均日照辐射进行回归统计，统计结果见表3，各回归关系式中ft表示铺
11、面混凝土年冻融循环次数，mm表示最冷月平均气温，my表示年日平均日照辐射。采用逐步回归分析方法，分析2个影响因素与铺面混凝土年冻融循环次数的相关程度，以剔除影响不显著的因素。取显著性水平=0.05，应用值检验ft与各变量的相关关系时，(0.95，2，31)=3.31，(0.95，1，31)=4.16。根据表3，年日平均日照辐射热显然与铺面混凝土年冻融循环次数不相关，最后采用如下模型来预估铺面混凝土年冻融循环次数：ft = -4.33mm+56.9(2 = 0.939，=12.5，=31) (1)按照式(1)，不同气候条件下铺面混凝土年冻融循环次数预估值见表4。3铺面混凝土自然冻融循环特征根据前
12、面冻融循环特征参数的定义，对参与年冻融循环次数回归统计的2280次冻融循环的特征参数进行统计分析。3.1特征参数分布铺面混凝土自然冻融循环的冰冻降温速率、冰冻时长、最低冰冻温度3个特征参数的分布分别见图35。3.2特征参数统计值铺面混凝土自然冻融循环的冰冻降温速率、冰冻时长、最低冰冻温度3个特征参数的统计值见表5。4结语本文提出了铺面混凝土自然冻融循环及其特征参数定义，统计得到全国37个城市年冻融循环次数及利用最冷月平均气温估算年冻融循环次数的方程式，及铺面混凝土自然冻融循环冰冻降温速率、冰冻时长、最低冰冻温度等特征参数的分布以及最大、最小、平均值等统计值，对进一步深入研究铺面混凝土冻融破坏机
13、理，制定我国铺面混凝土抗冻设计标准具有重要的参考价值。参考文献：（1） 李晔.铺面水泥混凝土抗冻设计指标研究D.上海：同济大学交通运输工程学院，2003.（2） 李金玉，邓正刚，曹建国，等.混凝土抗冻性的定量化设计A.重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用C.北京：中国建筑工业出版社，2000.212-217.（3） 姚祖康.道路路基和路面工程M.上海：同济大学出版社，1995.（4） Bentz D P. Acomputer model to predict the surface temperature and time of wetness of concrete bridge decks
14、 M. Washington D C. Building and Fire Research Laboratory，2002.（5） Dempsey B J， Herlache W A， Patel A J， Climatic materials structural pavement analysis program R. Washington D C： Transportation Research Board，1986.（6） Janssen D J. Moisture in Portland cement concrete R. Washington D C： Transportation Research Board，1987. （摘自：同济大学学报-自然科学版。2004年10月）
