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1無遮擋條件下的混凝土內溫度響應與自然環境溫度間的相關性

眾所周知，大多數混凝土結構直接暴露于自然環境的太陽照射下，其與外界間熱量交換主要依靠對流換熱和輻射，故混凝土內溫度響應模型有別于有遮擋或背陰條件下混凝土內溫度響應模型．混凝土在太陽輻射的作用下，考慮日照的導熱邊界條件可用式（21）表示。聯立方程式（13），（21），（22）和（23）可知，當獲取現場地理和太陽日總輻射量等信息后，即可建立無遮擋條件下混凝土內溫度響應模型與自然環境溫度作用模型間的聯系，如式（25）所示。從式（21）還可看出，若無輻射傳熱（即R＝0）則其轉化為式（18）．這表明若利用所求解的混凝土熱擴散系數α值（式（16）和（17））、混凝土表面溫度梯度（即式（19））和溫度（即式（8））及其自然環境溫度等參數，則可推導出混凝土與自然環境間的實時表面換熱系數β值．該法克服了傳統求解表面換熱系數的不足（如多基于穩態傳導，試樣與現場實況誤差大等），能用于實時求解自然環境與混凝土間的表面換熱系數，這為研究現場自然環境和人工模擬環境提供了理論依據．此外，從上述推導亦可知，若利用式（16），（19），（21）和（22）及其測定的混凝土與自然環境溫度等參數，則可反推導出太陽實時總輻射熱量，這為獲取現場實時太陽總輻射熱量提供了求解方法．

2試驗

2．1試驗原料、混凝土配制及試驗儀器試驗所用的主要原料為P•O42．5級硅酸鹽水泥（湖南長沙平塘水泥廠），聚羧酸系列高效減水劑（湖南長沙黃騰外加劑廠），I級粉煤灰（湖南湘潭電廠），S95級礦粉（湖南漣源鋼鐵集團有限公司產），長沙本地產河砂（細度模數約為2．9），連續級配粒徑5～20mm石灰巖碎石，長沙本地自來水．配制C30級混凝土所用原料配比（質量比）為水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶減水劑為290∶50∶60∶730∶1050∶164∶4．2．所采用的溫度測定儀為湖南省長沙市三智電子科技有限公司生產的SHT10溫濕度傳感器，測試前應對其精度進行校正，其精度為±0．1℃，掃描響應時間為5s，漂移量小于0．4℃／yr，可實時測定溫度值．

2．2試樣制作與試驗過程按照JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》和T0553—2005《水泥混凝土立方體抗壓強度試驗方法》的力學性能試驗要求安排實驗；澆筑尺寸為150mm×150mm×150mm立方體試樣，成型24h后脫模，放入標準養護池中養護；28d的實測抗壓強度約為34MPa．采用鉆芯機從試樣側面取芯，制成直徑為100mm±1mm，高度為150mm±1mm的圓柱體；然后，利用鉆機鉆取距表面不同厚度（35mm和50mm）的孔，相應孔徑約為10mm±1mm，將溫度傳感器置入孔中并用相同級配的混凝土砂漿密封；養護一定程度后，將所制備的含傳感器的試樣置于杜瓦瓶中（其端面與杜瓦瓶口平齊），并采用相同級配的混凝土澆筑成型和養護；根據測試要求，將試樣長時間（不少于3個月）置于所測自然環境中，以使得混凝土內各處溫濕度基本一致．圖1為用于測定一維混凝土內溫度響應規律的試件簡圖。圖2為相應的實物圖．測試有遮擋條件下混凝土內溫度響應規律的過程中，將試樣置于四周空曠且距地高度約為1．5m的百葉箱中，傳感器一端連接測定儀，記錄不同時刻環境溫度值和混凝土內不同深度溫度響應值；自然環境溫度隨時間變化規律亦采用溫度傳感器測定，其探頭直接懸掛于百葉箱中間；與之相比，無遮擋條件下混凝土內溫度響應規律測定過程中，試樣置于相同場地距地高度約為1．5m鋼筋架上．

3分析與討論

3．1有遮擋條件下自然環境中混凝土內溫度響應為了更好地研究自然環境溫度和混凝土內溫度變化規律，本文以長沙地區2011年8月16至18日為例研究了有遮擋條件下自然環境中的混凝土內不同深度處溫度的變化特征，并對17日的實測結果進行了擬合，相應的測試結果及其部分擬合曲線如圖3所示。從圖3可以看出，自然環境溫度和混凝土內溫度呈現出有規律的周期性變化，其波動周期約為24h，利用所建立的正弦（余弦）函數模型擬合實測結果可大致描述溫度波動規律．這表明上述所推導理論模型是合理的．至于部分區域出現擬合曲線與實測結果偏離是因晝夜時間長短不等使得升溫和降溫波動周期不相等造成的，將另文詳細闡釋．自然環境溫度與混凝土內溫度間的差別主要表現為混凝土內溫度響應波動曲線相對光滑、數據離散性小、溫度波動滯后和幅值衰減等方面，這是因混凝土的熱傳導系數、密度及其比熱容等賦予混凝土較大的熱阻———起延滯和消弱作用造成的．從圖3可知，有遮擋條件下混凝土內溫度響應主要受環境變化、混凝土傳熱系數和表面換熱系數影響．利用實測數據的溫度波動幅值，結合式（16）可求出混凝土內的熱擴散系數約為3×10－3m2／h；實測混凝土的密度約為2300kg／m3，若取其比熱容為920J／（kg•K），利用實測數據和式（18），則可求得實測現場混凝土表面與空氣間的表面換熱系數（對流換熱）約為20．5W／（m2•K）；將計算參數代入本文建立的混凝土內溫度響應模型，可求出35mm和50mm處的相位滯后分別約為0．44和0．54，其與圖3中的擬合曲線的相位差基本吻合，這表明該模型具有較好的精度．

3．2無遮擋條件下自然環境中混凝土內溫度響應大多數混凝土結構工程多暴露于太陽直接照射下，為了研究有／無遮擋對自然環境溫度和混凝土內溫度變化規律，本文以長沙地區2011年8月19日為例研究了無遮擋條件下自然環境與混凝土內不同深度處溫度的變化特征．長沙地區測量現場約處于北緯28．2°，日出時間約為6時，日落時間約為19時，8月19日天氣狀況與16～18日基本相同，相應的日輻射小時最大值約為1．73MJ／（m2•h）．鑒于此，該處僅對太陽照射期間（即6～19時）溫度變化規律進行探討，相應的實測溫度值及其擬合曲線如圖4所示．從圖4中可以看出，被太陽直接照射的混凝土內溫度響應規律明顯有別于有遮擋條件下混凝土內溫度響應，主要表現在溫度響應的波動幅值增加、溫度變化率大、最高溫度值增加及其時間提前等方面．本試驗所擬合的曲線是基于太陽照射期間溫度值，從圖4中可以看出分別基于混凝土內溫度響應和自然環境溫度所推導出的等效環境溫度理論擬合基本一致，部分區域略有差異是因參數取值等造成的，這表明上述理論推導所提出的環境等效溫度可以用于描述相應日照條件下混凝土內溫度響應規律．混凝土內溫度隨太陽升起而快速增高，隨日落急速降低，于13時左右混凝土內（35mm）的溫度出現極大值；而自然環境溫度于14．5時左右達到最大值，其隨日落而緩慢降低；無太陽照射期間混凝土內溫度響應規律與有遮擋條件下的響應規律相似．無遮擋條件下，混凝土獲得的熱量主要來源于太陽輻射能量———部分輻射能轉化為混凝土內能以提高自身溫度，另一部分以紅外線形式散射入環境中．混凝土溫度極大值是在其接受太陽輻射能和自身散射失掉的能量達到平衡后出現的———若混凝土獲取的輻射能量大于散射失掉能量，則多余的能量將轉化為混凝土內能以升高混凝土溫度；若散失能量大于混凝土通過輻射獲取的能量，則混凝土溫度會逐漸降低；故混凝土表層溫度達到最大值會出現在混凝土獲取的輻射能與散失掉的能量達到平衡時刻．環境溫度升高主要是通過吸收混凝土散射能量（紅外線）而到達的，混凝土向大氣散失能量需要一個時間過程，此即為相應的滯后時間．因而，自然環境溫度出現極大值滯后于無遮擋條件下混凝土出現溫度極大值時刻．產生這兩者差異是由于有／無遮擋條件下混凝土與外界環境之間熱能傳輸方式不同造成的．在有遮擋條件下，混凝土與環境間傳熱主要以表面對流換熱為主；而太陽照射條件下，兩者間換熱方式由輻射和對流換熱主導．輻射至混凝土表面的熱能大量傳導入混凝土內，從而使得混凝土溫度快速升高，部分能量以對流換熱和輻射方式傳遞給空氣．從圖4中還可以看出，太陽照射的混凝土內溫度響應值遠遠大于自然環境溫度，理論計算混凝土表層溫度可超過50℃，這表明混凝土內溫度響應規律受其獲取能量的方式影響顯著，自然環境溫度變化規律能否直接等效于混凝土內溫度變化規律，應視混凝土所處自然環境條件而定，這為人工室內模擬試驗溫度參數選取提供了依據．

4結論

1）基于傅立葉導熱方程和歐拉公式推導出了自然環境中有／無遮擋條件下的混凝土內微觀環境的溫度響應模型，實測結果表明，兩者之間差異顯著．無遮擋條件下混凝土內溫度響應規律主要表現為溫度響應更敏感、波幅較大和極值出現時間提前等方面；而有遮擋條件下混凝土內溫度響應卻出現滯后與衰減．這兩者間的差異是因主導混凝土與自然環境間換熱方式不同造成的．2）利用現場試驗溫度響應求解混凝土內熱擴散系數和表面換熱系數等參數是可行的，且可將太陽輻射傳熱效果等效為環境溫度作用．所求混凝土相應的熱擴散系數約為3×10－3m2／h，其表面換熱系數約為20．5W／（m2•K）．3）實測結果和理論分析表明，混凝土內溫度響應規律受其獲取能量的方式影響顯著，自然環境溫度變化規律能否直接等效于混凝土內溫度變化規律，應視混凝土所處自然環境條件而定。

作者：劉鵬余志武宋力陳令坤單位：中南大學土木工程學院中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室