青藏高原地區混凝土凍融環境量化方法

李雪峰，付 智，王華牢

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青藏高原地區混凝土凍融環境量化方法

李雪峰，付 智，王華牢

（交通運輸部公路科學研究院，北京 100088）

對青藏高原地區混凝土凍融環境進行合理量化是高原抗凍混凝土設計所面臨的首要問題。該文通過對處于同一凍融環境作用等級下的平原與高原地區大氣及地表溫度特征進行比較，發現相較于平原地區，高原地區因太陽輻射強度大，具有年正負溫交替次數更多、溫度日較差更大且日最低溫更低的環境溫度特征。通過將地表溫度近似代替混凝土結構物表面溫度，結合青藏高原1971－2003年20個地區的典型氣象年數據，建立了與最冷月平均氣溫及年太陽輻照量相關的青藏高原地區混凝土年均凍融循環次數確定方法。利用該方法對青藏高原主要地區混凝土年均凍融循環次數進行估算，結果表明，青藏高原地區混凝土年均凍融循環次數主要集中在150次以上，部分地區甚至大于200次，因此，高原地區應加強對混凝土進行抗凍耐久性設計。最后，該文給出青藏高原地區混凝土結構物抗凍設計等級推薦值。該研究可為青藏高原地區混凝土抗凍耐久性設計提供參考。

混凝土；溫度；太陽輻射；青藏高原；凍融環境；最冷月平均氣溫；抗凍設計等級

0 引 言

青藏高原地區平均海拔4 000 m，由于大氣透明度高，年太陽總輻射值高達5 850～7 950 MJ/m2，從而導致高原地區頻繁出現晝夜正負溫交替變化[1-5]。因此，設計和制備具有優良抗凍耐久性的混凝土是高原工程建設者必須面臨的問題之一[6-7]。

在對混凝土進行抗凍耐久性設計前，首先應根據混凝土材料服役地區的環境氣候特征，預估其設計壽命內的凍融循環次數，進而確定材料抗凍設計等級。目前，對于混凝土凍融環境的量化方法方面的研究尚不多見。李金玉等[8]研究認為，一個地區混凝土年均凍融循環次數與該地區最冷月平均氣溫有關，即最冷月平均氣溫越低，該地區混凝土年均凍融循環次數越多。李曄等[9]通過計算距混凝土表面50 mm處年逐時溫度變化，根據鋪面混凝土自然凍融循環的定義確定了中國37個主要城市鋪面混凝土年均凍融循環次數。武海榮等[10]在此基礎上，提出混凝土年凍融次數約為其服役環境處年負溫天數的0.7倍。但需要指出，由于高原地區經濟發展緩慢，交通基礎設施建設比較落后，上述關于混凝土凍融環境量化方法方面的研究主要針對“三北”平原地區，而高原地區由于太陽輻射強烈造成的年正負溫差天數要遠多于平原地區，從而對混凝土材料抗凍耐久性提出了更高要求[7-8]。因此，需針對高原地區環境氣候特征提出的相應的混凝土凍融環境量化方法。

為此，本文首先針對青藏高原地區氣候環境中能夠影響混凝土抗凍設計的典型溫度特征進行分析，并基于此評析現有混凝土凍融環境量化方法存在的不足；然后，通過統計青藏高原地區1971－2003年20個氣象觀測站的典型氣象資料，提出青藏高原地區混凝土年均凍融次數的確定方法；最后，給出青藏高原地區混凝土結構物抗凍設計等級推薦值。

1 青藏高原地區混凝土凍融環境溫度特征

《混凝土結構耐久性設計規范》[11]中按照最冷月平均氣溫將凍融環境等級劃分為嚴寒地區、寒冷地區和微凍地區，對應的最冷月平均氣溫分別為≤?8 ℃，?8 ℃＜≤?3 ℃以及?3 ℃＜≤2.5 ℃。因此，為比較平原地區與高原地區二者在混凝土凍融環境溫度上的差異，特選取“三北”地區（東北、華北及西北）中的典型城市與青藏高原典型地區（表1）進行對比，所選城市將分別覆蓋上述3個凍融環境等級。此外，研究表明混凝土凍融破壞最先發生于表層[12-14]，而表層混凝土溫度的變化受太陽輻射量影響顯著，文獻[4]中的實測結果表明，在青藏高原地區，強烈的太陽輻射將導致混凝土表層附近溫度在日間快速上升而夜間驟降。因此，如能較準確地確定混凝土結構物表面溫度的變化特征將對混凝土凍融循環次數的確定具有重要意義。通過比較發現，由于地表土壤與混凝土在物熱工參數上比較接近[15]（表2），同時，無論地表溫度還是混凝土表面溫度，二者所表征的溫度位置均在表層，這樣也在一定程度上減小因物質本身熱工系數上的差別而造成的溫度差別，實測結果表明地表溫度與混凝土結構物的表面溫度較為接近[16]。因此，可利用地表溫度值近似代替混凝土結構物的表面溫度值。最終，在對比平原與高原地區混凝土凍融環境溫度特征時分別選取大氣溫度和地表溫度作為統計變量。

表1 典型城市海拔及氣象參數

表2 混凝土與土壤的物理熱工參數[15]

統計所用氣象數據來源于江億院士建立的覆蓋全國所有城市的隨機氣象模型[17]，該模型主要包括逐時大氣溫度、地表溫度及總輻射等信息，統計時間選為易造成混凝土材料出現凍融破壞的10月至翌年4月（共計212 d）。具體統計方法如下：當1日內出現的最高溫度高于0 ℃，且最低溫度低于0 ℃時記為1次正負溫交替。由于混凝土材料內部孔結構中溶液的冰點通常在?3～?5 ℃[18-22]，因此，在統計各地區出現正負溫交替次數時將最低溫度劃分為3個等級，即最低溫上限值分別為0 、?3 、?5 ℃；同時，統計結果中還分別給出不同日較差溫度（Δ）范圍下正負溫交替次數。表3給出了平原與高原不同地區大氣溫度及地表溫度一年內出現正負交替的次數。

表3 不同地區年正負溫出現次數

由表3可知，對屬于同一凍融環境等級的平原和高原地區城市，以托托河和長春為例，按日最低溫度小于?5 ℃進行統計時，大氣溫度年正負溫交替出現次數分別為89次（托托河）和35次（長春），而統計地表溫度時該值分別為203次（托托河）和36次（長春）。可見，對處于同一凍融環境等級的平原和高原地區城市，高原地區大氣溫度出現正負溫交替次數要明顯多于平原地區，這種現象在地表溫度的統計上更為明顯。另外，在出現正負溫交替的天數中，高原地區溫度日較差值要明顯大于平原地區。同樣，當大氣溫度日最低值小于?5 ℃時，托托河出現的89次正負溫交替中，日較差溫度在10～20 ℃和20～30 ℃的次數分別為63次和26次，而長春出現的35次正負溫交替中，日較差溫度在0～10 ℃和10～20 ℃的次數分別為13次和22次。對于地表溫度，托托河地區203次正負溫交替中接近一半（95次）的日較差溫度大于40 ℃，而長春的日較差溫度均小于20 ℃，可見，對處于同一凍融環境等級的平原和高原地區城市，高原地區的降溫速率要大于平原地區。較大的降溫速率會對混凝土的抗凍耐久性產生不利影響[23-24]。另外，對處于嚴寒或寒冷環境等級的高原地區，出現正負溫差時日最低氣溫（或地表溫度）值較平原地區更低（大都小于?5 ℃）。如前所述，該溫度足以使混凝土中孔隙溶液結冰，從而產生較大的凍融破壞。

2 青藏高原地區混凝土凍融次數量化方法

目前，對不同地區自然環境下混凝土凍融次數量化方法的研究尚不多見，文獻[8]確定了中國4個主要地域的年均凍融循環次數，但其所針對的地域環境主要為平原地區，且在判定混凝土是否發生凍融循環時采用的溫度為大氣溫度，由上節統計結果可知，大氣溫度與混凝土結構物表面溫度間存在較大差異，這點在青藏高原地區將顯得更為突出，因此，該方法無法對高原地區混凝土凍融循環量化提供有效參考。文獻[9]在確定混凝土發生凍融循環時首先假定了凍融破壞發生在距混凝土表面50 mm處，并同時將0℃視為混凝土凍融臨界溫度，對于混凝土材料，其內部孔結構中溶液的冰點通常在?3～?5 ℃且凍融破壞最先發生在表層，因此，上述2種假設均與實際不符。文獻[10]提出混凝土年凍融循環次數的計算公式為：

式中為混凝土年凍融循環次數，次；T為最冷月平均溫度，℃。

如按照上式分別計算長春和托托河2個城市混凝土年凍融循環次數，結果分別為123和125次，二者在對混凝土抗凍耐久性設計上幾無差別。但由上節的統計結果可知，無論是大氣溫度還是地表溫度，在出現日正負溫交替變化次數上高原地區的托托河要明顯多于平原地區的長春，且溫度日較差更大，顯然托托河地區對混凝土抗凍耐久性要求更高。出現上述結果的原因為：公式（1）的提出主要是通過考察平原地區混凝土年凍融循環次數后與當地最冷月溫度建立了函數關系，而未考慮高原地區獨特的氣候環境特征，利用該公式計算時顯然會低估高原地區混凝土結構物年凍融循環次數。

為此，本文在尋求一種能夠較準確地反映高原地區混凝土結構物年凍融循環次數時主要基于以下2點考慮。1）造成高原地區年正負溫交替天數明顯多于平原地區的根本原因在于其太陽輻射強。由于大氣透明度較高，太陽輻射強度成為造成地面結構物溫度變化的主要誘因，應予考慮；2）在統計高原地區混凝土結構物年凍融循環次數時，假定混凝土材料處于無鹽環境下飽水狀態，而僅將溫度條件看作是決定混凝土是否出現凍融破壞的唯一因素。

基于上述分析，采取如下方法對青藏高原地區混凝土年凍融次數進行了統計：1）用地表溫度近似代表混凝土的表面溫度進行高原地區混凝土結構物年凍融循環次數的統計；2）統計中，定義一個凍融循環過程為地表最低溫度小于等于?3 ℃的時間不小于2 h且大于0 ℃的時間不小于2 h[25-26]；3）統計所用氣象數據為對1971－2003年20個高原氣象站的氣象資料進行統計分析后得到的典型氣象年數據。青藏高原主要地區年凍融循環次數統計結果見表4，同時為進一步驗證上述統計方法的準確性，對部分地區實測混凝土年凍融循環次數與利用地表溫度代替混凝土表面溫度統計得到的年凍融循環次數進行了比較（表5），其中天津地區取連續3年實測混凝土年凍融循環次數的平均值（82次）。結果表明，利用上述方法確定的混凝土年凍融次數與實測值具有較好的一致性，可用于確定青藏高原地區混凝土年凍融循環次數。

表4 青藏高原主要地區年凍融循環次數統計結果

表5 年凍融循環次數對比結果

注：天津實測結果分別代表1961－1962，1962－1963，1963－1964 3年混凝土年凍融循環次數，均值為82次。

Note: Measured value of Tianjin represent the number of freeze-thaw cycles of concrete per year recorded in 1961-1962, 1962-1963 and 1963-1964 respectively and the mean value is 82.

在實際工程中，需建立凍融循環次數與某一易于統計的當地環境氣候特征參數間的關系，以方便設計人員對該地區混凝土材料年凍融循環次數進行預估。

前文已指出太陽輻射是造成高原地區典型溫度氣候特征的重要誘因，另外，現有規范中一般采用最冷月平均氣溫來區分凍融環境作用的嚴酷程度。因此，將表4統計的青藏高原各地區年均凍融循環次數（）與最冷月平均氣溫（T）以及年平均太陽輻照量（）進行非線性回歸后得到如下關系式：

如式（2）所示，對于青藏高原地區混凝土年均凍融循環次數，可近似用該地區最冷月平均氣溫及年平均日照輻射量2個氣象變量進行表征，表6所示為利用式（2）對青藏高原主要地區年均凍融循環次數的估計值。結果表明，青藏高原地區混凝土年均凍融循環次數主要集中在150次以上，部分地區甚至大于200次。可見，青藏高原地區對混凝土抗凍耐久性能的要求極為嚴苛。

表6 青藏高原主要地區混凝土年均凍融循環次數

3 青藏高原地區混凝土抗凍設計

基于上節中對青藏高原不同地區年均凍融循環次數的統計，按照不同結構物的設計使用年限、混凝土服役環境、結構位置以及混凝土抗凍性的室內外關系，即可對高原地區混凝土抗凍耐久性進行初步量化，從而得到混凝土抗凍設計等級。混凝土抗凍設計等級的計算公式見式 （3）。

式中為混凝土抗凍設計等級，取50的整數倍；act為高原地區混凝土年均凍融循環次數；為混凝土結構設計年限，a；為室內外混凝土凍融損傷比例系數，對于引氣混凝土取13.5，對于非引氣混凝土取11.3[28]。

在對高原地區混凝土年凍融循環次數進行統計時已說明，在統計次數時假設混凝土一直處于飽水狀態，僅將溫度作為影響混凝土年凍融次數的唯一因素。但在實際工程中，環境作用（如濕度或土體及水體中的鹽類等）將對混凝土凍融次數以及凍融損傷程度造成很大影響，因而需對混凝土結構物實際所處的環境進行分級。本文對青藏高原地區凍融環境量化的研究結果表明，該地區混凝土極易出現凍融破壞，因而建議高原地區混凝土即使服役期常年處于干燥狀態且環境中無氯鹽及其他結晶類鹽存在，也應對其進行最低等級的抗凍設計。為此，參照《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[29]中對環境作用等級的定義，根據實際環境條件是否會加劇（或減弱）混凝土遭受凍融循環后所造成的損傷將環境分為4個等級（表7），由公式（2）計算得到的高原地區年均凍融循環次數所對應的環境等級為Ⅲ級。最終，青藏高原地區混凝土結構物抗凍耐久性設計中抗凍等級的推薦值如表8所示。

基于公式（2）、公式（3）、表7及表8，即可給出青藏高原地區混凝土抗凍設計的基本流程：1）首先通過獲取混凝土結構服役環境處的年最冷月溫度及年太陽輻射量，按式（2）計算得出該地區混凝土年均凍融循環次數（act）；2）然后根據混凝土材料在實際服役環境中的飽水狀態、所接觸土壤或水中是否存在鹽類物質等環境因素，通過表7確定混凝土服役環境作用等級；3）依據混凝土結構設計年限、服役地區年均凍融循環次數及環境作用等級，按表8確定混凝土抗凍設計等級；4）最后，根據確定的抗凍設計等級完成高原地區混凝土配合比設計。

表7 環境作用等級

注：按照文獻[29]中的定義，高度飽水指冰凍前長期或頻繁接觸水或濕潤土體，混凝土體內高度水飽和；中度飽和指冰凍前偶受雨水或潮濕，混凝土體內飽水程度不高。

Note: According to the definition from reference [29], high-saturated water refers to long-term or frequent contact to water or moist soil before the concrete is frozen, and the core in the concrete is full with water; Moderately saturated water refers to the concrete has been suffered with rain occasionally or is moisture before the concrete is frozen, and the saturation level of the core in the concrete is not high.

表8 青藏高原地區混凝土結構物抗凍設計等級推薦值

注：抗凍設計等級推薦值指的是按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[30]對混凝土材料進行耐久性試驗時，當材料動彈模量降低至初始值60%時或質量損失率超過5%時的凍融循環次數。

Note: Recommended value for anti-frost design grade is refer to the number of freeze-thaw cycles when the concrete dynamic elastic modulus is decline to 60% of the initial value or the mass loss rate achieves 5% when the durability test for concrete is operated according the “Standard of long-term performance and durability test method of ordinary concrete”[30].

4 結 論

1）對屬于同一凍融環境等級平原地區與高原地區，高原地區因年均太陽輻射量大，而具有年正負溫交替次數更多、溫度日較差更大且日最低溫更低的環境溫度特征。

2）將地表溫度近似代替混凝土結構物表面溫度，基于青藏高原1971－2003年20個地區的典型氣象年數據，建立了與最冷月平均氣溫及年太陽輻照量相關的青藏高原地區混凝土年均凍融循環次數量計算公式。

3）對青藏高原地區主要地區混凝土年均凍融循環次數進行的估算結果表明，青藏高原地區混凝土年均凍融循環次數主要集中在150次以上，部分地區甚至大于200次，因此，高原地區應加強對混凝土進行抗凍耐久性設計。

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Quantitative method for freezing-thawing environment of concrete in Qinghai-Tibet plateau

Li Xuefeng, Fu Zhi, Wang Hualao

(100088)

Owing to the higher annual solar radiation and the thinner atmosphere compared to the plain area, plus and minus temperature appear alternately day and night in the Qinghai-Tibet Plateau. Therefore, concrete cast in the Qinghai-Tibet Plateau should have an excellent anti-frost durability. However, current proposed approaches to quantitatively evaluate the number of freeze-thaw cycles of concrete per year are mainly based on the freezing-thawing environment of the plain area. In this paper, firstly in order to compare the freezing-thawing environment difference between the Qinghai-Tibet Plateau and plains, according to the determining criterion of freezing-thawing environment listed in, 3 groups of cities from different areas located in the Qinghai-Tibet Plateau and the plains respectively were selected, which had the same freezing-thawing environmental grade. In the meanwhile, because the freeze-thaw damage of concrete usually takes place on the surface and physical thermal parameters between concrete and soil are nearly equal to each other, the land-surface temperature is in good agreement with the concrete-surface temperature. Then the land-surface temperature was utilized to replace the concrete-surface temperature, and the air temperature and land-surface temperature of the 3 groups of cities were compared. The results demonstrate that in the Qinghai-Tibet Plateau the number of freeze-thaw cycles of concrete per year is more, the diurnal range of temperature is much larger and the lowest temperature is much lower than those of the plains. Due to without considering the freezing-thawing environmental difference between the Qinghai-Tibet Plateau and plains mentioned above, it was found that current calculating methods could underestimate the number of freeze-thaw cycles of concrete per year and are insufficient for durability design for concrete in Qinghai-Tibet Plateau. Based on the above analysis, the quantitative method for the freezing-thawing environment of concrete in Qinghai-Tibet Plateau was proposed. In the method, the concrete-surface temperature was replaced by the land-surface temperature and the conditions for occurrence of freezing-thawing damage of concrete were that the uninterrupted time of lowest temperature of less than or equal to -3 ℃ and temperature of more than 0 ℃ were not less than 2 h respectively. Then, the number of freezing-thawing cycles of concrete per year in Qinghai-Tibet Plateau was counted on the basis of corresponding meteorological data from 20 weather stations in 1971-2003 using the method mentioned above, and a calculation formula, related to the average temperature of the coldest month and annual solar radiation, was created to calculate the number of freezing-thawing cycles of concrete per year in the Qinghai-Tibet Plateau by regression analysis. With the formula the number of freeze-thaw cycles of concrete per year in the main region of the Qinghai-Tibet Plateau could be estimated approximately. The results indicate that in the Qinghai-Tibet Plateau the number of freeze-thaw cycles of concrete per year is generally more than 150, and even reaches 200 in some regions. Therefore, the demand for the durability of freezing-thawing resistance of concrete constructed is more exigent in the Qinghai-Tibet Plateau than in the plain. Based on the quantitative method for the frost environment of concrete in Qinghai-Tibet Plateau proposed in this paper, the design process method for the freeze-thaw durability of concrete structure and the recommended design grade of freezing resistance for concrete in the Qinghai-Tibet Plateau are given at the end of this paper.

concrete; temperature; solar radiation; Qinghai-Tibet plateau; freezing-thawing environment; average temperature of coldest month; design grade of freezing resistance

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.023

TU528

A

1002-6819(2018)-02-0169-07

2017-08-28

2018-01-02

國家自然科學基金項目（51308846）

李雪峰，男，漢族，內蒙古呼和浩特人，博士后，主要從事混凝土耐久性研究。Email：lxfsure@163.com

李雪峰，付 智，王華牢. 青藏高原地區混凝土凍融環境量化方法[J]. 農業工程學報，2018，34(2)：169－175. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.023 http://www.tcsae.org

Li Xuefeng, Fu Zhi, Wang Hualao. Quantitative method for freezing-thawing environment of concrete in Qinghai-Tibet plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 169－175. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.023 http://www.tcsae.org