熱力耦合視角下地鐵工程混凝土結(jié)構(gòu)開裂影響因素研究

中圖分類號：TQ178；U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0171-04

Abstract：The pouring reinforced concrete structural parts after rust are prone to cracking behavior，and the research experiments were carried out to exploreand study them.Basedon the experimental results and related literature，the influencing factors of rustand crackingof reinforcedconcrete under thermal coupling were analyzed and summarized.Firstly，thechloride ion transport modeinreinforced concrete was similarlysimulated，thechlorideioncontent of reinforced concreteatthesame positionindiffrent timeperiodswas detected，and itsthermodynamicload was used，and then thecoeficient parameterssuchas timeand temperatureof steelbarexpansion wereadded，the test temperature was increased，and the rust expansion was tested，and a series of routine analyses were carried out according to this.The summary analysis of the data can wellsimulate and analyze the influencing factors of cracking in the concrete structure of the subway project，which is conducive to the timelyupdate and iteration of the reinforced concrete in the subway.

Key words ：thermal coupling；subway engineering ；concrete structure ；cracking factor

鋼筋混凝土由于其特殊的結(jié)構(gòu)在潮濕且接觸空氣的情況下，會誘導(dǎo)混凝土中的氯離子加速移動，從而使得鋼筋混凝土膨大或者混凝土斷裂，導(dǎo)致鋼筋混凝土的使用壽命大大降低[1]。鋼筋混凝土中氯離子的擴(kuò)散參照熱傳導(dǎo)的方程，對于鋼筋混凝土的擴(kuò)散問題獲得廣泛關(guān)注。氯離子具有腐蝕鋼筋表面鈍化膜的作用，當(dāng)離子濃度達(dá)到臨界值后，鋼筋便會經(jīng)歷膨大的過程，通過對混凝土的開裂過程進(jìn)行一定的簡化和模擬，可以構(gòu)建一系列的開裂模型[2]。混凝土的銹脹開裂可以分為施加均勻或變化的外部壓力，或者是徑向的不同力，通過將結(jié)構(gòu)的變化用于分析鋼筋混凝土的膨脹開裂已經(jīng)有一些報道，目前尚未發(fā)現(xiàn)基于熱力學(xué)下分析氯離子對于混凝土開裂影響的研究[3]

1熱力耦合視角下混凝土開裂實驗方向與方法

1.1 實驗方向

利用現(xiàn)有的理論模型，可以分析得到等效為溫度變化的鋼筋混凝土開裂模型，將時間分布下的氯離子濃度作為有效溫度量進(jìn)行混凝土開裂中的模型建立[4]。基于熱力耦合對氯離子移動引起混凝土開裂進(jìn)行精細(xì)模擬，通過熱量傳輸?shù)哪Ｐ蛯β入x子的運(yùn)用形式進(jìn)行模擬等。

1.2 實驗方法

探索了各種環(huán)境條件對混凝土中的熱分布及承壓影響。首先考察地鐵車站在經(jīng)過運(yùn)行后的鋼筋混凝土在使用過程中的熱量、承受壓力、位置偏移以及表面破損的分布。對于新制備的混凝土，沒有經(jīng)過磨合，其抗拉伸性能和抗開裂性能都相對降低。而對于混凝土結(jié)構(gòu)件的構(gòu)筑，比較好的方式是降低每次的澆筑厚度來有效降低澆筑次數(shù)少所帶來的溫度應(yīng)力的降低，使得防開裂性能得到提高。在生產(chǎn)過程中改進(jìn)澆筑工藝來實現(xiàn)性能的提高是十分經(jīng)濟(jì)高效的[5]

2不同條件對混凝土開裂影響實驗測試

2.1 混凝土澆筑溫度影響分析

2.1.1混凝土澆筑溫度影響實驗方案

混凝土在進(jìn)行澆筑時溫度十分重要，決定了使用過程中的溫度差異。混凝土的初升溫度和澆筑溫度相同。通過控制變量的方法對澆筑溫度的變化研究混凝土中的溫度分布和承受壓力的變化，分析其中的聯(lián)系，便于尋找出最佳的澆筑溫度來適應(yīng)不同的使用場景。經(jīng)過調(diào)節(jié)澆筑溫度來制備更加優(yōu)異的混凝土材料并提升其抗開裂性能[6]

通過模擬近似的有限元模型，設(shè)定了一系列的澆筑溫度，分別測試了16、21、26和31 C 進(jìn)行混凝土澆筑后，在地鐵車站運(yùn)行時的溫度分布和壓力分布等。當(dāng)在31 C 進(jìn)行澆筑混凝土?xí)r，其內(nèi)部的溫度峰值為 左右，澆筑溫度和溫度峰值呈現(xiàn)同樣的升降[8]。混凝土外部表面的溫度受澆筑溫度的影響不大，每提高 的澆筑溫度，僅僅帶來 2% 左右表面溫度的變化。通過分析壓力變化曲線，在31C 的澆筑溫度時，會有相對顯著的壓力變化。澆筑溫度的提高會增加整體結(jié)構(gòu)的抗壓性能。在工程中，為避免混凝土的開裂情況發(fā)生，應(yīng)該結(jié)合材料的粒度大小等一些實際情況來綜合控制混凝土的澆筑溫度[9]

2.1.2混凝土澆筑溫度影響實驗結(jié)果與分析

在實際應(yīng)用中要考慮保溫等條件下的影響。當(dāng)混凝土進(jìn)行保溫膜保護(hù)時，溫度變化的模型仍然近似于第三種溫度常數(shù)條件。進(jìn)行參數(shù)分析時，一般要引入轉(zhuǎn)換系數(shù)，用以抵消保護(hù)層對于溫度影響[10]。在常規(guī)操作中，會使用木頭，棉花，草稈等對新澆筑好的混凝土進(jìn)行保溫，防止凍傷。保溫措施可以減緩混凝土的降溫速率，使剛澆筑好的混凝土熱量緩慢釋放，防止表面和內(nèi)部放熱速率不同導(dǎo)致的內(nèi)部不均勻性增大。通過不同的保溫材料下的測試，模擬初熱量和壓力的變化規(guī)律[11]。通過篩選合適的保溫材料，使混凝土內(nèi)部向外均勻傳輸熱量，降低溫差所帶來的應(yīng)力變化，降低混凝土開裂的風(fēng)險。通過套用模型，改變覆蓋面的材料（見表1），測試不同熱系數(shù)下制備的混凝土溫度和應(yīng)力。

2.2對流換熱系數(shù)以及環(huán)境溫度影響分析

2.2.1對流換熱系數(shù)以及環(huán)境溫度影響實驗方案

將對流換熱系數(shù)小的保溫材料的最大發(fā)熱溫度時間推遲，使其最高溫度值出現(xiàn)的時間在系數(shù)高的材料之后，這一措施是為了更好的操控早期的大體積混凝土出現(xiàn)最高峰值溫度的時間，這種控制溫度的方法快捷方便，在實施的同時內(nèi)在的溫度差別不大，使到達(dá)最大應(yīng)力的時長更久，這樣混凝土內(nèi)部承受的應(yīng)力就隨之減小[12]。混凝土表面溫度的升高情況跟對流換熱系數(shù)的變化也有一定的關(guān)聯(lián)，溫度的升高跟系數(shù)的大小成反比。在混凝土溫度下降的過程中，溫度與速率也成反比。溫差的變化與對流換熱系數(shù)也有關(guān)聯(lián)，當(dāng)內(nèi)外溫差變大的時候表面系數(shù)也增大，溫度升高速率提高，應(yīng)力增長速度也達(dá)到最快。當(dāng)對流系數(shù)達(dá)到50時就是只用鋼，在這個時候就是混凝土表面物質(zhì)與大氣之間的直接熱反應(yīng)，但是鋼相關(guān)材料并不能達(dá)到保溫效果，所以在具體實施的時候一定要利用合理的保溫方法，將混凝土表面蓋住保溫來增加其對外面熱阻力，降低混凝土內(nèi)的熱量外放，降低了散熱速度也就是減少內(nèi)在溫差大對混凝土開裂的影響[13]

在施工過程中，現(xiàn)場環(huán)境溫度對于混凝土的影響是巨大的，合理的溫度場地能夠降低混凝土的內(nèi)外部溫度差，降低混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力溫度，減少可能出現(xiàn)的溫度導(dǎo)致破裂的可能性。設(shè)定不同的環(huán)境溫度（ 起每增加 5% 為一組）統(tǒng)計不同溫度下的地鐵站混凝土結(jié)構(gòu)溫度峰值、表面溫度、應(yīng)力峰值3個變量分別為多少[14]

2.2.2對流換熱系數(shù)以及環(huán)境溫度影響實驗結(jié)果與分析

由實驗數(shù)據(jù)得出，當(dāng)環(huán)境溫度提高 $2＼mathrm{^＼circC}$ ，混凝土的內(nèi)溫度增高 ，當(dāng)環(huán)境溫度提高 時，混凝土表面溫度增高 。所以環(huán)境溫度的改變影響混凝土的內(nèi)在溫差，混凝土的內(nèi)外溫差變化是隨著環(huán)境溫度提升而降低，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 ，混凝土內(nèi)在溫度差 ，環(huán)境溫度達(dá)到 時，混凝土內(nèi)在溫度差 10% ，這個過程降低 37% 。實驗數(shù)據(jù)顯示，環(huán)境溫度和峰值溫度以及應(yīng)力峰值成正比關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 時，主應(yīng)力峰值達(dá)到 3MPa 環(huán)境溫度達(dá)到 30% ，主應(yīng)力峰值為 2.4MPa ，降低22% 。所以在實際工作環(huán)境中溫度過低時需要保暖來減少影響[15]

2.3線膨脹系數(shù)影響分析

2.3.1線膨脹系數(shù)影響實驗方案

線膨脹系數(shù)也是能夠影響混凝土的主要因素之一，線膨脹能夠?qū)е禄炷恋闹苯娱_裂。由于線膨脹系數(shù)作為影響混凝土的關(guān)鍵參數(shù)之一，其數(shù)據(jù)大小代表了其與混凝土應(yīng)力值以及導(dǎo)致變形的程度關(guān)系大小。由于線膨脹系數(shù)跟導(dǎo)熱無關(guān)所以不會影響溫度，混凝土應(yīng)力與線膨脹系數(shù)呈正相關(guān)[16]。由實驗數(shù)據(jù)得出，峰值主應(yīng)力與線膨脹系數(shù)是趨于一次函數(shù)，當(dāng)混凝土的線膨脹系數(shù)增加時峰值主應(yīng)力也隨之增加，且增加強(qiáng)度超過混凝土樣本的抗拉扯強(qiáng)度。運(yùn)用數(shù)值小的線膨脹系數(shù)時，熱量變化值就會對應(yīng)減少。混凝土的膨脹系數(shù)指標(biāo)受多種因素改變，例如一些原材料種類，配比的水與灰等。因為在混凝土的組成部分中集料占比絕大部份，所以集料的相關(guān)變化也決定著線膨脹系數(shù)的變化，故此使用巖石類的小系數(shù)的膨脹材料可以降低混凝土的溫度變化，也是防止混凝土破裂的另一種方法[16]。

2.3.2線膨脹系數(shù)影響實驗結(jié)果與分析

探索不同條件下混凝土的的溫度以及應(yīng)力變化，主要的規(guī)律為：當(dāng)澆筑時所產(chǎn)生的溫度過高時，混凝土內(nèi)在溫度以及應(yīng)力都將隨之溫度升高而升高，澆筑時溫度對混凝土內(nèi)在溫度的影響是不同的，外部溫度的變化比內(nèi)部溫度的變化更小[17]，例如澆筑溫度提升 時內(nèi)部溫度也會隨之提升 ，到表面溫度只上升內(nèi)部變化的五分之一。當(dāng)混凝土應(yīng)力升高時，為了防止正在施工的混凝土材料出現(xiàn)裂縫[18]，應(yīng)該利用一些工程手段來降低混凝土溫度應(yīng)力從而降低混凝土澆筑溫度，例如加冰預(yù)冷等。當(dāng)使用的保溫材料的對流換熱系數(shù)很小時，會出現(xiàn)峰值溫度低于系數(shù)高的保溫材料，并且當(dāng)內(nèi)在的溫差較小時，升高到最大應(yīng)力的時間就會更長，混凝土的應(yīng)力降低。混凝土表面具備的對流換熱系數(shù)如果將其表面的溫度提升將會出現(xiàn)顯著的變化，當(dāng)混凝土表面對流系數(shù)減小時，表面溫度升高的最大值也將增加。由于對流系數(shù)與溫度差的關(guān)系緊密，由實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出二者的正相關(guān)關(guān)系，如圖1所示。表面對流系數(shù)增加時混凝土內(nèi)部的溫差也會增加，溫度提升的速度就會更快，與此同時應(yīng)力也將以最快的速度進(jìn)行相應(yīng)增加[19]

3研究成果匯總與展望

如果在施工的過程中就實施了合適的保溫工程，使混凝土內(nèi)外的溫度釋放阻力增加時，降低內(nèi)部熱量排放到外界的速度，能降低混凝土由于溫差大而斷裂的可能性[20]。施工場地的溫度對于混凝土內(nèi)環(huán)境溫度影響很小，但是對混凝土外部的溫度影響很大，例如場所溫度上升 時，混凝土表面溫度將提高 ，而內(nèi)溫度只上升1 C 。當(dāng)場所溫度達(dá)到某一數(shù)值時，混凝土的峰值內(nèi)在溫差將隨著溫度的升高而降低，主應(yīng)力峰值也會隨著溫度升高降低，所以在寒冷的的天氣作業(yè)時應(yīng)該將混凝土保溫安置。線膨脹系數(shù)對于溫度來說其影響可以忽略不計，但是對應(yīng)力的改變是顯著的。當(dāng)線膨脹系數(shù)升高時就說明混凝土出現(xiàn)了應(yīng)力變形的改變，但是導(dǎo)熱仍然保持原態(tài)溫度不變。線膨脹系數(shù)與主應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，線膨脹系數(shù)增加會使溫度應(yīng)力隨之提升。所以選用線膨脹系數(shù)小的材料至關(guān)重要，例如選用巖石類不僅會降低混凝土溫度應(yīng)力也是另一種降低混凝土材料開裂的方法。

4結(jié)語

利用熱力耦合視角來分析地鐵車站混凝土的影響因素，但是研究還是不夠深人，很多有爭議的地方可以再研究。由于混凝土材料的復(fù)雜性，其中的熱力參數(shù)只能測量，其他應(yīng)用的參數(shù)都是通過運(yùn)算取值，這一部分可以改進(jìn)，研究材料的熱學(xué)性能能夠更準(zhǔn)確的了解其中的規(guī)律。

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（責(zé)任編輯：蘇帆）