青藏高原地区混凝土冻融环境量化方法

李雪峰，付 智，王华牢



青藏高原地区混凝土冻融环境量化方法

李雪峰，付 智，王华牢

（交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

对青藏高原地区混凝土冻融环境进行合理量化是高原抗冻混凝土设计所面临的首要问题。该文通过对处于同一冻融环境作用等级下的平原与高原地区大气及地表温度特征进行比较，发现相较于平原地区，高原地区因太阳辐射强度大，具有年正负温交替次数更多、温度日较差更大且日最低温更低的环境温度特征。通过将地表温度近似代替混凝土结构物表面温度，结合青藏高原1971－2003年20个地区的典型气象年数据，建立了与最冷月平均气温及年太阳辐照量相关的青藏高原地区混凝土年均冻融循环次数确定方法。利用该方法对青藏高原主要地区混凝土年均冻融循环次数进行估算，结果表明，青藏高原地区混凝土年均冻融循环次数主要集中在150次以上，部分地区甚至大于200次，因此，高原地区应加强对混凝土进行抗冻耐久性设计。最后，该文给出青藏高原地区混凝土结构物抗冻设计等级推荐值。该研究可为青藏高原地区混凝土抗冻耐久性设计提供参考。

混凝土；温度；太阳辐射；青藏高原；冻融环境；最冷月平均气温；抗冻设计等级

0 引 言

青藏高原地区平均海拔4 000 m，由于大气透明度高，年太阳总辐射值高达5 850～7 950 MJ/m2，从而导致高原地区频繁出现昼夜正负温交替变化[1-5]。因此，设计和制备具有优良抗冻耐久性的混凝土是高原工程建设者必须面临的问题之一[6-7]。

在对混凝土进行抗冻耐久性设计前，首先应根据混凝土材料服役地区的环境气候特征，预估其设计寿命内的冻融循环次数，进而确定材料抗冻设计等级。目前，对于混凝土冻融环境的量化方法方面的研究尚不多见。李金玉等[8]研究认为，一个地区混凝土年均冻融循环次数与该地区最冷月平均气温有关，即最冷月平均气温越低，该地区混凝土年均冻融循环次数越多。李晔等[9]通过计算距混凝土表面50 mm处年逐时温度变化，根据铺面混凝土自然冻融循环的定义确定了中国37个主要城市铺面混凝土年均冻融循环次数。武海荣等[10]在此基础上，提出混凝土年冻融次数约为其服役环境处年负温天数的0.7倍。但需要指出，由于高原地区经济发展缓慢，交通基础设施建设比较落后，上述关于混凝土冻融环境量化方法方面的研究主要针对“三北”平原地区，而高原地区由于太阳辐射强烈造成的年正负温差天数要远多于平原地区，从而对混凝土材料抗冻耐久性提出了更高要求[7-8]。因此，需针对高原地区环境气候特征提出的相应的混凝土冻融环境量化方法。

为此，本文首先针对青藏高原地区气候环境中能够影响混凝土抗冻设计的典型温度特征进行分析，并基于此评析现有混凝土冻融环境量化方法存在的不足；然后，通过统计青藏高原地区1971－2003年20个气象观测站的典型气象资料，提出青藏高原地区混凝土年均冻融次数的确定方法；最后，给出青藏高原地区混凝土结构物抗冻设计等级推荐值。

1 青藏高原地区混凝土冻融环境温度特征

《混凝土结构耐久性设计规范》[11]中按照最冷月平均气温将冻融环境等级划分为严寒地区、寒冷地区和微冻地区，对应的最冷月平均气温分别为≤−8 ℃，−8 ℃＜≤−3 ℃以及−3 ℃＜≤2.5 ℃。因此，为比较平原地区与高原地区二者在混凝土冻融环境温度上的差异，特选取“三北”地区（东北、华北及西北）中的典型城市与青藏高原典型地区（表1）进行对比，所选城市将分别覆盖上述3个冻融环境等级。此外，研究表明混凝土冻融破坏最先发生于表层[12-14]，而表层混凝土温度的变化受太阳辐射量影响显著，文献[4]中的实测结果表明，在青藏高原地区，强烈的太阳辐射将导致混凝土表层附近温度在日间快速上升而夜间骤降。因此，如能较准确地确定混凝土结构物表面温度的变化特征将对混凝土冻融循环次数的确定具有重要意义。通过比较发现，由于地表土壤与混凝土在物热工参数上比较接近[15]（表2），同时，无论地表温度还是混凝土表面温度，二者所表征的温度位置均在表层，这样也在一定程度上减小因物质本身热工系数上的差别而造成的温度差别，实测结果表明地表温度与混凝土结构物的表面温度较为接近[16]。因此，可利用地表温度值近似代替混凝土结构物的表面温度值。最终，在对比平原与高原地区混凝土冻融环境温度特征时分别选取大气温度和地表温度作为统计变量。

表1 典型城市海拔及气象参数

表2 混凝土与土壤的物理热工参数[15]

统计所用气象数据来源于江亿院士建立的覆盖全国所有城市的随机气象模型[17]，该模型主要包括逐时大气温度、地表温度及总辐射等信息，统计时间选为易造成混凝土材料出现冻融破坏的10月至翌年4月（共计212 d）。具体统计方法如下：当1日内出现的最高温度高于0 ℃，且最低温度低于0 ℃时记为1次正负温交替。由于混凝土材料内部孔结构中溶液的冰点通常在−3～−5 ℃[18-22]，因此，在统计各地区出现正负温交替次数时将最低温度划分为3个等级，即最低温上限值分别为0 、−3 、−5 ℃；同时，统计结果中还分别给出不同日较差温度（Δ）范围下正负温交替次数。表3给出了平原与高原不同地区大气温度及地表温度一年内出现正负交替的次数。

表3 不同地区年正负温出现次数

由表3可知，对属于同一冻融环境等级的平原和高原地区城市，以托托河和长春为例，按日最低温度小于−5 ℃进行统计时，大气温度年正负温交替出现次数分别为89次（托托河）和35次（长春），而统计地表温度时该值分别为203次（托托河）和36次（长春）。可见，对处于同一冻融环境等级的平原和高原地区城市，高原地区大气温度出现正负温交替次数要明显多于平原地区，这种现象在地表温度的统计上更为明显。另外，在出现正负温交替的天数中，高原地区温度日较差值要明显大于平原地区。同样，当大气温度日最低值小于−5 ℃时，托托河出现的89次正负温交替中，日较差温度在10～20 ℃和20～30 ℃的次数分别为63次和26次，而长春出现的35次正负温交替中，日较差温度在0～10 ℃和10～20 ℃的次数分别为13次和22次。对于地表温度，托托河地区203次正负温交替中接近一半（95次）的日较差温度大于40 ℃，而长春的日较差温度均小于20 ℃，可见，对处于同一冻融环境等级的平原和高原地区城市，高原地区的降温速率要大于平原地区。较大的降温速率会对混凝土的抗冻耐久性产生不利影响[23-24]。另外，对处于严寒或寒冷环境等级的高原地区，出现正负温差时日最低气温（或地表温度）值较平原地区更低（大都小于−5 ℃）。如前所述，该温度足以使混凝土中孔隙溶液结冰，从而产生较大的冻融破坏。

2 青藏高原地区混凝土冻融次数量化方法

目前，对不同地区自然环境下混凝土冻融次数量化方法的研究尚不多见，文献[8]确定了中国4个主要地域的年均冻融循环次数，但其所针对的地域环境主要为平原地区，且在判定混凝土是否发生冻融循环时采用的温度为大气温度，由上节统计结果可知，大气温度与混凝土结构物表面温度间存在较大差异，这点在青藏高原地区将显得更为突出，因此，该方法无法对高原地区混凝土冻融循环量化提供有效参考。文献[9]在确定混凝土发生冻融循环时首先假定了冻融破坏发生在距混凝土表面50 mm处，并同时将0℃视为混凝土冻融临界温度，对于混凝土材料，其内部孔结构中溶液的冰点通常在−3～−5 ℃且冻融破坏最先发生在表层，因此，上述2种假设均与实际不符。文献[10]提出混凝土年冻融循环次数的计算公式为：

式中为混凝土年冻融循环次数，次；T为最冷月平均温度，℃。

如按照上式分别计算长春和托托河2个城市混凝土年冻融循环次数，结果分别为123和125次，二者在对混凝土抗冻耐久性设计上几无差别。但由上节的统计结果可知，无论是大气温度还是地表温度，在出现日正负温交替变化次数上高原地区的托托河要明显多于平原地区的长春，且温度日较差更大，显然托托河地区对混凝土抗冻耐久性要求更高。出现上述结果的原因为：公式（1）的提出主要是通过考察平原地区混凝土年冻融循环次数后与当地最冷月温度建立了函数关系，而未考虑高原地区独特的气候环境特征，利用该公式计算时显然会低估高原地区混凝土结构物年冻融循环次数。

为此，本文在寻求一种能够较准确地反映高原地区混凝土结构物年冻融循环次数时主要基于以下2点考虑。1）造成高原地区年正负温交替天数明显多于平原地区的根本原因在于其太阳辐射强。由于大气透明度较高，太阳辐射强度成为造成地面结构物温度变化的主要诱因，应予考虑；2）在统计高原地区混凝土结构物年冻融循环次数时，假定混凝土材料处于无盐环境下饱水状态，而仅将温度条件看作是决定混凝土是否出现冻融破坏的唯一因素。

基于上述分析，采取如下方法对青藏高原地区混凝土年冻融次数进行了统计：1）用地表温度近似代表混凝土的表面温度进行高原地区混凝土结构物年冻融循环次数的统计；2）统计中，定义一个冻融循环过程为地表最低温度小于等于−3 ℃的时间不小于2 h且大于0 ℃的时间不小于2 h[25-26]；3）统计所用气象数据为对1971－2003年20个高原气象站的气象资料进行统计分析后得到的典型气象年数据。青藏高原主要地区年冻融循环次数统计结果见表4，同时为进一步验证上述统计方法的准确性，对部分地区实测混凝土年冻融循环次数与利用地表温度代替混凝土表面温度统计得到的年冻融循环次数进行了比较（表5），其中天津地区取连续3年实测混凝土年冻融循环次数的平均值（82次）。结果表明，利用上述方法确定的混凝土年冻融次数与实测值具有较好的一致性，可用于确定青藏高原地区混凝土年冻融循环次数。

表4 青藏高原主要地区年冻融循环次数统计结果

表5 年冻融循环次数对比结果

注：天津实测结果分别代表1961－1962，1962－1963，1963－1964 3年混凝土年冻融循环次数，均值为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.

在实际工程中，需建立冻融循环次数与某一易于统计的当地环境气候特征参数间的关系，以方便设计人员对该地区混凝土材料年冻融循环次数进行预估。

前文已指出太阳辐射是造成高原地区典型温度气候特征的重要诱因，另外，现有规范中一般采用最冷月平均气温来区分冻融环境作用的严酷程度。因此，将表4统计的青藏高原各地区年均冻融循环次数（）与最冷月平均气温（T）以及年平均太阳辐照量（）进行非线性回归后得到如下关系式：

如式（2）所示，对于青藏高原地区混凝土年均冻融循环次数，可近似用该地区最冷月平均气温及年平均日照辐射量2个气象变量进行表征，表6所示为利用式（2）对青藏高原主要地区年均冻融循环次数的估计值。结果表明，青藏高原地区混凝土年均冻融循环次数主要集中在150次以上，部分地区甚至大于200次。可见，青藏高原地区对混凝土抗冻耐久性能的要求极为严苛。

表6 青藏高原主要地区混凝土年均冻融循环次数

3 青藏高原地区混凝土抗冻设计

基于上节中对青藏高原不同地区年均冻融循环次数的统计，按照不同结构物的设计使用年限、混凝土服役环境、结构位置以及混凝土抗冻性的室内外关系，即可对高原地区混凝土抗冻耐久性进行初步量化，从而得到混凝土抗冻设计等级。混凝土抗冻设计等级的计算公式见式 （3）。

式中为混凝土抗冻设计等级，取50的整数倍；act为高原地区混凝土年均冻融循环次数；为混凝土结构设计年限，a；为室内外混凝土冻融损伤比例系数，对于引气混凝土取13.5，对于非引气混凝土取11.3[28]。

在对高原地区混凝土年冻融循环次数进行统计时已说明，在统计次数时假设混凝土一直处于饱水状态，仅将温度作为影响混凝土年冻融次数的唯一因素。但在实际工程中，环境作用（如湿度或土体及水体中的盐类等）将对混凝土冻融次数以及冻融损伤程度造成很大影响，因而需对混凝土结构物实际所处的环境进行分级。本文对青藏高原地区冻融环境量化的研究结果表明，该地区混凝土极易出现冻融破坏，因而建议高原地区混凝土即使服役期常年处于干燥状态且环境中无氯盐及其他结晶类盐存在，也应对其进行最低等级的抗冻设计。为此，参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[29]中对环境作用等级的定义，根据实际环境条件是否会加剧（或减弱）混凝土遭受冻融循环后所造成的损伤将环境分为4个等级（表7），由公式（2）计算得到的高原地区年均冻融循环次数所对应的环境等级为Ⅲ级。最终，青藏高原地区混凝土结构物抗冻耐久性设计中抗冻等级的推荐值如表8所示。

基于公式（2）、公式（3）、表7及表8，即可给出青藏高原地区混凝土抗冻设计的基本流程：1）首先通过获取混凝土结构服役环境处的年最冷月温度及年太阳辐射量，按式（2）计算得出该地区混凝土年均冻融循环次数（act）；2）然后根据混凝土材料在实际服役环境中的饱水状态、所接触土壤或水中是否存在盐类物质等环境因素，通过表7确定混凝土服役环境作用等级；3）依据混凝土结构设计年限、服役地区年均冻融循环次数及环境作用等级，按表8确定混凝土抗冻设计等级；4）最后，根据确定的抗冻设计等级完成高原地区混凝土配合比设计。

表7 环境作用等级

注：按照文献[29]中的定义，高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体，混凝土体内高度水饱和；中度饱和指冰冻前偶受雨水或潮湿，混凝土体内饱水程度不高。

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 青藏高原地区混凝土结构物抗冻设计等级推荐值

注：抗冻设计等级推荐值指的是按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[30]对混凝土材料进行耐久性试验时，当材料动弹模量降低至初始值60%时或质量损失率超过5%时的冻融循环次数。

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 结 论

1）对属于同一冻融环境等级平原地区与高原地区，高原地区因年均太阳辐射量大，而具有年正负温交替次数更多、温度日较差更大且日最低温更低的环境温度特征。

2）将地表温度近似代替混凝土结构物表面温度，基于青藏高原1971－2003年20个地区的典型气象年数据，建立了与最冷月平均气温及年太阳辐照量相关的青藏高原地区混凝土年均冻融循环次数量计算公式。

3）对青藏高原地区主要地区混凝土年均冻融循环次数进行的估算结果表明，青藏高原地区混凝土年均冻融循环次数主要集中在150次以上，部分地区甚至大于200次，因此，高原地区应加强对混凝土进行抗冻耐久性设计。

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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

国家自然科学基金项目（51308846）

李雪峰，男，汉族，内蒙古呼和浩特人，博士后，主要从事混凝土耐久性研究。Email：lxfsure@163.com

李雪峰，付 智，王华牢. 青藏高原地区混凝土冻融环境量化方法[J]. 农业工程学报，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