混凝土中自然環(huán)境論文范文

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1無遮擋條件下的混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)與自然環(huán)境溫度間的相關(guān)性

眾所周知，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)直接暴露于自然環(huán)境的太陽照射下，其與外界間熱量交換主要依靠對(duì)流換熱和輻射，故混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)模型有別于有遮擋或背陰條件下混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)模型．混凝土在太陽輻射的作用下，考慮日照的導(dǎo)熱邊界條件可用式（21）表示。聯(lián)立方程式（13），（21），（22）和（23）可知，當(dāng)獲取現(xiàn)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(nèi)溫度響應(yīng)模型與自然環(huán)境溫度作用模型間的聯(lián)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(zhuǎn)化為式（18）．這表明若利用所求解的混凝土熱擴(kuò)散系數(shù)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(huán)境溫度等參數(shù)，則可推導(dǎo)出混凝土與自然環(huán)境間的實(shí)時(shí)表面換熱系數(shù)β值．該法克服了傳統(tǒng)求解表面換熱系數(shù)的不足（如多基于穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)，試樣與現(xiàn)場實(shí)況誤差大等），能用于實(shí)時(shí)求解自然環(huán)境與混凝土間的表面換熱系數(shù)，這為研究現(xiàn)場自然環(huán)境和人工模擬環(huán)境提供了理論依據(jù)．此外，從上述推導(dǎo)亦可知，若利用式（16），（19），（21）和（22）及其測定的混凝土與自然環(huán)境溫度等參數(shù)，則可反推導(dǎo)出太陽實(shí)時(shí)總輻射熱量，這為獲取現(xiàn)場實(shí)時(shí)太陽總輻射熱量提供了求解方法．

2試驗(yàn)

2．1試驗(yàn)原料、混凝土配制及試驗(yàn)儀器試驗(yàn)所用的主要原料為P•O42．5級(jí)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(jí)粉煤灰（湖南湘潭電廠），S95級(jí)礦粉（湖南漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司產(chǎn)），長沙本地產(chǎn)河砂（細(xì)度模數(shù)約為2．9），連續(xù)級(jí)配粒徑5～20mm石灰?guī)r碎石，長沙本地自來水．配制C30級(jí)混凝土所用原料配比（質(zhì)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(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器，測試前應(yīng)對(duì)其精度進(jìn)行校正，其精度為±0．1℃，掃描響應(yīng)時(shí)間為5s，漂移量小于0．4℃／yr，可實(shí)時(shí)測定溫度值．

2．2試樣制作與試驗(yàn)過程按照J(rèn)TGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和T0553—2005《水泥混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》的力學(xué)性能試驗(yàn)要求安排實(shí)驗(yàn)；澆筑尺寸為150mm×150mm×150mm立方體試樣，成型24h后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)；28d的實(shí)測抗壓強(qiáng)度約為34MPa．采用鉆芯機(jī)從試樣側(cè)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(jī)鉆取距表面不同厚度（35mm和50mm）的孔，相應(yīng)孔徑約為10mm±1mm，將溫度傳感器置入孔中并用相同級(jí)配的混凝土砂漿密封；養(yǎng)護(hù)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(jí)配的混凝土澆筑成型和養(yǎng)護(hù)；根據(jù)測試要求，將試樣長時(shí)間（不少于3個(gè)月）置于所測自然環(huán)境中，以使得混凝土內(nèi)各處溫濕度基本一致．圖1為用于測定一維混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)律的試件簡圖。圖2為相應(yīng)的實(shí)物圖．測試有遮擋條件下混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)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(shí)刻環(huán)境溫度值和混凝土內(nèi)不同深度溫度響應(yīng)值；自然環(huán)境溫度隨時(shí)間變化規(guī)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(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)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(huán)境中混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)為了更好地研究自然環(huán)境溫度和混凝土內(nèi)溫度變化規(guī)律，本文以長沙地區(qū)2011年8月16至18日為例研究了有遮擋條件下自然環(huán)境中的混凝土內(nèi)不同深度處溫度的變化特征，并對(duì)17日的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了擬合，相應(yīng)的測試結(jié)果及其部分?jǐn)M合曲線如圖3所示。從圖3可以看出，自然環(huán)境溫度和混凝土內(nèi)溫度呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性變化，其波動(dòng)周期約為24h，利用所建立的正弦（余弦）函數(shù)模型擬合實(shí)測結(jié)果可大致描述溫度波動(dòng)規(guī)律．這表明上述所推導(dǎo)理論模型是合理的．至于部分區(qū)域出現(xiàn)擬合曲線與實(shí)測結(jié)果偏離是因晝夜時(shí)間長短不等使得升溫和降溫波動(dòng)周期不相等造成的，將另文詳細(xì)闡釋．自然環(huán)境溫度與混凝土內(nèi)溫度間的差別主要表現(xiàn)為混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)波動(dòng)曲線相對(duì)光滑、數(shù)據(jù)離散性小、溫度波動(dòng)滯后和幅值衰減等方面，這是因混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)、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(nèi)溫度響應(yīng)主要受環(huán)境變化、混凝土傳熱系數(shù)和表面換熱系數(shù)影響．利用實(shí)測數(shù)據(jù)的溫度波動(dòng)幅值，結(jié)合式（16）可求出混凝土內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)約為3×10－3m2／h；實(shí)測混凝土的密度約為2300kg／m3，若取其比熱容為920J／（kg•K），利用實(shí)測數(shù)據(jù)和式（18），則可求得實(shí)測現(xiàn)場混凝土表面與空氣間的表面換熱系數(shù)（對(duì)流換熱）約為20．5W／（m2•K）；將計(jì)算參數(shù)代入本文建立的混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)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(huán)境中混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)工程多暴露于太陽直接照射下，為了研究有／無遮擋對(duì)自然環(huán)境溫度和混凝土內(nèi)溫度變化規(guī)律，本文以長沙地區(qū)2011年8月19日為例研究了無遮擋條件下自然環(huán)境與混凝土內(nèi)不同深度處溫度的變化特征．長沙地區(qū)測量現(xiàn)場約處于北緯28．2°，日出時(shí)間約為6時(shí)，日落時(shí)間約為19時(shí)，8月19日天氣狀況與16～18日基本相同，相應(yīng)的日輻射小時(shí)最大值約為1．73MJ／（m2•h）．鑒于此，該處僅對(duì)太陽照射期間（即6～19時(shí)）溫度變化規(guī)律進(jìn)行探討，相應(yīng)的實(shí)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(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)律明顯有別于有遮擋條件下混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)，主要表現(xiàn)在溫度響應(yīng)的波動(dòng)幅值增加、溫度變化率大、最高溫度值增加及其時(shí)間提前等方面．本試驗(yàn)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(nèi)溫度響應(yīng)和自然環(huán)境溫度所推導(dǎo)出的等效環(huán)境溫度理論擬合基本一致，部分區(qū)域略有差異是因參數(shù)取值等造成的，這表明上述理論推導(dǎo)所提出的環(huán)境等效溫度可以用于描述相應(yīng)日照條件下混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)律．混凝土內(nèi)溫度隨太陽升起而快速增高，隨日落急速降低，于13時(shí)左右混凝土內(nèi)（35mm）的溫度出現(xiàn)極大值；而自然環(huán)境溫度于14．5時(shí)左右達(dá)到最大值，其隨日落而緩慢降低；無太陽照射期間混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)律與有遮擋條件下的響應(yīng)規(guī)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(zhuǎn)化為混凝土內(nèi)能以提高自身溫度，另一部分以紅外線形式散射入環(huán)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(dá)到平衡后出現(xiàn)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(zhuǎn)化為混凝土內(nèi)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(huì)逐漸降低；故混凝土表層溫度達(dá)到最大值會(huì)出現(xiàn)在混凝土獲取的輻射能與散失掉的能量達(dá)到平衡時(shí)刻．環(huán)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(dá)的，混凝土向大氣散失能量需要一個(gè)時(shí)間過程，此即為相應(yīng)的滯后時(shí)間．因而，自然環(huán)境溫度出現(xiàn)極大值滯后于無遮擋條件下混凝土出現(xiàn)溫度極大值時(shí)刻．產(chǎn)生這兩者差異是由于有／無遮擋條件下混凝土與外界環(huán)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(huán)境間傳熱主要以表面對(duì)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(duì)流換熱主導(dǎo)．輻射至混凝土表面的熱能大量傳導(dǎo)入混凝土內(nèi)，從而使得混凝土溫度快速升高，部分能量以對(duì)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(nèi)溫度響應(yīng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然環(huán)境溫度，理論計(jì)算混凝土表層溫度可超過50℃，這表明混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)規(guī)律受其獲取能量的方式影響顯著，自然環(huán)境溫度變化規(guī)律能否直接等效于混凝土內(nèi)溫度變化規(guī)律，應(yīng)視混凝土所處自然環(huán)境條件而定，這為人工室內(nèi)模擬試驗(yàn)溫度參數(shù)選取提供了依據(jù)．

4結(jié)論

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

作者：劉鵬余志武宋力陳令坤單位：中南大學(xué)土木工程學(xué)院中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室