高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验.pdf

第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验王天赐1，孔纲强1，刘汉龙2，刘星3，王成龙2，朱鹏熹2(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210024；2.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；3.中国建筑股份有限公司，北京 100029)摘要：高原地区高海拔、大温差和低气压的特殊环境，会导致早龄期混凝土水化热问题区别于其他地区。目前，针对减小高原地区早龄期混凝土水化热温差、加快高原地区混凝土水化热消散机理尚不清楚。通过在桩基混凝土结构中埋设换热管，建立循环换热系统，开展高原地区桥梁桩基早龄期混凝土水化热消散现场试验。实测桩基混凝土的水化热温度和热致应变变化，获得埋管式循环系统对桩身水化热温度场和应力场的规律，并初步探讨与其他地区的差异性。研究结果表明：本文试验条件下，通过水泵、循环水管、水箱等设备组成的埋管式循环系统可以用于加快高原地区早龄期混凝土的水化热消散以及减小高原地区早龄期混凝土温差；与桩土之间的热传导相比，埋管式循环系统能够加速混凝土的水化热消散进程，通过循环管中的换热介质将水化作用的热量传递到地面外部环境中，可降低水化热的峰值温度约24，相应龄期提前约3758 h；埋管式循环系统能够明显降低桩底部的应变变化范围，能够减小桩基早龄期混凝土的桩身应力，桩身最大约束应力(0.7倍桩长处)降低约23.6%；埋管式循环系统还能够降低混凝土水化进程中的第二零应力温度，提高早龄期混凝土的温降裂缝能力。研究结果对高原地区桩基早龄期混凝土的水化热进程控制和抗裂性能分析有一定的参考价值。关键词：高原地区；高寒地区；水化热；桩基；现场试验中图分类号：TU93 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）11-4140-11Field tests on thermal response of pile foundation concrete in high altitude localities during hardening periodWANG Tianci1,KONG Gangqiang1,LIU Hanlong2,LIU Xing3,WANG Chenglong2,ZHU Pengxi2(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing 210024,China;2.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;3.China State Construction Engineering Corporation Limited,Beijing 100029,China)Abstract:The plateau areas special climate of high altitude,huge temperature changes,and low pressure will cause a different hydration and heat problem in early-age concrete than in other regions.At present,the mechanism of temperature difference of hydration heat of early age concrete in plateau area and accelerating the 收稿日期：2022-11-30基金项目：国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51922037)通信作者：孔纲强(1982)，男，浙江磐安人，教授，博士，从事能源地下结构与工程方面的教学与科研工作；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222284第 11 期王天赐，等：高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验dissipation of hydration heat of concrete in plateau area is still unclear.Field tests of the heat dissipation of hydrated early-age concrete bridge pile foundations in the plateau area were carried out by embedding heat exchange tubes in pile concrete structures and establishing a circulating heat exchange system.The temperature and strain of pile concrete hydration heat were measured.The rule of temperature and stress field of hydration heat of pile body induced by a buried pipe circulation system was obtained,along with a preliminary discussion of differences with other areas.The results show that under the experimental conditions,the buried pipe circulation system consisting of water pump,circulating water pipe,water tank and other equipment can be used to accelerate the dissipation of hydration heat of early age concrete and reduce the temperature difference of early age concrete in plateau area.Compared with the heat diffusion between piles and soils,the buried pipe circulation system can accelerate the dissipation process of hydration heat of concrete.Through the heat exchange medium in the circulation pipe,the heat of hydration is transferred to the external environment of the ground.The peak temperature of hydration heat is reduced by about 24,and the corresponding age is advanced by about 3758 h.The buried pipe circulation system can obviously reduce the strain variation range at the bottom of pile,reduce the pile stress at early age of concrete,and reduce the maximum constraint stress(0.7 times pile strength)by 23.6%.The buried pipe circulation system can reduce the second zero stress temperature in the hydration process of concrete and improve the temperature-reducing cracking ability of early-age concrete.The research results can provide some reference value for the control of hydration heat process and the analysis of crack resistance of early age concrete of pile foundation in plateau area.Key words:plateau;high cold region;heat of hydration;pile foundation;field test 在我国西部高海拔地区高等级铁路及公路的全面建设中，大量应用钢筋混凝土结构1。水泥凝结产生的水化热导致混凝土结构收缩变形，是造成混凝土开裂的重要因素23。由于高寒地区，年平均气温较低，昼夜温差较大，恶劣的养护环境极大地加剧了混凝土的塑性收缩46。因此，保障早龄期混凝土的质量与安全是影响高海拔地区铁路正常运行的重要因素。近年来，国内外许多学者对混凝土水化热和早期混凝土力学性质进行研究，发现早龄期混凝土水化进程及其力学特性与水泥品种5、养护温度、湿度、环境温差46、太阳辐射7等影响因素有关；柱状结构89、块状结构10与板状结构11等不同结构形式的混凝土水化过程中造成的约束应力也存在一定的差异。围绕干湿环境、温度等因素对高性能混凝土收缩性能、裂缝问题和路面变形问题展开研究1215。目前，关于高原地区的混凝土早龄期水化热消散和应变变化规律还尚不明确，恶劣的养护环境容易造成早龄期混凝土的开裂收缩，围绕青藏铁路高原冻土区混凝土强度和抗渗性能6，冻土区桥梁桩基在施工过程中地温场的变化规律16等方面开展了研究。为了研究大体积混凝土的温度控制问题，相关学者提出了基于温差控制的大体积混凝土智能温控系统及方法，并通过有限元研究和实际温度控制对比验证了其可行性17。YANG等1820通过水管冷却技术研究混凝土早龄期水化热温度场及应力场的影响，研究结果表明水管冷却可有效降低混凝土结构的温度开裂。因此，本文依托高原某重点铁路桥墩桩基工程，现场实测桩基混凝土的水化热温度、早期应变变化，研究在高原地区桩基早龄期混凝土的水化进程和桩身应力演化规律，分析埋管式循环系统对桩基抗裂性能的影响，研究其温度场和应力场的演化规律，从而解决高原地区混凝土水化进程和早期混凝土开裂问题。1 工程概况及试验方案1.1依托工程概况1)工程背景现场试验以高原某重点铁路桥墩桩基项目为依托工程，试验段位于海拔约4 100 m。根据中国4141铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月气象台19812010年该地区气温月平均气温数据显示，最高气温不超过 20，最冷月平均气温5.3；十月中下旬24小时实测气温如图1所示，该地区昼夜温差大，十月中下旬最低气温低于0。2)土层信息现场土层为表层季节性冻土和软塑状粉质黏土，软塑状粉质黏土，黄褐色，土质不均匀，含约15%少量碎石颗粒植物根系，主要分布于表层。根据冻土影响分析，不良地质为冻害，季节冻土最大冻结深度 1.1 m。各层土的承载力见表 1所示。3)桩基及承台基本参数试验桩基为钻孔灌注桩，桩长 19.5 m、桩径1.0 m，承台尺寸和试验桩布置如图2所示。采用掺有低热硅酸盐水泥的C30混凝土。选用A桩为试验桩、B桩为对照桩，桩间距为2.9 m，2根桩均为承台角桩。4)温度应变计布置试验采用的是JYYBJ-510型号的温度应变计，测量范围是1 2003 000 m，工作环境温度为2560。沿桩身共布设10个振弦式温度应变传感器，分别在距离桩顶为0.5，5.0，9.5，14.0和18.5 m截面处沿垂直方向各布置2个传感器(图3)。1.2试验方案与工况设计1.2.1埋管式循环系统循环系统由水泵、转子流量计、电子温度计、水箱、循环管等组成(图4)。水泵为增压式循环水泵，其功率为750 W；通过控制阀门来控制循环水流速，控制水流量为200 L/h；电子温度计通过盲表1各层土的基本承载力Table 1Bearing capacity of each layer of soil土层名称粉质黏土卵石土(稍密)粗圆砾(密实)卵石土(密实)粗圆砾(密实)厚度/m0.52.59.63.713.7基本承载力/kPa280350380350(a)桥墩承台试验现场；(b)承台桩基尺寸(单位：cm)图2试验桩布设及承台尺寸示意图Fig.2Plane layout of pile-cap图1全年月平均气温及24 h实时气温变化曲线Fig.1Curves of monthly mean and 24 h real time temperature4142第 11 期王天赐，等：高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验管分别布置在进水口、出水口和水箱中，以监测水温情况；试验桩基采用螺旋式埋管设计，螺距为1.5 m，循环管采用聚乙烯(PE)管，管径25 mm，壁厚2 mm。1.2.2试验工况试验 A 桩与 B 桩分别于 2022 年 10 月 12 日16:00和2022年10月11日23:00完成桩基混凝土浇筑，在浇筑完成后开始采集温度和频率数据，A桩在完成浇筑后，初始水箱温度为8.4，循环水流量控制在200 L/h，从螺旋管进水、直管出水，见表2。由于高原地区冬季施工条件限制，于2022年10月23日19:27停止数据监测，共12 d。2 试验结果与分析2.1混凝土早龄期热量消散分析2.1.1桩基混凝土早龄期热量消散过程A桩和B桩浇筑后的12 d内，温度随龄期的变化曲线如图5所示。由图5可知，桩基混凝土不同深度的水化热峰值温度不同，整体在24 h左右基本达到峰值；此时水化作用最为强烈，之后便开始减弱，温度缓慢下降；通过低海拔南京地区8和宜昌地区9深度为0.5倍桩长处的桩基水化热对比曲线可知，宜昌地区9的群桩水化热峰值温度最高，本试验采用的是掺有低热水泥的混凝土，所单位：cm图3应变计及管道布设图Fig.3Strain gauge and pipe placement position图4埋管式循环系统示意图Fig.4System of buried pipe circulation表2试验工况Table 2Test conditions编号A桩B桩埋管形式螺旋型进水流量/(Lh1)200初始温度/8.4浇筑完成时刻2022年10月12日16:002022年10月11日23:00监测内容温度和应变温度和应变监测频率2 h/次2 h/次4143铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月以水化热峰值温度最低，不同区域混凝土的水化热峰值温度受外界环境影响较大，但整体趋势一致；由此可见，桩基早龄期混凝土温度变化过程可分为：快速上升、快速下降和缓慢下降 3 个阶段。桩基混凝土不同深度受水化热影响不同，其中 距 离 桩 顶 0.5 m 处 的 峰 值 温 度 最 高 达 到 了29.5，其他深度的峰值温度相差不大，最低的峰值温度为18.5 m处的22.1。由于高原地区太阳辐射强，近地表的土壤温度受到太阳辐射影响，使得温度升高，并且桩顶部距离地面2.0 m，相较于水化热的放热过程，大气的对流散热效果并不明显；桩底部受到地面以下半无限空间的影响，热量主要以热传导的形式释放，热量从温度高的区域传向温度低的区域，所以热量的消散更快；而深度越浅消散效果越小，顶部的热量消散区域最少，热量聚集最多，温度也最高。2.1.2埋管式循环系统对热量消散影响循环系统初始水温为8.4，经过稳定后120，136和160 h的进水温度分别15.9，15.8和15.4，出水口温度分别为17.3，17.0和16.4。A桩桩基混凝土水化热温度数据如图6所示；A桩的桩基温度变化过程仍经过快速上升、快速下降和缓慢下降的阶段。A桩对应深度的峰值温度有所下降，这是由于埋管式循环系统通过热传导的方式带走了部分水化反应所释放的热量，循环系统的本质是通过PE管内换热介质加速桩内混凝土与外界环境的热交换，加快了A桩桩基混凝土的水化进程。水化热峰值温度是早龄期混凝土养护的重要指标。本文并未考虑邻桩的热量相互作用，2倍桩径处受到热量影响较小21，混凝土桩体处在水化热消散过程，两桩对周围土体起到减缓散热作用，而本文试验是为了加快散热冷却，故并未考虑邻桩的影响。A 桩和 B 桩的峰值温度对比见表 3 所示，埋管式循环系统对降低水化峰值温度有明显的作用，不同深度的峰值温度均有所降低。0.5 m处降低的水化热峰值温度为2.1，18.5 m处降低的水化热峰值温度为4.1。由于桩底半无限空间相对低温土体的影响，循环管的一部分热量直接从桩底部传导到温度较低的土壤中，桩底部通过土壤和循环管的双重热传导作用下，加快桩基混凝土的水化进程。由此可见，埋管式循环系统对整个桩基混凝土水化热峰值均有降低作用，桩底部水化热冷却效果更好。桩中部位置(9.5 m)的水化热温度随时间的变化数据如图7所示。A桩和B桩所达到峰值温度的时图5B桩混凝土温度随龄期的变化曲线Fig.5Concrete temperature curves with age of pile B图6A桩混凝土温度随龄期的变化曲线Fig.6Concrete temperature curves with age of pile A表3A桩和B桩水化热峰值温度对比Table 3Comparison of peak temperature深度/m0.55.09.514.018.5A桩峰值温度/27.421.020.520.218.0B桩峰值温度/29.524.523.322.922.1温度增量/2.13.52.82.74.14144第 11 期王天赐，等：高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验间并未有明显变化，A桩的水化热峰值温度明显低于 B桩；两者在缓慢下降阶段的降温程度大致一样，A桩的水化进程明显快于B桩。由此可知，水化热峰值温度对桩基混凝土水化进程影响较大，在混凝土水化过程快速上升阶段，埋管式循环系统能够加速桩基混凝土的水化热消散。对比A桩和 B 桩在分别达到 14，15 和 16 时所需要的龄期，A桩桩基混凝土在16 时比B桩提前了37 h，在之后温度降低的过程中，提前时间逐渐增大，说明桩基混凝土水化热在缓慢下降阶段，埋管式循环系统对A桩桩基混凝土的水化反应有加速进程的作用。由图8可知，9.5 m处A桩和B桩的桩基温度随着深度的增加而减小；在0.55.0 m时，桩基温度变化较为明显；5.018.5 m时，桩基温度变化较平缓。埋管式循环系统不仅能够加快水化进程，还能够明显降低桩基5.0 m深度以下的温度差，A桩的18.5处温度变化范围最小，能够减少混凝土水化进程中由温差所引起的温度应力。2.2混凝土早龄期热力特性2.2.1桩身应变由于早龄期混凝土从浇筑开始其内部一直处于水化作用阶段，早龄期混凝土会产生诸如水化作用引起的温度收缩、化学收缩、自收缩以及水分扩散引起的干燥收缩，这些收缩会在有约束的情况下产生较大的应力集中22。桩基混凝土应变随时间的变化曲线如图9所示。由图9可知，A桩和B桩在桩身中部，均产生了较大的膨胀变形；A桩在18.5 m处的应变变化范围小；在9.5 m和14 m处，A桩和B桩在混凝土水化热缓慢下降阶段均产生了较大的收缩变形。这是由于混凝土早龄期水化过程中，桩体变形先膨胀后收缩，前期由于水化热放热，温度升高，桩体受热膨胀，混凝土内部产生压缩变形；在混凝土硬化过程中，内部骨架逐渐形成，水化作用缓慢进行，温度逐渐降低，桩基混凝土开始产生收缩效应，由于桩端和桩侧摩阻力的约束，内部混凝土产生收缩变形。A桩的应变比未采取措施的B桩所产生的应变更小，混凝土桩体先受热膨胀后收缩变形，A桩在水化热快速上升阶段通过循环冷却管带走部分热量，A桩的桩体膨胀变形略小；循环冷却系统减小了水化热温差，A桩在桩体收缩阶段产生较小的收缩变形。图79.5 m处A桩、B桩水化热消散对比Fig.7Comparison of temperature(a)A桩；(b)B桩图8不同龄期桩基温度随深度变化曲线Fig.8Curves of pile temperature variation with depth at different ages4145铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月在不同龄期桩基混凝土应变随深度变化规律如图10所示。随着深度的增加，桩体产生的拉伸变形呈现先增大后减小的趋势；由于桩顶部的热量堆积，热量的消散较慢，温度下降得慢，所产生的拉应变就小，深度越深，热量消散效果越好，温度下降得快，产生的拉应变就大；由于桩的底部收到约束的作用，其产生的拉应变对应减小；随着龄期的增加，A 桩和 B 桩的变形由膨胀到收缩，A桩的各个深度的变形均有所减小，其中A桩18.5 m处的应变变化范围明显减小，由温度场可知，18.5 m处的水化热峰值温度下降得最多，循环系统所消散的热量是最多的，由温度变化所产生的温度收缩就小。2.2.2桩身应力混凝土的凝结硬化过程是由塑性流动状态向固体状态转变的过程。混凝土的变形特征表现为先膨胀后收缩。混凝土处于约束状态时，以混凝土凝结时间为界，根据混凝土变形是否会引起混凝土结构产生应力，将变形分为无害变形和有害变形。混凝土的有害变形主要包括：温度变形、干燥收缩、自身收缩和碳化收缩。由于混凝土的暴露面较小，与外界的水分交换少，干燥收缩的影响相对较小，所以本研究考虑温度变形是引起约束应力的主要原因。早期混凝土的弹性模量随着龄期的发展会产生一定的改变。根据大体积混凝土施工标准(GB504962018)23，得到建立早期混凝土弹性模量的计算式：(a)A桩；(b)B桩图9桩基混凝土应变随时间变化Fig.9Curves of strain with time(a)A桩；(b)B桩图10桩基混凝土应变随深度变化Fig.10Curves of strain with depth4146第 11 期王天赐，等：高海拔地区桩基混凝土硬化时期热力响应特性现场试验E(t)=E0(1-e-0.09t)(1)式中：E(t)为混凝土龄期某时刻t的弹性模量；t为龄期；E0为混凝土龄期为28 d时的弹性模量，C30混凝土取30 GPa；为混凝土弹性模量调整系数，取1.0。温度下降会使桩体产生收缩变形，桩端无任何约束的一维热致应变可表示为：free=DT(2)式中：free为自由约束的桩身轴向应变；为混凝土的热膨胀系数，取105/；DT表示桩身温度变化值。由于桩土界面的侧向约束与桩端约束，桩身不能完全自由收缩。桩身产生的轴向约束应力可表示为：t=E(-free)(3)式中：t为约束应力，MPa；拉应力为正；为实测应变。灌注桩混凝土凝结过程中因为变形产生的约束应力影响不容忽视，有可能引发张拉裂缝，根据大体积混凝土施工标准(GB504962018)23，混凝土抗拉强度与龄期的关系可按下式计算：ftk(t)=ftk(1-e-t)(4)式中：ftk(t)为混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值，MPa；ftk为抗拉强度标准值，MPa；C30混凝土取2.01 MPa；系数取0.3。混凝土防裂性能可按下式进行判断：zftk(t)K(5)式中：z为抗裂强度容许值，MPa；K为防裂安全系数，取1.15。在早龄期混凝土桩的变形过程中，温度变形为主要变形，混凝土状态和温度的变化将直接导致桩身应力状态的变化。由图11可知，混凝土浇注后，早龄期混凝土的弹性模量较小，还处在塑性状态，受桩土间和桩端的约束作用小，所以混凝土内部产生约束应力很小。在混凝土逐渐凝结的过程中，由于温升膨胀变形开始受到桩周土和桩端的约束作用，从而产生压应力。之后水化热消散，温度降低，压应力减小并逐渐转为拉应力。随着弹性模量逐渐增大，温度持续下降，不断产生收缩变形，桩周土和桩端约束作用增大，导致约束应力不断增大。根据相关规范22对桩基进行了抗裂缝性能的判断，A桩和B桩早龄期混凝土所产生的约束应力均小于抗裂强度容许值z。龄期为160 h时桩身的约束应力如图12所示。随着深度的增加，桩体在竖向的约束应力有着较大的差异。桩身约束应力整体表现出中间大、两端小的特点，主要原因在于混凝土在凝结后期，内部结构逐渐稳定，桩体中间段受到桩两端和桩周土的约束较大，产生相对较大的约束应力，最大的约束应力产生在 z=14 m(0.7倍桩长)处。A 桩的桩身产生的约束应力基本小于B桩产生的约束应(a)A桩；(b)B桩图11约束应力随时间变化曲线Fig.11Curves of constraint stress with time4147铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月力，桩身最大约束应力从B桩的 1.27 MPa到 A桩的0.97 MPa，约束应力下降了23.6%，由此可知，埋管式循环系统能够减小桩基早龄期混凝土的桩身应力。通过对比南京地区8角桩桩身中下部的约束应力(图13)，低海拔地区的约束应力变化趋势和高原地区桩基约束应力变化整体一致，发现南京地区桩基升温阶段产生的压应力较小，这是由于南京地区试验场地地层为高液限黏土，可塑性高，混凝土所产生的约束压应力较小。14 m处的A桩和B桩水化热温度约束应力变化曲线如图13所示。水化作用过程主要分为3个阶段(图13)：快速升温阶段、急速降温阶段和缓慢降温阶段。随着水化作用放热和早期混凝土的弹性模量变化，在边界约束的共同作用下，混凝土产生压应力；约束压应力的峰值出现在快速降温的过程中，约束应力峰值相对于水化热温度峰值有一定的滞后性；随着水化热逐渐消散，约束压应力逐渐减小至0，混凝土开始产生拉应力，此时所对应的温度称为第二零应力温度TZ224；第二零应力温度越低，混凝土抵抗温降裂缝的能力越好，第二零应力温度比传统的水化热温升更能体现混凝土的开裂敏感性，是混凝土开裂评价体系的重要参数。由图13可以看出，A桩和B桩的第二零应力对应的龄期约为100 h，由温度随时间的变化可知，A桩TZ2低于B桩对应深度的TZ2，埋管式循环系统对桩基早龄期混凝土有一定抵抗裂缝的能力。3 结论1)埋管式循环系统通过循环管与桩基混凝土的热交换，能够一定程度上降低高原地区早龄期混凝土的水化热峰值温度，相比通过土壤热扩散，桩体混凝土的峰值温度可降低24，通过对比不同温度的龄期，A桩的对应龄期提前3758 h，循环系统能够加速桩基混凝土的水化进程。2)桩基混凝土浇筑后，桩身首先因受热膨胀产生约束应力，但因早期弹性模量较小，导致应力数值较小；而后温度大幅降低，混凝土弹性模量有了进一步发展，产生较大的约束应力。埋管式循环系统能够减小桩基早龄期混凝土的桩身应力，桩身最大约束应力(0.7 倍桩长处)下降了23.6%。3)埋管式循环系统能够降低混凝土水化进程中的第二零应力温度TZ2，能提高早龄期混凝土的温降裂缝的能力。参考文献：1周大为,邓年春,石拓.川藏铁路低温灌注钢管混凝土拱肋水化试验研究J.铁道标准设计,2020,64(12):5258.ZHOU Dawei,DENG Nianchun,SHI Tuo.Experimental study on hydration of CFST arch rib under low temperature in Sichuan-Tibet railwayJ.Railway Standard 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