论文标题：Analysis and Zonation of Freeze-Thaw Action in the Chinese Plateau Region Considering Spatiotemporal Climate Characteristics

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.016

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混凝土在高原地区为何“早衰”？冻融循环如何量化评估？哈尔滨工业大学（深圳）与东南大学联合团队给出新答案。一项发表于中国工程院院刊《Engineering》的研究显示，科研人员首次综合考虑冻结温度、冻融幅值和频次三参数，绘制出全国冻融作用等级区划图，并建立实验室“快冻法”与真实服役环境的相似性换算关系，为高原交通、水利等重大基础设施混凝土耐久性设计提供了可操作的科学依据。论文第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）刘铁军教授，通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）邹笃建教授。

图1 论文研究思路图。

现行规范以最冷月平均温度作为冻融作用分级依据，但研究团队发现，高原地区最冷月往往气温长时间低于冰点，混凝土内部水分长期处于冻结状态而不融化，无法真实反映实际服役环境下的冻融作用。研究团队利用2000—2020年687个地面气象站逐日温度数据，重新定义冻融循环判定标准：日最高大气温度高于0℃且日最低大气温度低于−3℃为一次有效冻融循环。统计显示，西藏那曲年均冻融次数可达188次，远高于黑龙江、吉林等东北地区。

为捕捉冻融作用的时间差异，研究引入“冻融温度特征曲线”概念。以西藏那曲为例，团队提取21年主要冻融月份每日最高、最低温度，发现同一区域不同年份的实际冻融温度曲线“大致相同”，但实验室“快冻法”固定的−18±2℃~5±2℃、每2~4h循环一次的模式与现场差异显著。进而将每月划分为上、中、下旬，统计各时间段极值温度概率分布，用均值、中位数、众数及分位值给出15组“冻融简化温度”，供实验室模拟参考。

图2 不同站点各月冻融循环次数统计。

研究团队把实际服役环境视为变幅周期性疲劳加载，把实验室快冻法视为恒幅疲劳加载，基于静水压理论和Miner线性损伤累计法则，建立两者之间的等效换算关系。据文章介绍，静水压理论认为，毛细孔水结冰产生的水压力与降温速率、气孔间距等参数相关。团队引入气孔损失因子，量化高原低气压对含气量的影响，推导出等效“快冻法”冻融循环次数计算公式。以西藏那曲、四川甘孜等38个“极端冻融区”站点为例，当混凝土水灰比为0.5时，等效冻融次数超过35次，若实验室抗冻等级为300次，则现场使用寿命不足10年。

在区划方法上，研究采用K-means聚类算法，对403个存在冻融作用的站点按“年均冻融循环次数、累年平均日最低温度、累年平均日温差”三维指标进行聚类，结合普通克里金空间插值，最终将全国划分为无冻融区、微冻融区、轻度冻融区、中度冻融区、严重冻融区和极端冻融区六个等级。极端冻融区主要分布在青藏高原大部分地区，其平均年冻融次数147次，平均冻结温度−10.4℃，平均冻融温差16.4℃。

图3 基于K-means的冻融作用聚类：（a）三维聚类散点图;（b）在x-y上的投影;（c）在y-z上的投影。x, y, z：笛卡尔坐标系的坐标轴。

图4 冻融作用等级区划。（a）各站点冻融聚类;（b）冻融作用水平分区。

（1）无冻融区：该地区年均冻融次数低于15次，主要分布在秦岭-淮河以南等温暖气候地区；

（2）微冻融区：该地区年均冻融次数介于15~39次，平均年冻融次数为26次，平均冻结温度为−3.2 ℃，平均冻融温差为8.7 ℃，主要位于苏北平原、鲁中东山地区、渭河平原山地区、塔城盆地地区、额尔齐斯谷地地区、阿尔泰山地区、三江平原及其以南山地区；

（3）轻度冻融区：该地区年均冻融次数介于40~59次，平均年冻融次数为49次，平均冻结温度为−6.6℃，平均冻融温差为10.6 ℃，主要位于黄土高原南部地区、华北平原部分地区、呼伦贝尔平原区、大兴安岭中部区、小兴安岭长白山区、松辽平原区、准噶尔盆地区等；

（4）中度冻融区：该地区年均冻融次数介于60~79次，平均年冻融次数为71次，平均冻结温度为−8.0 ℃，平均冻融温差为12.3 ℃，主要位于塔里木与东疆盆地区、大兴安岭北部和南部区、燕山山地区、黄土高原东部太行山地区、内蒙古高原地区、河套平原地区等；

（5）严重冻融区：该地区年均冻融次数介于80~119次，平均年冻融次数为97次，平均冻结温度为−8.8 ℃，平均冻融温差为14.4 ℃，主要位于黄土高原西部地区、柴达木盆地与昆仑山北翼、塔里木盆地部分地区、祁连青东高山盆地高原、河西走廊地区、西河套与内蒙古高原西部区；

（6）极端冻融区：该地区年均冻融次数高于120次，平均年冻融次数为147次，平均冻结温度为−10.4 ℃，平均冻融温差为16.4 ℃，主要位于青藏高原大部分地区。本部分研究可用于初步评估工程所处位置的冻融作用程度。

为方便工程应用，团队还开发了“高原地区混凝土冻融作用分析平台”。用户输入经纬度后，平台可返回该地区逐小时气温、主要冻融月份、冻融温度简化曲线、等效快冻循环次数及预测抗冻寿命。据介绍，平台基于PyQt5搭建，已整合153个高原栅格点19年3小时气温数据与687个站点21年日值数据，“相当于把论文所有公式和图表做成了可点击的按钮”。

图5 可视化平台的搭建思路和主要功能。

论文指出，研究仍有三方面待完善：冻融循环判定标准需通过现场试验修正；模型需结合数值仿真与长期监测进行验证；盐溶液离子及饱和度等因素对冻融作用的影响尚需深入。研究团队表示，下一步将在青藏高原沿线铁路、公路选取典型工点埋设传感器，采集混凝土内部温度、湿度及应变数据，对区划图和等效换算公式进行实地校验。

论文信息：

Tiejun Liu,Ming Zhang,Dujian Zou,Jiaping Liu,Jinping Ou. Analysis and Zonation of Freeze-Thaw Action in the Chinese Plateau Region Considering Spatiotemporal Climate Characteristics. Engineering, 2024, 42(11): 324-341 DOI:10.1016/j.eng.2024.04.016

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