李躍興

（中國水利水電第八工程局有限公司長沙市410007）

前言

水電站混凝土工程，特別是混凝土大壩下部塊體尺寸較大，受到兩岸及河床建基面基巖的約束，施工期暴露面多，環(huán)境氣溫和水溫變化大，夏季高溫歷時(shí)長，日溫差大，春季、冬季還有氣溫驟降，施工期大體積混凝土內(nèi)部溫度高，外界氣溫和水溫的變化會(huì)使混凝土工程內(nèi)出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致開裂，影響結(jié)構(gòu)安全。嚴(yán)格控制混凝土澆筑溫度和最高溫度不超過相應(yīng)設(shè)計(jì)允許溫度要求，并采取綜合混凝土溫度控制措施，預(yù)防混凝土裂縫產(chǎn)生，是保證混凝土結(jié)構(gòu)的整體性及工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵?？刂苹炷翝仓囟群妥罡邷囟炔怀^相應(yīng)設(shè)計(jì)允許溫度要求的最重要的措施就是降低混凝土出機(jī)口溫度。

水電站混凝土工程施工中為了降低混凝土出機(jī)口溫度，廣泛采用混凝土預(yù)冷系統(tǒng)工藝，即通過降低混凝土粗骨料的溫度、充分加冰、加冷水拌制混凝土，降低混凝土的出機(jī)口溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。在混凝土預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要遵守各項(xiàng)設(shè)計(jì)依據(jù),根據(jù)工程所在地的自然條件、混凝土材料的物理熱學(xué)性能及設(shè)計(jì)要求的出機(jī)口溫度來決定需要采取的混凝土預(yù)冷工藝措施。

1 混凝土預(yù)冷工藝措施選取

1.1 混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算

混凝土出機(jī)口溫度主要取決于拌和前各種原材料的溫度。根據(jù)招標(biāo)文件中提供的當(dāng)?shù)厮?、氣象資料的水溫和氣溫得到各材料的初始溫度；根據(jù)混凝土骨料中的巖石性質(zhì)通過實(shí)驗(yàn)、工程類比、或查相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)得到各材料的熱學(xué)性能數(shù)據(jù)。根據(jù)混凝土配合比及設(shè)定粗骨料冷卻后的或原材料的終溫用于熱平衡計(jì)算，利用拌和前混凝土原材料總熱量與拌和后流態(tài)混凝土的總熱量相等的原理，可求得混凝土的出機(jī)口溫度To。

混凝土出機(jī)口溫度根據(jù)熱平衡原理按下式計(jì)算：

式中To——混凝土出機(jī)口溫度；

Wi——每m3混凝土中各種原材料的重量（kg／m3）；

Ci——混凝土各種原材料的比熱（Kcal／kg·℃）；

Ti——混凝土各種原材料的溫度（℃）；

q——每立方米混凝土拌和時(shí)的機(jī)械熱（Kcal/m3）；自落式攪拌機(jī)為1 000，強(qiáng)制式攪拌機(jī)為1 500。

說明：冰的潛熱為-80 Kcal/kg，利用率η=80%～90%，當(dāng)冰溫為（-5～-8）℃時(shí)冰的潛熱利用率為90%；混凝土配比中每m3混凝土用水量包括砂、小石中的含水量以及加冰量，且要保證每m3混凝土另外加的攪拌用水量N1≥18 kg/m3，混凝土各種材料其溫度各不相同，要引起注意。

1.2 混凝土預(yù)冷工藝措施

混凝土的預(yù)冷措施目前分為：粗骨料第一次風(fēng)冷或用冷水冷卻粗骨料代替第一次風(fēng)冷，粗骨料第二次風(fēng)冷，加片冰，加（2～4）℃冷水拌制混凝土的四種措施。在高溫季節(jié)根據(jù)混凝土預(yù)冷的性質(zhì)和出機(jī)口溫度的不同確定混凝土預(yù)冷系統(tǒng)的工藝措施，一般通過熱平衡計(jì)算由上述四種預(yù)冷措施組合以下不同工況的預(yù)冷工藝措施：

（1）地面粗骨料一次風(fēng)冷+拌和樓上粗骨料二次風(fēng)冷+加片冰+（2～4）℃冷水拌制混凝土；

（2）粗骨料一次風(fēng)冷+加片冰+（2～4）℃冷水拌制混凝土；

（3）地面粗骨料一次風(fēng)冷+拌和樓上粗骨料二次風(fēng)冷+（2～4）℃冷水拌制混凝土；

（4）粗骨料一次風(fēng)冷+加（2～4）℃冷水拌制混凝土；（5）加片冰+（2～4）℃冷水拌制混凝土。

設(shè)初步選定某種工況的預(yù)冷工藝措施后，將各材料的最終溫度，各種材料的熱學(xué)性能（比熱）、混凝土配比（每m3混凝土成分）等數(shù)據(jù)代入出機(jī)口溫度計(jì)算公式，可得到混凝土出機(jī)口溫度，若等于或略小于設(shè)計(jì)出機(jī)口溫度，則可以選定預(yù)冷工藝措施采用的工況；否則改變加冰量或重選一種工況，重新計(jì)算混凝土出機(jī)口溫度，直到等于或略小于設(shè)計(jì)出機(jī)口溫度為止。

1.3 混凝土預(yù)冷工藝措施的分析與選取

通常將混凝土骨料初溫選擇月平均氣溫值，粗骨料風(fēng)冷一次冷風(fēng)冷卻時(shí)可以將骨料由初溫降到平均（8～9）℃左右（各種粗骨料此時(shí)溫度是不等的，如果是在拌和樓的料倉進(jìn)行一次冷卻只能按降到平均12℃左右計(jì)算）為一次風(fēng)冷的終溫。二次冷風(fēng)冷卻時(shí)，粗骨料的初溫為一次風(fēng)冷的終溫加1℃左右（溫度回升），二次風(fēng)冷卻粗骨料終溫可以降到平均0.2℃左右（各種粗骨料此時(shí)溫度是不等的）。如將一次風(fēng)冷的終溫代入出機(jī)口溫度計(jì)算公式，混凝土出機(jī)口溫度滿足要求，則選定粗骨料一次風(fēng)冷的工藝。如需要將二次風(fēng)冷的終溫代入出機(jī)口溫度計(jì)算公式才能滿足要求，則選用粗骨料二次風(fēng)冷的工藝?；炷令A(yù)冷工藝不需要加冰時(shí)W冰以零代入計(jì)算公式，但每m3混凝土加冰量的最大值W冰（kg）=W冰（配比總用水量）-W冰（砂的重量）×6%-W小石（小石的重量）×1%-18（混凝土攪拌用水最小量為18 kg/m3）。

混凝土的性質(zhì)是常態(tài)混凝土還是碾壓混凝土直接影響混凝土的預(yù)冷措施選取，由于碾壓混凝土加水量受到限制，盡量不選擇加冰的工藝，常態(tài)混凝土?xí)r優(yōu)先選擇加冰的工藝。不同的情況采用不同的預(yù)冷措施，正確的選擇混凝土預(yù)冷措施能提高生產(chǎn)效率和保證混凝土的溫控質(zhì)量要求，同時(shí)也可以節(jié)約生產(chǎn)成本。以下是目前已經(jīng)實(shí)施的幾個(gè)工程選擇的混凝土預(yù)冷工藝措施（附表）。

附表混凝土預(yù)冷工藝措施

1.4 混凝土生產(chǎn)設(shè)備對(duì)預(yù)冷效果的影響

工程所在地的自然條件、混凝土材料的物理熱學(xué)性能影響混凝土的出機(jī)口溫度外，混凝土的攪拌設(shè)備選擇也有不同程度的影響混凝土的出機(jī)口溫度。

在混凝土生產(chǎn)中自落式攪拌機(jī)比強(qiáng)制式攪拌機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械熱要小，同容量的攪拌機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械熱自落式攪拌機(jī)是強(qiáng)制式攪拌機(jī)的2/3，因此，一般情況下常態(tài)混凝土生產(chǎn)選用自落式攪拌機(jī)，碾壓混凝土生產(chǎn)選用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。

混凝土生產(chǎn)設(shè)備的形式不同，混凝土攪拌樓與混凝土攪拌站的選用對(duì)混凝土的預(yù)冷效果也不同。當(dāng)生產(chǎn)混凝土只需要對(duì)骨料進(jìn)行一次風(fēng)冷的預(yù)冷措施時(shí)，由于混凝土攪拌樓的骨料倉容積比較小，骨料冷卻時(shí)間有限，按拌和樓的額定產(chǎn)量，骨料平均冷卻時(shí)間一般在（30～45）min內(nèi)，雖然短時(shí)間運(yùn)行或生產(chǎn)混凝土的量比額定產(chǎn)量小很多時(shí)粗骨料能冷卻到設(shè)計(jì)的溫度，但拌和樓按額定產(chǎn)量連續(xù)運(yùn)行時(shí)粗骨料不能長期冷卻到設(shè)計(jì)的溫度，生產(chǎn)的混凝土也不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而采用混凝土拌和站時(shí)可以將拌和站的骨料倉加大或按預(yù)冷混凝土的產(chǎn)量設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)冷料倉做拌和站的骨料倉，使骨料平均冷卻時(shí)間一般可以基本達(dá)到60 min或超過60 min，有足夠的時(shí)間來冷卻骨料，拌和站按額定產(chǎn)量連續(xù)運(yùn)行時(shí)粗骨料也能長期冷卻到設(shè)計(jì)的溫度，使生產(chǎn)的混凝土預(yù)冷質(zhì)量穩(wěn)定。一般情況下當(dāng)生產(chǎn)混凝土只需要對(duì)骨料進(jìn)行一次風(fēng)冷的預(yù)冷措施時(shí)，優(yōu)先選用混凝土攪拌站作為混凝土的生產(chǎn)設(shè)備，反之選擇混凝土攪拌樓作為混凝土的生產(chǎn)設(shè)備。

2 改進(jìn)混凝土預(yù)冷工藝措施的方向

目前混凝土預(yù)冷出機(jī)口溫度主要受制于膠凝材料和砂（細(xì)骨料）的影響較大，盡量減小膠凝材料水化熱、砂的含水率，將使控制混凝土的出機(jī)口溫度變得容易。

如今后在膠凝材料中加入一種添加劑后，既保證混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量性能不發(fā)生變化，又能減少在攪拌中膠凝材料的水化熱量，這樣可以簡(jiǎn)化目前的混凝土預(yù)冷工藝措施。

砂的含水率在很大程度上影響著混凝土的出機(jī)口溫度，經(jīng)過多次試驗(yàn)檢測(cè)砂的溫度基本上與當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁叵嗟取Ｉ暗暮蚀?、同時(shí)還直接影響到混凝土拌制時(shí)加冰、加冷水的量，使混凝土預(yù)冷工藝措施變得復(fù)雜。目前砂石加工工藝的改進(jìn)，半干化生產(chǎn)使砂的含水率相對(duì)以前已經(jīng)有所降低，在同容量的混凝土材料中可以多加一些冰或冷凍水，使混凝土的出機(jī)口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值變得容易控制。

當(dāng)砂的含水率降到接近于零時(shí)，砂很干燥不容易結(jié)塊，使對(duì)砂進(jìn)行風(fēng)冷降溫成為可能。如果能將砂的溫度降一個(gè)理想的溫度值時(shí)，是優(yōu)化混凝土預(yù)冷工藝措施邁進(jìn)了關(guān)鍵的一步，將改變傳統(tǒng)的工藝措施。原來需要二次粗骨料風(fēng)冷的混凝土預(yù)冷工藝措施，現(xiàn)在可能只需要一次粗骨料風(fēng)冷就可以達(dá)到原來的效果。

總之減小膠凝材料的水化熱的量和降低砂含水率是改進(jìn)混凝土預(yù)冷工藝措施最有效的辦法，也將為節(jié)能減排作出重大的貢獻(xiàn)。