混凝土水管冷卻布置方式實(shí)驗(yàn)探討

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(石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043)

0 引 言

大型混凝土在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，針對(duì)混凝土裂縫這個(gè)問(wèn)題，很多專家學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究和探索，比如朱伯芳等人。他們不僅在軟件方面通過(guò)程序模擬混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)，而且在理論方面也進(jìn)行了充分的計(jì)算，得出了冷卻水溫，通水流量，水管管徑，對(duì)混凝土散熱的影響規(guī)律。但是他們都是從理論的角度進(jìn)行論證，沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。文中便通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段針對(duì)冷卻水管布置方式進(jìn)行了驗(yàn)證，而且也進(jìn)行了添加相變材料的效果比較，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。

1 研究背景

水泥水化過(guò)程產(chǎn)生大量水化熱，同時(shí)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，故熱量不容易散發(fā)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部快速升溫后緩慢降溫，形成較大的溫度梯度，容易產(chǎn)生裂縫。一旦裂縫產(chǎn)生，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全、美觀、抗?jié)B和耐久性等?；诖耍P(guān)于大體積混凝土水化熱方面的研究一直為工程結(jié)構(gòu)界所關(guān)注[1-2]。

對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的研究，在土木工程領(lǐng)域已比較多，而在工業(yè)與民用建筑、橋梁工程中，研究較少。在土木工程中混凝土體積相對(duì)較小，但是并不代表混凝土的溫度應(yīng)力可以忽略，為了保證結(jié)構(gòu)的安全，有必要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究，從而找出一些可行的方法或措施來(lái)解決混凝土水化熱過(guò)程會(huì)存在的問(wèn)題。水管冷卻在施工中已經(jīng)逐漸使用，但學(xué)者們的研究都在理論上分析，本文通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來(lái)探討水管布置單管和蛇形管的效果差別[3-4]。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 水泥試件

選取水化熱較多的C50型號(hào)的混凝土，試件各個(gè)原料的配比水泥20.9%，砂30.0%，中石子32.6%，小石子15.9%，水2.6%。添加相變材料試件另加200 g三水合乙酸鈉。

2.2 構(gòu)件型號(hào)

采用35×19×19 mm的塑料透明整理箱裝混凝土制塊進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，為了模擬大型混凝土內(nèi)部水化熱溫度變化情形，在整理箱內(nèi)側(cè)用橡塑保溫，為了試驗(yàn)中進(jìn)行比較，同時(shí)澆注四個(gè)混凝土塊：第一塊混凝土塊中在塑料箱中部放一根內(nèi)徑8 mm導(dǎo)熱系數(shù)為22 J/(m·s·k)的康銅管；第二塊混凝土塊中放兩根相同的康銅管；第三塊(1號(hào))在澆筑前在混凝土加入相變材料三水合乙酸鈉并混合均勻，第四塊(2號(hào))中不加任何其他東西做為對(duì)照組。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

四組混凝土塊在澆筑過(guò)程中用內(nèi)徑為10 mm的塑料管布置好測(cè)點(diǎn)，每塊混凝土塊布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，并且四組的測(cè)點(diǎn)位置相同，每塊混凝土的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在混凝土的中心，第二個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在距離邊10 cm處。3.1.5測(cè)量工具

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

這次試驗(yàn)采用wzp型號(hào)pt100的鉑熱電阻測(cè)量混凝土內(nèi)部的溫度變化，用與熱電阻相匹配的XMT-102數(shù)顯調(diào)節(jié)儀顯示溫度。

2.5 試驗(yàn)步驟

(1)粘貼保溫材料。冷卻水管穿插位置打孔。

(2)預(yù)連接管路。為保證混凝土澆灌完成后能夠盡快進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，需提前將其他設(shè)備準(zhǔn)備就緒。恒溫水?。涸谒?nèi)注滿自來(lái)水，調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)的溫度，并開啟電源。循環(huán)水泵：在水泵出口處安裝閥門管件，使其有兩個(gè)出口能夠同時(shí)供水，將水泵浸入恒溫水浴中，暫不接電(通電后即運(yùn)行)。膠管：用膠管連接各個(gè)設(shè)備，水在膠管中流通，從水泵的兩端分別引出一根膠管準(zhǔn)備和冷卻水管連接，為其通水冷卻。

(3)配置混凝土。試驗(yàn)采用C50混凝土，根據(jù)計(jì)算好的配比，對(duì)各種原料稱重，并放入混凝土攪拌機(jī)中攪拌，將攪好的混凝土灌入保溫箱中，送到實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。

(4)預(yù)埋測(cè)溫套管。冷卻套管為一種空心管，目的為方便測(cè)溫?zé)犭娕疾迦霚y(cè)溫，位置如之前設(shè)計(jì)點(diǎn)，并用保溫材料蓋上蓋。

(5)連接管路。將雙管試件的一段用膠管連接以模仿蛇形布置，另一端為進(jìn)出水管。循環(huán)水泵一端引出管接單管試件的一端，試件另一端出口直接引回恒溫水浴循環(huán)。循環(huán)水泵另一端引出管接雙管試件的一端，試件另一端出口直接引回恒溫水浴循環(huán)。

(6)接通水泵電源，水泵運(yùn)行，水開始在管內(nèi)流動(dòng)。試驗(yàn)正常進(jìn)行。

(7)數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)量時(shí)將熱電偶插入測(cè)溫套管中，觀察儀表數(shù)值變化，待溫度值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。

(8)每間隔半小時(shí)測(cè)量一次，對(duì)4個(gè)試件8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)都需測(cè)量，持續(xù)測(cè)量24 h，并依此記錄數(shù)據(jù)。

(9)試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電源，將設(shè)備管件依此拆除，實(shí)驗(yàn)試件及設(shè)備裝好存放。

(10)整理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。

2.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.6.1 總體分析

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照時(shí)間溫度繪制成圖表，變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 所有測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間變化圖

由圖1整體上看，布置單管和布置蛇形雙管的試件經(jīng)歷開了一個(gè)溫度逐漸升高又逐漸降低的過(guò)程，大約在16 h的時(shí)候溫度達(dá)到峰值，最后逐漸下降且下降梯度較小。

1號(hào)添加相變材料試驗(yàn)塊和空白對(duì)照試驗(yàn)塊在22 h內(nèi)一直處于上升階段，但上升速度很慢，可以推測(cè)這兩個(gè)試件也即將達(dá)到溫度峰值并緩慢降溫，且峰值比布置水管時(shí)峰值要高。

可以看出布置冷卻水管，可以促進(jìn)混凝土的水化熱釋放，縮短混凝土的度時(shí)級(jí)，是混凝土在同一時(shí)刻成熟度更高。

添加相變材料的試件在11 h后溫度開始明顯低于空白對(duì)照試件且坡度變緩。

2.6.2 單管和蛇形管的比較

(1)兩個(gè)試件中間溫度的差異

溫度時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 單管和蛇形管中部溫度時(shí)間變化圖

由圖2可以看出在18 h之前。雙管中部的溫度一直高于單管中部溫度，18 h后兩個(gè)溫度基本持平。

對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象是和理論基本一致的，布置蛇形雙管中部溫度高是由溫度測(cè)點(diǎn)的布置位置導(dǎo)致的，雙管試件的中部測(cè)點(diǎn)位置在兩管中間而中部單管布置的試件中部溫度測(cè)點(diǎn)在水管旁邊，故單管中部測(cè)點(diǎn)距離水管的距離要更近一點(diǎn)，冷卻水管可以通過(guò)換熱降低周圍混凝土的溫度，所以單管中部的溫度會(huì)偏低。18 h后，兩個(gè)溫度都下降緩慢基本持平。

(2)兩個(gè)試件側(cè)邊溫度的差異

溫度時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 單管和蛇形管側(cè)邊溫度時(shí)間變化圖

由圖3可以看出，在溫度達(dá)到溫度峰值之前，雙管側(cè)邊的溫度是高于單管側(cè)邊溫度的，從測(cè)點(diǎn)距離水管的距離來(lái)看，雙管側(cè)邊測(cè)點(diǎn)位置距離水管是近的，理論上溫度應(yīng)該低，可是試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明這是錯(cuò)誤的，也就是說(shuō)布置雙管試件在側(cè)邊體現(xiàn)出的散熱效果是不如單管的，可以初步得出結(jié)論，蛇形布置雙管并不如單管布置效果好。下面進(jìn)行分析解釋。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，單管和蛇形雙管有相同的入口溫度，但是流體在其中的流程是不同的，一定入口溫度的流體進(jìn)入水管后會(huì)吸收混凝土水化熱從而自身溫度升高，所以流體越往后溫度越高，當(dāng)經(jīng)過(guò)第一根管后到達(dá)第二根時(shí)流體溫度已經(jīng)上升了，也就降低了其冷卻效果，從而導(dǎo)致側(cè)邊的溫度還要高于單管試件側(cè)邊的溫度。

以上可以證明，蛇形管布置方式在換熱效果上是不如單管布置的。

(3)添加相變材料對(duì)混凝土水化熱的影響

如圖4和圖5分別為兩個(gè)試件中部溫度和側(cè)邊溫度的比較。

圖4 相變材料試件中部溫度比較圖

圖5 相變材料試件側(cè)邊溫度比較圖

由圖可以看出，1號(hào)添加相變材料的試件無(wú)論是中部還是側(cè)邊的溫度基本上是始終低于空白對(duì)照試件的，這就說(shuō)明添加相變材料后對(duì)混凝土的凝固起到了一個(gè)副作用，它使得同一時(shí)刻的混凝土成熟度變低，也是混凝土的度時(shí)級(jí)變小。而且從我們實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象來(lái)看，添加相變材料后混凝土?xí)r發(fā)生了反應(yīng)的并產(chǎn)生了白色泡沫狀物質(zhì)，這在工程上是絕對(duì)不可以的。

得出結(jié)論，添加相變材料沒(méi)有對(duì)混凝土水化熱散熱起到良好的效果，由于實(shí)驗(yàn)可能不夠完善，但也可以初步得出結(jié)論，混凝土如果采用添加相變材料促進(jìn)散熱的話對(duì)相變材料的要求也是非常高的。

此外復(fù)合相變材料的研究涉及幾個(gè)方面的問(wèn)題,相變熱的大小,化學(xué)及物理穩(wěn)定性,導(dǎo)熱性,制備是否簡(jiǎn)單易行。這都和相變材料的制取有關(guān),因此如何選取支撐物及相變材料成了日后研究的主題。為此,要注重以下方面的內(nèi)容:

(1) 相變材料必須具有大的相變熱,合成后的相變材料也必須就有可以接受的相變熱,即復(fù)合相變材料相變熱必須能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

(2) 要具有合適的相變溫度,這里的相變溫度范圍需跟應(yīng)用要求相一致。

(3) 要具有合適的熱導(dǎo)率,即熱量能夠迅速的傳遞。

(4) 化學(xué)物理性質(zhì)要穩(wěn)定,即相變過(guò)程中復(fù)合相變材料不會(huì)分解,也不會(huì)發(fā)生滲漏等現(xiàn)象。相變材料要過(guò)冷度小,相變速度快。

(5) 要易于生產(chǎn),成本要低。

具體來(lái)說(shuō),就是要研究出一系列成體系的相變材料,要改善支撐物的力學(xué)熱學(xué)性能,要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工業(yè)化,利用大眾化。隨著社會(huì)的進(jìn)步,人們對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高,選取適合的相變材料來(lái)減小混凝土的水化熱并且不影響它的性能必將得到廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以大體得到以下結(jié)論：

在蛇形管布置和單管布置中，單管布置的效果是好于蛇形管的，考慮到工程中施工問(wèn)題不宜設(shè)置太多入水口，但也要盡量減少蛇形管的長(zhǎng)度，從而兩者結(jié)合達(dá)到更好的效果。

添加相變材料并非可以很好的吸收混凝土水化熱而不造成其他的影響，實(shí)驗(yàn)中就產(chǎn)生了排斥造成了副作用，因此可以證明對(duì)于化學(xué)變化是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，工程中如果要采用相變材料，?duì)材料的要求是極度苛刻的。會(huì)超過(guò)其成本不會(huì)帶來(lái)好的效益。

[1] 朱伯芳.聚乙烯冷卻水管的等效間距[J].水利水電技術(shù)，2002．

[2] 馬云龍，賈艷敏，嚴(yán)古龍.預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁水化熱溫度測(cè)試與分析[J].森林工程，2014，39(2)：130-134.

[3] 朱伯芳.考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導(dǎo)方程[J].水利學(xué)報(bào)，1996．

[4] 朱伯芳.大體積混凝土非金屬水管冷卻的降溫計(jì)算[J].水利發(fā)電，1996．