高性能混凝土拌和溫度控制技術(shù)

【摘要】為滿足鐵路客運(yùn)專線對(duì)高性能混凝土施工時(shí)的技術(shù)要求，保證混凝土的耐久性，須對(duì)混凝土的拌合、出機(jī)、入模溫度進(jìn)行監(jiān)控以滿足施工需要。

【關(guān)鍵詞】高性能混凝土、溫度控制、熱工公式

1 工程概況

鄭州黃河公鐵兩用橋是跨鐵路客運(yùn)專線的橋梁。本段客運(yùn)專線行車時(shí)速為350-300公里/小時(shí)，計(jì)劃運(yùn)營(yíng)時(shí)間達(dá)100年。針對(duì)高速鐵路客運(yùn)專線技術(shù)要求高的特點(diǎn)，鐵道部經(jīng)過(guò)組織研究形成了我國(guó)鐵路客運(yùn)專線建設(shè)中關(guān)于混凝土耐久性的技術(shù)要求，第一次在我國(guó)橋梁領(lǐng)域內(nèi)提出了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性這一觀念，新的客運(yùn)專線驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)混凝土耐久性提出了較為具體的技術(shù)要求。可以說(shuō)從混凝土的配置、拌合、運(yùn)輸、施工、成型等各個(gè)方面均進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。

根據(jù)《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》第6.6.3條規(guī)定：當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，混凝土入模溫度控制在5-30℃。

《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.5規(guī)定：冬期施工時(shí)，混凝土的入模溫度不應(yīng)低于5℃；夏期施工時(shí)，混凝土的入模溫度不宜高于氣溫且不宜超過(guò)30℃。

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》第7.0.2規(guī)定：冬季攪拌混凝土?xí)r，混凝土的出機(jī)溫度不宜低于10℃，入模溫度不宜低于5℃。

2 前期施工中遇到的問(wèn)題

在前期的施工過(guò)程中，由于對(duì)高性能混凝土溫度控制的經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，夏季鉆孔灌注樁澆筑過(guò)程中入模溫度曾達(dá)到33℃，嚴(yán)重超過(guò)規(guī)范要求。問(wèn)題發(fā)現(xiàn)后項(xiàng)目拌合站采取在拌合站水內(nèi)加冰等辦法，降低拌合用水溫度，從而降低了混凝土出機(jī)溫度。在冬季施工中，由于外界環(huán)境溫度的變化，混凝土入模溫度的控制問(wèn)題也越加突顯。施工時(shí)我們采取了水加熱的方法，使拌合站出機(jī)溫度大于10℃，但由于黃河灘地內(nèi)施工均存在冬夏兩季溫差的特點(diǎn)，因此如何根據(jù)原材料的溫度變化情況，采取可量化的升降溫措施即到底將水降低或升高多少度，是施工中控制的難點(diǎn)。

3 利用熱工公式解決混凝土出機(jī)前的溫度控制問(wèn)題

3.1 熱工公式的內(nèi)容

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用熱工公式進(jìn)行冬季施工的溫度控制。

tb =[a（tsms+tama+tcmc）+btwmw+b（psmsts+pamata）-B（psms+pama）]/[a（mc+ms+ma）+bmw+b（psms+pama）]

式中：tb —混凝土拌合物合成后的溫度

ms、ma、mc —石、砂、水泥的干燥質(zhì)量

mw—拌合加水的質(zhì)量，不包括集料含的水

tc、ts、taw—水泥、砂、石、水裝入攪拌機(jī)時(shí)的溫度

ps、pa?—砂石的含水率

a—水泥及集料的比熱，可用0.92

b、B —水的比熱的溶解熱，當(dāng)集料溫度>0時(shí)，b =4.19、B =0

鑒于熱工公式在工程中的廣泛使用，可利用電子測(cè)溫方法，自動(dòng)采集原材料的各項(xiàng)溫度，然后將采集的溫度輸入電腦，利用電腦進(jìn)行計(jì)算處理（即通過(guò)熱工公式的計(jì)算），在短時(shí)間內(nèi)得到混凝土的出機(jī)溫度，從而直接通過(guò)前幾盤混凝土的測(cè)定最終確定這個(gè)時(shí)段混凝土的出機(jī)溫度，進(jìn)而指導(dǎo)混凝土原材料的升降溫措施。

由于目前高性能混凝土的拌合站均采用電腦控制，無(wú)論從材料計(jì)量、機(jī)械設(shè)備管理均采用電腦控制，并且配備專業(yè)的操作室，充分實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化拌合。另外，實(shí)際操作中，可考慮在混凝土拌合設(shè)備上增加混凝土溫度控制的功能，若未達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度則不容許進(jìn)行自動(dòng)拌合，必須采用人工拌合，從機(jī)械設(shè)備的源頭控制混凝土的出機(jī)溫度。

3.2 利用熱工式需解決的問(wèn)題。

3.2.1 如何快速、方便、準(zhǔn)確的采集到原材料溫度。

3.2.2 熱工公式的準(zhǔn)確性如何，其偏差值有多少。

3.2.3為降低水化熱，必須在高性能混凝土中摻入粉煤灰，而熱工公式里面沒(méi)有考慮粉煤灰的影響。

3.3 溫度采集過(guò)程

工程施工中，項(xiàng)目部采用了HZS90型拌合站強(qiáng)制式拌合。在混凝土拌合前，各種原材料需經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確稱重，經(jīng)運(yùn)輸皮帶傳輸后進(jìn)入各儲(chǔ)備倉(cāng)。其儲(chǔ)備倉(cāng)分為水泥、粉煤灰、砂、石子、水五大儲(chǔ)存?zhèn)}。技術(shù)人員將Gxp—8八路溫度自動(dòng)巡回檢測(cè)儀的溫度感應(yīng)原件埋入各種原材料的儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。又由于拌合站拌合儲(chǔ)存?zhèn)}與拌合站操作室距離較近，根據(jù)拌合站自身設(shè)置兩倉(cāng)之間存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，因此可利用已有的數(shù)據(jù)傳輸槽安置八回路巡檢儀的數(shù)據(jù)線路，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑫r(shí)充分解決了溫度采集的問(wèn)題，并且由于溫度采集是控制在即將拌合的儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)，因此可以更加準(zhǔn)確的測(cè)量出各種原材料的原始溫度，從而提混凝土溫度預(yù)測(cè)的精確性。

圖1 溫控元件 圖2 至于水倉(cāng)內(nèi)的溫控元件

在測(cè)定過(guò)程中，根據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在不采取任何保溫措施情況下，粗細(xì)骨料的溫度與拌合倉(cāng)內(nèi)環(huán)境溫度基本相同，而水泥的溫度與環(huán)境溫度偏差較大，且水泥自身受日照影響溫度均較高。一般情況下，夏季可達(dá)到40℃，冬季也可達(dá)到10℃左右，因此有必要在水泥倉(cāng)內(nèi)設(shè)置溫度感應(yīng)器。實(shí)施過(guò)程中，可將溫度傳感器固定于水倉(cāng)、水泥倉(cāng)、粉煤灰倉(cāng)內(nèi)、粗骨料倉(cāng)、細(xì)骨料倉(cāng)、拌合樓環(huán)境溫度6個(gè)溫度采集點(diǎn)。

3.3 利用熱工公式進(jìn)行溫度檢測(cè)

3.3.1 目前拌合樓的數(shù)控系統(tǒng)中，均配置一臺(tái)電腦控制系統(tǒng)，電腦采用最常用的windows XP操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)兼容目前常用的Excel計(jì)算表格，通過(guò)Excel表格的計(jì)算功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算及處理，現(xiàn)以鄭州黃河公鐵兩用橋QL-1表承臺(tái)配合比來(lái)說(shuō)明計(jì)算過(guò)程：

表1

配合比（水泥：粉煤灰：黃砂：碎石：水：膨脹劑：外加劑=1：0.429：2.482：3.429：0.515：0.01：14 （%）

材料名稱每批用干料（Kg）材料含水含水在內(nèi)實(shí)際用料

kg

%kg

P.O 42.5水泥303 30.3

信陽(yáng)Ⅱ區(qū)中黃砂7525.23.9791

衛(wèi)輝北碎石（5-25mm）10391.1111050 （大石子735）

（小石子315）

地下飲用水156 156

金龍?jiān)捶勖夯?30 130

外加劑3.464 3.464

假設(shè)采集后砂的溫度、石子的溫度、水泥的溫度均為1℃，水溫度為40℃：

tb={0.92×[1×303+1×（752+130）+1×1039]+4.19×40×156+4.19×[（752+130） ×1×（1-0.052）+1039×1×（1-0.011）]}/[0.92×（303+752+1039+130）+4.19×156+4.19×（0.052×752+0.011×1039）]=13.07℃

混凝土拌合物在攪拌過(guò)程中的熱量損失及在運(yùn)輸澆筑過(guò)程中的熱量損失計(jì)算如下

t=T-0.16×（T-5）=11.78℃，其中的5℃為假設(shè)的拌和樓的溫度

將對(duì)應(yīng)溫度輸入已制作好的簡(jiǎn)易電腦程序中，以下是表格計(jì)算公式樣圖：

由操作程序可以將試驗(yàn)測(cè)定的含水量、原材料溫度等指標(biāo)直接輸入即得出混凝土的出機(jī)溫度。

3.3.2 對(duì)熱工公式進(jìn)行復(fù)核。

在施工應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在4-4.6℃的差異，詳見(jiàn)幾組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

第1組測(cè)量數(shù)據(jù)（2007年11月26日14：25）

砂溫度℃砂質(zhì)量（kg）石子溫度℃石子質(zhì)量（kg）水泥溫度℃水泥質(zhì)量（kg）水溫度℃水質(zhì)量（kg）砂的含水率（%）石的含水率（%）拌和樓溫度℃合成后的溫度℃計(jì)算出機(jī)溫度℃實(shí)測(cè)出機(jī)溫度℃

7.912537.3147713.6414161920.0480.0113.39.90 10.44 14.4

第2組測(cè)量數(shù)據(jù)（2007年11月27日4：25）

砂溫度℃砂質(zhì)量（kg）石子溫度℃石子質(zhì)量（kg）水泥溫度℃水泥質(zhì)量（kg）水溫度℃水質(zhì)量（kg）砂的含水率（%）石的含水率（%）拌和樓溫度℃合成后的溫度℃計(jì)算出機(jī)溫度℃實(shí)測(cè)出機(jī)溫度℃

1.712531.2147710.5414151920.0480.0125.10 4.60 8.8

目前根據(jù)規(guī)范規(guī)定，高性能混凝土的拌合時(shí)間必須大于120秒，有時(shí)根據(jù)混凝土自身性質(zhì)要求拌合時(shí)間達(dá)到180秒，因此溫度計(jì)算產(chǎn)生差別的原因正是由于熱工公式中忽略了水泥水化熱的影響。

根據(jù)施工配合比進(jìn)行水泥水化熱試驗(yàn)得到水泥水化熱值為141kJ/kg

由散熱公式Q=Cm△t得到

△t=Q/ Cm=141kJ/kg×414kg/[0.92（比熱容）×24×（1253+1477）]=0.97℃

水泥水化熱放熱是個(gè)緩慢的過(guò)程，414kg水泥能否產(chǎn)生0.96度的偏差存在懷疑。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，水泥在遇水后會(huì)迅速產(chǎn)生升溫，升溫速度較快，因此可以認(rèn)為水泥水化熱的產(chǎn)生，可產(chǎn)生溫度的變化，但具體數(shù)據(jù)只能從實(shí)踐對(duì)比中反推，通過(guò)比對(duì)，采取了經(jīng)驗(yàn)值3℃，因此給出了修正系數(shù)K=3.1。

3.4 粉煤灰對(duì)溫度的影響

粉煤灰的性質(zhì)且與水泥相同，只是在拌合過(guò)程中不產(chǎn)生水化熱，因此可將粉煤灰等同于水泥、粗細(xì)骨料，由于粉煤灰同樣采用封閉水泥罐進(jìn)行儲(chǔ)存，其溫度也偏高于環(huán)境溫度。因此將粉煤灰增加進(jìn)熱工公式是有必要的，根據(jù)目前配合比每1.5方混凝土粉煤灰約為178kg，熱工公式變?yōu)椋?/p>

tb=[a（tsms+tama+tcmc+tfmf）+btwmw+b（psmsts+pamata）-B（psms+pama）]/[a（mc+ms+ma+mf）+

bmw+b（psms+pama）]+3（水化熱增加值）

式中：tb —混凝土拌合物合成后的溫度

ms、ma、mc、mf —石、砂、水泥、粉煤灰的干燥質(zhì)量

mw—拌合加水的質(zhì)量，不包括集料含的水

tc、ts、ta、tw、tf—水泥、砂、石、水、粉煤灰裝入攪拌機(jī)時(shí)的溫度

ps、pa?—砂石的含水率

a—水泥及集料的比熱，可用0.92

b、B —水的比熱的溶解熱，當(dāng)集料溫度>0時(shí)，b =4.19、B =0

增加粉煤灰的影響及水泥水化熱的影響后，重新對(duì)溫度進(jìn)行計(jì)算，其理論值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

第1組測(cè)量數(shù)據(jù)（2007年11月26日14：25）

砂溫度℃砂質(zhì)量（kg）石子溫度℃石子質(zhì)量（kg）水泥溫度℃水泥質(zhì)量kg粉煤灰質(zhì)量kg粉煤灰溫度℃水溫度℃水質(zhì)量kg砂的含水率（%）石的含水率（%）拌和樓溫度℃合成后的溫度℃計(jì)算出機(jī)溫度℃實(shí)測(cè)出機(jī)溫度℃

7.912537.3147713.641417812.2161920.0480.0112.411.15 14.35 14.4

第2組測(cè)量數(shù)據(jù)（2007年11月27日4：25）

砂溫度℃砂質(zhì)量（kg）石子溫度℃石子質(zhì)量（kg）水泥溫度℃水泥質(zhì)量（kg）粉煤灰質(zhì)量（kg）粉煤灰溫度℃水溫度℃水質(zhì)量（kg）砂的含水率（%）石的含水率（%）拌和樓溫度℃合成后的溫度℃計(jì)算出機(jī)溫度℃實(shí)測(cè)出機(jī)溫度℃

1.712531.2147710.54141785151920.0480.0146.26 8.89 8.8

經(jīng)過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)我們對(duì)比了根據(jù)熱工公式計(jì)算的溫度與計(jì)算測(cè)量溫度的差別，對(duì)溫度產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，雖然溫差的原因沒(méi)有完全找到，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值可基本指導(dǎo)施工。此計(jì)算表格，簡(jiǎn)便易用，將其復(fù)制到拌合站操作室的電腦里可在短短的幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集及溫度是否合格的評(píng)估，若計(jì)算結(jié)果表明拌和后的混凝土溫度復(fù)核驗(yàn)標(biāo)要求，可進(jìn)行混凝土拌和，若計(jì)算結(jié)果表明拌和后的溫度不能達(dá)到驗(yàn)標(biāo)要求，那么通過(guò)水加溫、降溫等手段也可控制混凝土的出機(jī)溫度，滿足鐵路高性能混凝土的要求。

4 控制混凝土溫度的手段

通過(guò)半年兩個(gè)季節(jié)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合熱工公式分析并實(shí)踐項(xiàng)目采取了多種措施來(lái)更加有效地控制混凝土升降溫度，并根據(jù)熱工公式分析了采取何種措施能夠更加有效的控制混凝土的溫度。

4.1 夏季混凝土降溫采取的措施

夏季受高溫影響，水泥的溫度較高，項(xiàng)目根據(jù)客專要求搭設(shè)了混凝土防曬棚，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)防曬棚對(duì)砂、石料等降溫功效較大，同時(shí)利用熱工公式進(jìn)行了最快速度的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)若其它條件不變，砂石料的入倉(cāng)溫度每降低一度，則混凝土的整體溫度可下降0.8度。同時(shí)項(xiàng)目還采取了對(duì)砂石料進(jìn)行灑水降溫的措施，但由于灑水易造成砂石料的含水率變化，對(duì)混凝土坍落度、和易性影響較大，應(yīng)注意此種方法的掌握。

夏季還可以采取拌合水內(nèi)加冰的辦法。但由于涉及到冰的運(yùn)輸、儲(chǔ)存等問(wèn)題，因此費(fèi)用較高。同時(shí)還需配備刨冰機(jī)，方便將冰塊粉碎。

4.2 冬季混凝土保溫措施

冬季則采用常規(guī)的水加溫措施，此措施非常行之有效，同時(shí)由于利用了熱工公示對(duì)水加熱的程度進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過(guò)計(jì)算水升溫40℃即可滿足施工需要。

5 應(yīng)用效果

利用此套溫控計(jì)算系統(tǒng)，在鄭州黃河公鐵兩用橋項(xiàng)目中采取了拌合水不加溫的措施，使得混凝土的出機(jī)溫度控制在12～15℃，入模溫度控制在10～12℃，對(duì)項(xiàng)目澆筑首件合格承臺(tái)起到了不小的作用，控制效果良好，受到業(yè)主的好評(píng)。

6 結(jié)論

由于對(duì)溫控電子設(shè)備了解還不全面，因此目前溫度感應(yīng)器還存在損耗等問(wèn)題，希望在今后的實(shí)踐中逐步改造溫度采集系統(tǒng)，計(jì)劃通過(guò)研發(fā)軟件將采集的溫度自動(dòng)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)電子放大器放大，實(shí)現(xiàn)混凝土的溫度的自動(dòng)控制。以滿足客運(yùn)專線高性能混凝土的技術(shù)要求，從而指導(dǎo)混凝土的施工。

參考文獻(xiàn)

[1] 交通部第一公路工程總公司編著 《橋涵》 人民交通出版社

[2] 張鴻 劉先鵬編著 《特大型橋梁深水高樁承臺(tái)基礎(chǔ)施工技術(shù)》 中國(guó)建筑工業(yè)出版社

[3] 王鐵夢(mèng)編著 《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》 中國(guó)建筑工業(yè)出版社

[4] 《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》 中國(guó)鐵道出版社