混凝土冬季施工措施及拌和物熱工計(jì)算

陳 躍 張永智 張之鈺

（1.太原市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站山西太原030001；2.山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院山西太原030024）

1 混凝土冬季施工相關(guān)規(guī)范規(guī)定的溫度條件

《建筑工程冬期施工技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T104-2011）：根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄隁庀筚Y料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5 d 穩(wěn)定低于5℃即進(jìn)入冬期施工；當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5 d 高于5℃即解除冬期施工。

《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）：日平均氣溫連續(xù)5 d 穩(wěn)定在5℃下或最低氣溫連續(xù)5 d 穩(wěn)定在-3℃以下時(shí)，應(yīng)按低溫季節(jié)施工。

這是因?yàn)?，?dāng)氣溫低于5℃時(shí)，混凝土強(qiáng)度增長明顯減緩，5℃條件下養(yǎng)護(hù)，其28 d 強(qiáng)度僅能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的60%。世界各國普遍規(guī)定了低溫季節(jié)混凝土施工的最低日平均氣溫條件，一般在4℃～5℃之間。

2 冬期施工的主要措施

以混凝土能夠達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度為前提，可分別或同時(shí)采用以下幾類措施。

1）局部改善溫度環(huán)境。

2）提高混凝土拌和、澆筑溫度。

3）減少攪拌、運(yùn)輸、澆筑等環(huán)節(jié)的熱損失。

4）提高養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度（保持必要濕度）。

5）在混凝土中摻加能夠降低凍結(jié)溫度或提高抗凍能力的外加劑。

受凍臨界溫度系指冬期澆筑的混凝土在受凍前必須達(dá)到的最低強(qiáng)度。關(guān)于混凝土受凍臨界強(qiáng)度的規(guī)定，不同的行業(yè)針對不同的水泥類型和建筑物設(shè)計(jì)等級、結(jié)構(gòu)形式、施工部位、受荷條件和拆模時(shí)間等，有不同的規(guī)定。同時(shí)規(guī)定了混凝土的最小水泥用量和最大水膠比。

3 混凝土生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)方法比較

冬期施工混凝土的拌和設(shè)備應(yīng)在廠房或暖棚內(nèi)，棚內(nèi)溫度不宜低于10℃，以減少拌合過程中的熱損失。冬期拌和混凝土材料的加熱，最簡便有效的方法是對拌和水加熱，應(yīng)優(yōu)先選用；當(dāng)僅加熱水仍不滿足要求時(shí)，可加熱骨料。加熱水的溫度最高可為80℃～100℃，但為了節(jié)約能源，應(yīng)進(jìn)行熱工計(jì)算，以確定合適的熱水溫度。當(dāng)熱水溫度高于80℃時(shí)，為了防止水泥出現(xiàn)假凝，必須改變投料順序，即先投骨料和熱水待二者換熱并降低至40℃以下時(shí)方可投入水泥。冬期施工混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)延長50%。拌和設(shè)備在使用前和結(jié)束后應(yīng)用熱水沖洗。

冬期施工混凝土原材料要求：砂石骨料應(yīng)有足夠的堆高，堆放場地應(yīng)稍高、不積水，并應(yīng)有防冰雪和凍結(jié)的措施。有條件的應(yīng)采用地壟取料。水泥宜提前運(yùn)入暖棚內(nèi)待用。

有條件時(shí)，冬期混凝土養(yǎng)護(hù)應(yīng)優(yōu)先采用蓄熱法、綜合和蓄熱法。

蓄熱法?；炷翝仓?，利用原材料加熱以及水泥水化放熱，并采取適當(dāng)保溫措施延遲混凝土冷卻，以使混凝土溫度降到0℃以前達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度。

綜合蓄熱法。摻早強(qiáng)劑或早強(qiáng)型復(fù)合外加劑的混凝土澆筑后，利用原材料加熱以及水泥水化放熱，并采取適當(dāng)保溫措施延遲混凝土冷卻，以使混凝土溫度降到0℃以前達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度。

在蓄熱法的基礎(chǔ)上，混凝土中摻入防凍劑，以使其在負(fù)溫條件下能夠不斷硬化，在混凝土溫度降低到防凍劑規(guī)定溫度前達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度（稱為負(fù)溫法）的方法也可使用。

混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)不大時(shí)，可將其置于搭設(shè)的暖棚中，內(nèi)部設(shè)散熱器具、電熱或火爐等加熱棚內(nèi)空氣，使混凝土處于正溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)。棚內(nèi)溫度宜為5℃～10℃，并須使混凝土表面保持濕潤。

4 混凝土拌和的熱工計(jì)算

在構(gòu)成混凝土的材料中，水的比熱容是最大的，常溫下約為4.20 kJ/（kg·℃），其他材料如石子、砂、水泥（含摻和料粉煤灰、礦粉等）均小于0.92 kJ/（kg·℃）。因此，水同其他材料的比熱容的比例約為4.57∶1，也就是說，通過熱交換，熱水每降低1℃可以使同等質(zhì)量的骨料溫度升高4.6℃，或熱水每降低1℃可以使4.6 倍質(zhì)量的骨料升高1℃。水的加熱比較簡便，其設(shè)施可以是鍋爐，也可以使用爐火加鋼制水箱。所以說，加熱水是冬期混凝土施工最簡便有效的方法。

但是，也正因?yàn)樗倪@一特性，如果骨料中含有水，會對加熱水的效用產(chǎn)生抵消作用，因此，必須盡可能降低骨料的含水率，尤其不得含有冰塊、雪團(tuán)。但是，骨料溫度低于0℃時(shí)，固態(tài)水（冰）轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)還須消耗大量的溶解熱，該項(xiàng)數(shù)值相當(dāng)于水升高或降低80℃時(shí)吸收或放出的熱量，對拌合水的降溫作用影響很大，必須重視。

SL677 規(guī)范規(guī)定，原材料的加熱、輸送、儲存和混凝土的拌和、運(yùn)輸、澆筑設(shè)備設(shè)施及澆筑倉面，均應(yīng)根據(jù)氣候條件通過熱工計(jì)算，采取適宜的保溫措施。低溫季節(jié)混凝土施工的熱工計(jì)算較為繁復(fù)，涉及各種材料的質(zhì)量、溫降或溫升、骨料含水率、固態(tài)水的溶解熱，以及材料的比熱容等參數(shù)，需要考慮拌和、運(yùn)輸、入模等過程（環(huán)境）中熱損失和鋼筋溫差引起的熱損失等。

以往使用的熱工計(jì)算公式，按照從拌和、出機(jī)、運(yùn)輸與輸送到澆筑完成來依序計(jì)算。但實(shí)際使用中，往往需要根據(jù)養(yǎng)護(hù)條件先確定一個(gè)合適的澆筑溫度，再加上運(yùn)輸與輸送、出機(jī)等熱損失的基礎(chǔ)上，根據(jù)混凝土拌和物儲存條件，計(jì)算拌和用水的加熱溫度。這樣做，比較經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。為此，本文對混凝土拌和過程中物料熱交換和熱平衡計(jì)算進(jìn)行分析，提出推求混凝土拌合加熱水溫度的計(jì)算公式（出機(jī)、運(yùn)輸與輸送、澆筑完成的計(jì)算與以往相同）。

計(jì)算分為骨料等固體物料溫度不低于0℃和≤0℃兩種情況進(jìn)行。

上述兩種情況下構(gòu)成混凝土拌和物熱交換模式見圖1、圖2。

1）骨料溫度高于0℃但低于T0時(shí)的計(jì)算：

第一步：根據(jù)生產(chǎn)過程安排，先確定混凝土拌和物的目標(biāo)溫度T0，然后求拌和水在拌和（放熱）過程中的溫度降低值ΔTw。如下式：

圖1 骨料溫度＞0℃熱平衡三維圖

圖2 骨料溫度≤0℃熱平衡三維圖

第二步：求得拌和水加熱溫度Tw。

2）骨料溫度低于0℃時(shí)的計(jì)算：

計(jì)算拌和水在拌和（放熱）過程中的溫度降低值ΔTw，在此，應(yīng)計(jì)入固態(tài)水（冰）的熔解熱。如下式：

然后求得加熱后的拌和水溫度Tw。

上述各式中：

Tw——加熱后的拌和水溫度，℃；

ΔTw——水在拌和（放熱）過程中的溫度降低值，℃；

T0——混凝土拌和完成后的溫度，℃；

mce、ms、msa、mg——水泥、摻合料、砂、石等固體物料的質(zhì)量，kg；

Tce、Ts、Tsa、Tg——水泥、摻合料、砂、石等固體物料的溫度，℃；

ωsa、ωg——砂、石中的含水率，%；

mw——需加熱的拌和水量（混凝土配合比水量減去砂、石中的含水量）；

式中0.92、4.2 和2.1 分別為固體物料、水和冰的比熱容（kJ/（kg·℃）），335 為冰的溶解熱（kJ/kg）。

混凝土配合比中的外加劑應(yīng)以液態(tài)或溶液形式加入，由于外加劑種類繁多，其比熱容等數(shù)值不易確定，且其含量較小，在（式1）、（式3）中近似按比熱容0.92 kJ/（kg·℃）計(jì)入固體物料中。

3）在比較選定施工技術(shù)方案時(shí)，為了大致確定加熱水溫度，可以使用以下簡易計(jì)算（近似）方法。

簡易計(jì)算方法關(guān)系式為：

拌和水溫度≥（0.219×固、水比）×（拌和物溫度-固體物料加權(quán)平均溫度）+拌和物溫度

骨料溫度低于0℃時(shí)，需在上述計(jì)算基礎(chǔ)上再增加約10℃。

此處所指的固、水比系指水泥、砂、石、粉煤灰等固體材料總和同拌和用水的質(zhì)量比。0.219 系固體材料同水的比熱容之比。

混凝土配合比中，砂和石子約占固態(tài)物料比重的80%以上，且其存放條件相同；水泥溫度雖然可能稍高于砂石，但計(jì)算固態(tài)物料的加權(quán)平均溫度時(shí)，近似采用砂石料溫度不會造成太大誤差。正常條件下，砂的含水率一般不大于2%，石子的含水率不大于0.5%，正溫之下，對水溫的影響不超過1℃，因此近似計(jì)算時(shí)可不考慮該項(xiàng)。但在溫度為零下時(shí)，該因素就凸顯，故水溫需增加約10℃。

考慮到在平均氣溫低于-20℃時(shí)，施工設(shè)備、建筑材料及施工各環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的幾率成倍增加，SL677-2014 規(guī)范規(guī)定，日平均氣溫-20℃以下不應(yīng)施工。

5 工程實(shí)例

山西省萬家寨引黃工程南干線1#隧洞襯砌混凝土冬期施工。

1995年11月，萬家寨引黃工程南干線1#隧洞混凝土襯砌進(jìn)入冬季施工期，當(dāng)時(shí)隧洞襯砌已經(jīng)推進(jìn)到洞內(nèi)約300 m 處，洞內(nèi)溫度約為8℃。在研究冬季混凝土施工方案時(shí)，時(shí)任總監(jiān)的筆者力主采用加熱水的方法以提高混凝土的澆筑溫度，并進(jìn)行了混凝土配合比物料的熱平衡計(jì)算，以證明其經(jīng)濟(jì)性和可行性。南干線1#隧洞洞口地面開闊平坦，施工條件很有利。實(shí)施過程為：隧洞洞口約10 m 處搭設(shè)拌和暖棚，棚內(nèi)布置0.4 m3攪拌機(jī)、加熱火爐和鋼制水箱，還可堆放外加劑和部分袋裝水泥。棚內(nèi)溫度6～8℃，進(jìn)出口設(shè)門簾。隧洞口亦設(shè)草簾門。砂和石子在暖棚外堆放。襯砌混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為200#，使用大同400# 普硅水泥。到1996年1月天氣最冷時(shí)，日最低氣溫曾經(jīng)達(dá)到-34℃（監(jiān)理部自設(shè)氣象觀測哨數(shù)據(jù)），砂石骨料溫度降低到約-20℃（水泥溫度稍高），當(dāng)時(shí)將水加熱到80℃，可以使混凝土入倉溫度達(dá)到5～6℃，基本滿足當(dāng)時(shí)的規(guī)范要求。該工程實(shí)例說明，提高混凝土拌和水溫度是經(jīng)濟(jì)且高效的。

在對該工程混凝土養(yǎng)護(hù)期溫度變化過程觀測中，還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是當(dāng)混凝土入倉溫度達(dá)到12℃以上時(shí)，水化熱溫升較為迅速，強(qiáng)度增長快，而入倉溫度較低時(shí)，混凝土溫升很慢。據(jù)此認(rèn)為，混凝土入倉溫度不低于12℃可能是有利的。