全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn)方法研究

雷暢 劉盟盟 李倩 嚴(yán)君漢 卞小草

摘要：為解決全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn)中預(yù)冷砂的問(wèn)題，定量分析了砂溫與混凝土出機(jī)口溫度、片冰用量的關(guān)系，以及生產(chǎn)7℃，9℃，11℃全級(jí)配預(yù)冷混凝土的砂溫適用范圍;提出了用冷水與砂混合，再經(jīng)二次機(jī)械振動(dòng)脫水的冷砂方法，并進(jìn)行了關(guān)鍵工藝試驗(yàn)。結(jié)果表明：該方法可有效降低砂溫且保證砂含水率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：全級(jí)配預(yù)冷混凝土;水冷砂;砂溫; 混凝土溫度

中圖法分類號(hào)：TV431文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）09 - 0060 - 04

0引 言

水利工程大體積混凝土應(yīng)用廣泛，為了防止溫度裂縫的產(chǎn)生，必須控制混凝土成型最高溫度在允許范圍內(nèi)。混凝土運(yùn)輸、澆筑、成型階段，其溫度處于單向不可逆升溫狀態(tài)，采取工程技術(shù)均只能減緩溫度回升速度，關(guān)鍵在于控制混凝土出機(jī)口溫度，對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)冷[1]。葛洲壩工程中采用皮帶機(jī)廊道內(nèi)對(duì)骨料灑冷水、拌和樓料倉(cāng)通冷風(fēng)連續(xù)冷卻粗骨料及加片冰攪拌混凝土綜合預(yù)冷措施，使夏季混凝土出機(jī)口溫度控制在7℃[2];二灘工程中采用隧道內(nèi)皮帶機(jī)噴淋冷水、附壁式冷風(fēng)機(jī)保溫、粗砂加冰屑在豎洞中存料3 d后分離脫水、加片冰等措施，控制混凝土出機(jī)口溫度在9℃[3];三峽工程中采用二次風(fēng)冷工藝，即在粗骨料進(jìn)入拌和樓前一次冷風(fēng)預(yù)冷，該方法較常規(guī)水冷為主的預(yù)冷方法而言，可保證混凝土溫度穩(wěn)定達(dá)到7℃且經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益顯著[4];此外，冷砂取代加冰的預(yù)冷思路被提出，并在分析現(xiàn)有導(dǎo)熱法、強(qiáng)制對(duì)流法和真空汽化法的局限性基礎(chǔ)上，提出的螺旋輸送換熱器冷砂方法，可解決二級(jí)配混凝土無(wú)法達(dá)到出機(jī)口7℃溫控的難題以及可在三、四級(jí)配混凝土生產(chǎn)中替代加冰系統(tǒng)，節(jié)約投資[5];雙江口工程中采用冷卻水作為冷媒，在特質(zhì)換熱板流道中循環(huán)流動(dòng)，形成低溫場(chǎng)，使砂在低溫場(chǎng)內(nèi)交換熱量預(yù)冷，預(yù)冷效果得到了工藝試驗(yàn)和工程實(shí)踐驗(yàn)證[1]，首次實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，但產(chǎn)量較低，如想提高產(chǎn)量，特制換熱板投資較大。

在混凝土各原材料中，砂的用量比例較大，表1為大崗山水電站大壩每立方米混凝土典型級(jí)配配合比，四級(jí)配至一級(jí)配砂率依次為24.0%，27.0%，35.5%，40.5%。目前國(guó)內(nèi)外預(yù)冷混凝土生產(chǎn)的成熟技術(shù)中，僅限于對(duì)粗骨料進(jìn)行預(yù)冷，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，三、四級(jí)配混凝土出機(jī)口溫度較容易達(dá)到7℃，而當(dāng)環(huán)境溫度較高或者需要生產(chǎn)低級(jí)配混凝土?xí)r，粗骨料用量少，僅依靠目前的預(yù)冷粗骨料和加冷水、加冰拌和等措施，對(duì)混凝土出機(jī)口溫度控制效果有限，很難達(dá)到7℃。因此，改進(jìn)混凝土生產(chǎn)方法，研究砂的預(yù)冷技術(shù)，在預(yù)冷混凝土領(lǐng)域是必要的，尤其是對(duì)低級(jí)配預(yù)冷混凝土的生產(chǎn)意義重大。因此，本文定量分析了砂溫與混凝土出機(jī)口溫度、片冰用量的關(guān)系，以及生產(chǎn)7℃，9℃，11℃全級(jí)配預(yù)冷混凝土的適用砂溫范圍，并提出用冷水與砂混合，再經(jīng)二次機(jī)械振動(dòng)脫水的冷砂方法，研究了預(yù)冷砂的問(wèn)題。

1冷砂效果分析

根據(jù)混凝土熱平衡原理，并統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外大型水電工程生產(chǎn)預(yù)冷混凝土?xí)r骨料溫度和級(jí)配與混凝土出機(jī)口溫度的變化關(guān)系，推導(dǎo)出新拌和混凝土的出機(jī)口溫度T0 計(jì)算公式如下：

T0 =[i=1nmiciTii=1nmici]

式中：mi為每方混凝土中第i種原材料的質(zhì)量;ci為第i種原材料的比熱容;Ti為第i種原材料的溫度。

考慮骨料含水與拌和產(chǎn)生的機(jī)械熱，經(jīng)熱平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)：砂的發(fā)熱量占所有原材料發(fā)熱量的23%～31%，僅次于水泥發(fā)熱量。表2為大崗山水電站四級(jí)配混凝土在不加冰情況下的出機(jī)口溫度計(jì)算過(guò)程。從表2可看出：將砂預(yù)冷至10℃，出機(jī)口溫度可降至6.85℃。

圖1反映了不加片冰，且骨料含水率、其他原材料溫度和機(jī)械熱不變的情況下，大崗山水電站四級(jí)配與三級(jí)配混凝土出機(jī)口溫度與砂溫的變化關(guān)系，可以看出：①砂溫每降低2℃，四級(jí)配出機(jī)口溫度降低0.52℃左右，三級(jí)配出機(jī)口溫度降低0.57℃左右;②將砂預(yù)冷至8℃，三級(jí)配出機(jī)口溫度可降至6.89℃。

圖2反映了生產(chǎn)每立方米混凝土，加片冰16 kg且骨料含水率、其他原材料溫度和機(jī)械熱不變的情況下，大崗山水電站各級(jí)配混凝土出機(jī)口溫度與砂溫的變化關(guān)系，可以看出：①砂溫每降低2℃，四級(jí)配至一級(jí)配混凝土出機(jī)口溫度依次降低0.53℃，0.57℃，0.71℃，0.75℃;②要滿足7℃混凝土生產(chǎn)要求，四級(jí)配至一級(jí)配砂溫需依次降至18℃，15℃，9℃，3℃。

表3反映了骨料含水率、其他原材料（砂除外）溫度和機(jī)械熱不變的情況下，大崗山水電站各級(jí)配混凝土出機(jī)口溫度分別為7℃，9℃，11℃時(shí)砂溫與片冰用量的關(guān)系，可以看出：①砂溫每降低2℃，四級(jí)配至一級(jí)配每立方米混凝土拌和片冰可依次減少約4.3，4.8，6.5 kg;②生產(chǎn)全級(jí)配7℃，9℃，11℃混凝土的砂溫范圍依次為4℃～18℃，4℃～22℃，8℃～28℃;③無(wú)片冰條件下生產(chǎn)二級(jí)配7℃，9℃，11℃混凝土，砂溫需依次降至3℃，8℃，14℃;④無(wú)片冰條件下生產(chǎn)一級(jí)配9℃，11℃混凝土，砂溫需依次降至4℃，8℃。

2 水冷砂方法研究

砂的孔隙率低、導(dǎo)熱性能差，外部低溫環(huán)境或局部熱交換難以將砂冷透，若減小單位堆存預(yù)冷，降溫效果雖有所提升但效率大為降低，影響預(yù)冷混凝土連續(xù)生產(chǎn)。利用風(fēng)冷技術(shù)預(yù)冷砂，存在無(wú)法冷透、回溫快的問(wèn)題，且砂的密度較粗骨料小，在強(qiáng)制對(duì)流情況下容易堵塞出風(fēng)口，不利于預(yù)冷設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。真空氣化法通過(guò)在真空環(huán)境中蒸發(fā)砂表面的水份吸收熱量而降溫，但是真空罐內(nèi)壓力控制復(fù)雜，且此過(guò)程會(huì)排出大量水蒸氣，需冷凝處理后再排出罐外，運(yùn)行維護(hù)難度和成本高。

水冷砂法使砂與冷水充分接觸，可以實(shí)現(xiàn)全面降溫，且連續(xù)預(yù)冷，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)難度和成本也較低，但需避免含水率過(guò)高或溫度過(guò)低板結(jié)成塊而影響預(yù)冷混凝土質(zhì)量。對(duì)不同溫度的水和砂按照一定比例進(jìn)行摻和試驗(yàn)，及時(shí)記錄摻和后的溫度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。初始砂溫受環(huán)境影響較大，基本與環(huán)境溫度相同，摻和冷水后降溫明顯;砂含水率為20%時(shí)出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象，需考慮脫水處理措施，砂含水率為10%以下較為理想，基本不需要進(jìn)行脫水處理。

環(huán)境溫度升高時(shí)，為了將砂溫降至目標(biāo)值，需要加大冷水用量，使含水率升高。若在自然堆存條件下脫水，脫水時(shí)間較長(zhǎng)，降至含水率9.2%需要2 d，如圖3所示，難以滿足預(yù)冷混凝土連續(xù)生產(chǎn)要求。因此，在濕法制砂工藝流程中取消第2篩分、第3篩分和棒磨洗砂機(jī)出口的各小型脫水篩，增設(shè)頻率為960 Hz的直線振動(dòng)篩和1 468 Hz的圓振動(dòng)篩，對(duì)混合砂料進(jìn)行二次振動(dòng)脫水試驗(yàn)，含水率和脫水時(shí)間如圖4所示。經(jīng)一次脫水后，含水率由20%～23%降至10%～11%，經(jīng)二次脫水后，含水率由10%～11%降至8%～9%，脫水效率大幅提高，可滿足連續(xù)生產(chǎn)要求。水冷砂試驗(yàn)驗(yàn)證了冷水與砂拌和降低砂溫的可行性以及通過(guò)二次振動(dòng)脫水可快速降低砂含水率至10%以下的有效性。

3 全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn)方法

全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn)方法就是在預(yù)冷粗骨料的同時(shí)，增加對(duì)砂的預(yù)冷，即在原有混凝土生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，增加砂的水冷工藝，如圖5所示。

（1）生產(chǎn)準(zhǔn)備。根據(jù)廠家提供的冷水機(jī)組型號(hào)及各項(xiàng)參數(shù)介紹，并結(jié)合混凝土拌和樓的生產(chǎn)能力，選用合適型號(hào)的冷水機(jī)組。目前，國(guó)內(nèi)冷水機(jī)組可生產(chǎn)1℃～10℃的冷水，生產(chǎn)能力達(dá)到300 t/h;定制具有保溫、抗凍等特殊性能的預(yù)冷砂罐或洗砂機(jī)，亦可對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行再加工，作為對(duì)砂進(jìn)行預(yù)冷的主要設(shè)備;將預(yù)冷設(shè)備布置在儲(chǔ)砂罐與混凝土拌和樓之間，靠近拌和樓的位置。

（2）取消濕法制砂工藝流程中的第2篩分、第3篩分和棒磨洗砂機(jī)出口的各小型脫水篩，增設(shè)機(jī)械振動(dòng)篩1和機(jī)械振動(dòng)篩2。機(jī)械振動(dòng)篩的類型和工作頻率根據(jù)預(yù)冷砂的生產(chǎn)能力需求選用。

（3）砂從儲(chǔ)砂罐經(jīng)皮帶機(jī)運(yùn)輸至預(yù)冷砂罐（洗砂機(jī)），冷水機(jī)組生產(chǎn)的冷水由水泵送入預(yù)冷砂罐（洗砂機(jī)），罐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉片將砂和水?dāng)嚢杈鶆颍股傲Ｅc冷水充分接觸降溫至目標(biāo)值。

（4）水冷后的砂經(jīng)保溫皮帶機(jī)運(yùn)輸至機(jī)械振動(dòng)篩1進(jìn)行一次脫水，然后經(jīng)保溫皮帶機(jī)運(yùn)輸至機(jī)械振動(dòng)篩2進(jìn)行二次脫水，含水率穩(wěn)定后經(jīng)保溫皮帶機(jī)運(yùn)輸至混凝土拌和樓使用。皮帶機(jī)的保溫罩可采用雙層材料制作，并在夾層中敷設(shè)錫紙，增強(qiáng)保溫效果。在此過(guò)程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)沉淀后可循環(huán)使用。

全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn)方法具有以下效果：①可在高溫環(huán)境下，使低級(jí)配預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度降至7℃，實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境溫度下的全級(jí)配預(yù)冷混凝土生產(chǎn);②生產(chǎn)四級(jí)配、三級(jí)配7℃混凝土?xí)r，無(wú)需加片冰，可取消運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、成本高的制冰、儲(chǔ)冰和輸冰工藝流程及設(shè)備;③砂脫水效率高，既達(dá)到預(yù)冷砂的目的，又解決砂含水率過(guò)高影響預(yù)冷混凝土質(zhì)量的問(wèn)題;同時(shí)，相比非接觸式冷砂方法中砂在預(yù)冷前需經(jīng)自然堆存脫水，可減小儲(chǔ)砂罐或砂倉(cāng)容量，易于布置;④預(yù)冷砂罐（洗砂機(jī)）、機(jī)械脫水篩、保溫皮帶機(jī)等預(yù)冷砂設(shè)備較為成熟，工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)成本較低。

4結(jié) 論

（1）基于熱平衡原理，選用大崗山水電站各級(jí)配混凝土典型配合比，定量分析了混凝土出機(jī)口溫度與砂溫的關(guān)系，給出了生產(chǎn)全級(jí)配7℃，9℃，11℃混凝土的砂溫目標(biāo)值。

（2）提出了砂與冷水拌和降溫，再經(jīng)二次機(jī)械振動(dòng)脫水的冷砂方法，并進(jìn)行了水砂拌和與脫水試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

（3）改進(jìn)了傳統(tǒng)混凝土生產(chǎn)工藝，取消了濕法制砂工藝中的小型脫水設(shè)備。砂在預(yù)冷砂罐或洗砂機(jī)內(nèi)與冷水充分拌和降溫后，經(jīng)兩道機(jī)械振動(dòng)篩集中脫水，可實(shí)現(xiàn)全級(jí)配預(yù)冷混凝土的生產(chǎn)。相關(guān)研究成果已獲得多項(xiàng)專利授權(quán)。

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（編輯：江 文）

Production method of full-graded precooled concrete

LEI Chang， LIU Mengmeng， LI Qian， YAN Junhan，BIAN Xiaocao

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： To solve the problem of sand precooling in the production of full-graded precooling concrete， we quantitatively analyzed the relationship between sand temperature and concrete temperature out of mixers， flake ice amount， as well as the suitable sand temperature range for the production of 7℃，9℃，11℃ full-graded precooling concrete. We proposed a cooling sand method that mixing the sand with cold water then secondary dehydrating by mechanical vibration， and carried out the key technological tests. The results showed that the method can reduce the sand temperature and ensure stable moisture content， so realize production of full-graded precooling concrete.

Key words： full-graded precooling concrete; mixing the sand with cold water;sand temperature;concrete temperature