一個(gè)冬施中質(zhì)量問題引發(fā)的深度思考

聞寶聯(lián)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

近期給某企業(yè)做了一次混凝土冬季施工培訓(xùn)，培訓(xùn)后交流，實(shí)驗(yàn)室主任給我提了一個(gè)問題：最近進(jìn)入冬施后，混凝土坍落度損失突然變大，百思不得其解。老實(shí)說我也感到意外，這不太符合常理。冬施混凝土的投料順序是要先投砂石再投水?dāng)嚢枞缓蠓哿贤饧觿麄冋f也是如此，而且也做了熱工計(jì)算，計(jì)算公式見式 (1)。

式中：

T0，Tw，Tce，Tsa，Tg——分別為混凝土拌合物、水、水泥、砂子和石子的溫度，℃；

mw，mce，msa，mg——分別為水、水泥、砂子和石子的用量，kg；

wsa，wg——分別為砂子和石子的含水率，%；

c1——水的比熱容，kJ/(kg·℃) 或 kJ/(kg·K)；

c2——水的溶解熱，kJ/kg。

當(dāng)骨料溫度大于 0℃ 時(shí)：c1=4.2；c2=0。

當(dāng)骨料溫度小于或等于 0℃ 時(shí)：c1=2.1；c2=335。

顯然，這個(gè)計(jì)算沒有問題，冬季夏季施工都適用。但問題在哪里？問題在于這個(gè)算式是最終穩(wěn)定狀態(tài)的混凝土溫度計(jì)算式，但傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)的。問題的核心就出在這。

做好冬季（或冬期）施工，必要的熱力學(xué)知識還是要了解一些。

單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高 1℃ 吸收的熱量叫做這種物質(zhì)的比熱容，簡稱比熱。水在液態(tài)情況下，比熱容為 4.2kJ/(kg·℃)，砂石的比熱容為 0.92kJ/(kg·℃) 左右，水的比熱容是砂石的 4～5 倍，所以，當(dāng)需要保障混凝土出機(jī)溫度時(shí)一般選擇加熱拌合水，既經(jīng)濟(jì)又有效。

接下來我們有必要了解一下，攪拌機(jī)里的傳熱過程。

冬季施工時(shí)砂石溫度低，而水溫度高，攪拌過程中水在降溫，砂石在升溫。夏季施工反之。

由于流體粘滯力的作用，使流體在固體壁面上處于不流動的狀態(tài)，所以使流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴(kuò)散（熱傳導(dǎo)），并不斷地隨流體的流動而被帶到下游（熱對流），因而對流換熱過程是熱對流與導(dǎo)熱的綜合作用的結(jié)果。圖 1 是水溫低于固壁的情形。

圖1 固體表面的流體速度和溫度分布

當(dāng)具有粘性且能潤濕壁的流體流過石子表面時(shí)，由于粘滯力的作用，使靠近石子表面附近的流體速度降低，直至緊貼壁面處的流體速度為零，此處流體的速度和溫度梯度最大，這個(gè)區(qū)域稱為邊界層，邊界層以內(nèi)通過導(dǎo)熱傳輸熱量，邊界層以外靠對流。

邊界層內(nèi)的速度分布如圖 2。

圖2 邊界層內(nèi)的速度分布

圖3 邊界層的變化

根據(jù)流體力學(xué)，在沿水流動方向隨著邊界層厚度的增加，邊界層內(nèi)部粘滯力和慣性力的對比向著慣性力相對強(qiáng)大的方向變化，促使邊界層內(nèi)的流動變得不穩(wěn)定起來。經(jīng)過一定距離起，流動朝著湍流過渡，就是過渡區(qū)，最終過渡為湍流。此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)作著紊亂的不規(guī)則脈動，故稱湍流邊界層，但其最底層由于粘性作用還保持著層流，即層流底層，強(qiáng)制攪拌加強(qiáng)了對流換熱。

前面講的是石子表面與水之間的熱量傳輸過程，接下來是石子內(nèi)部的導(dǎo)熱，也就是核心區(qū)域與邊界部分的熱傳導(dǎo)。

衡量固體與邊界層內(nèi)水導(dǎo)熱效果的參數(shù)為熱傳導(dǎo)系數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)表示的是流體或物體與物體之間，單位時(shí)間單位面積上的傳熱量，具體是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m 厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為 1℃，在 1 秒內(nèi)，通過 1 平方米面積傳遞的熱量；衡量石子內(nèi)部由于溫差的存在產(chǎn)生熱擴(kuò)散的參數(shù)是熱擴(kuò)散率，熱擴(kuò)散率又叫導(dǎo)溫系數(shù)，熱擴(kuò)散率表示物體在加熱或冷卻中，溫度趨于均勻一致的能力，相當(dāng)于物體的蓄熱能力，熱擴(kuò)散系數(shù)越大表示熱慣性越小，物體達(dá)到與周圍環(huán)境熱平衡的狀態(tài)越快。

熱擴(kuò)散率 α＝熱傳導(dǎo)率/(密度×定壓比熱容)，其中，分母表示容積熱容。這個(gè)綜合物性參數(shù)對穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱沒有影響，但是在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，它是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對于瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，α 越大，意味著不規(guī)則情況階段和正常情況階段所需時(shí)間越短，即加熱或冷卻過程所需時(shí)間越短。對于周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，α 越大則意味著溫度波衰減及時(shí)間延遲程度越小，傳播速度越快。

也即是說，如果骨料的 α 值小，骨料在熱水中吸熱能力弱，水溫降溫就慢，反之亦然。

表1 中國科學(xué)院實(shí)測巖石標(biāo)本熱擴(kuò)散率

對流換熱是流體流過固體壁面且由于其與壁面間存在溫差時(shí)的熱量傳遞現(xiàn)象，它與流體的流動機(jī)理密不可分；同時(shí)，由于導(dǎo)熱也是物質(zhì)的固有本質(zhì)，因而對流換熱是流體的宏觀熱運(yùn)動（熱對流）與流體的微觀熱運(yùn)動（導(dǎo)熱）聯(lián)合作用的結(jié)果。

換熱的影響因素：流體熱物性（如導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等）、流體流態(tài)和流速、溫差、幾何因素等等。對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為一過程量，而不像導(dǎo)熱系數(shù) λ 那樣是物性參數(shù)。

拋開繁瑣的公式，概括到骨料與拌合水的熱傳遞影響因素就是攪拌時(shí)間越長，熱交換越充分；攪拌力度越大熱交換越充分；骨料本身的熱擴(kuò)散率越大熱交換越充分，溫度場達(dá)到平衡的時(shí)間就越短！

回到文章開頭的冬季施工，混凝土出機(jī)坍落度損失大，原因是砂石與熱水?dāng)嚢钑r(shí)間不夠，投料時(shí)間差小了，水溫還沒有降下太多，延長攪拌時(shí)間后，這個(gè)問題得以解決。

冬季施工投料順序和時(shí)間控制可參考圖 4。

圖4 混凝土拌合冬季投料順序