大體積混凝土骨料預(yù)冷技術(shù)的應(yīng)用

蘭宇

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

1 概述

大體積混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)，尤其是水利水電建設(shè)中占有重要的位置。混凝土是脆性材料，抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/10 左右。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，混凝土只承受壓應(yīng)力。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常是不配鋼筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量鋼筋，而此時的含鋼率與巨大的結(jié)構(gòu)斷面相比是極低的，如果出現(xiàn)了拉應(yīng)力就要依靠混凝土自身來承受。

基于上述特點，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，通常要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力(如重力壩的設(shè)計)或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，對于自重、水壓力等外部荷載，要做到這一點并不困難。但在施工過程和運行期間，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中往往會由于溫度的變化而產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，從而破壞了結(jié)構(gòu)整體性，降低了結(jié)構(gòu)耐久性，帶來較大的危害。因此，對于大體積混凝土來說，溫度應(yīng)力是一個非常重要的荷載，為了防止裂縫產(chǎn)生，保證樞紐建筑物建成后安全運行，必須控制混凝土的溫度變化。

對于大體積混凝土溫度控制的方法，通常分為：預(yù)冷和后冷。

預(yù)冷是指通過各種冷卻技術(shù)降低混凝土原材料以及攪拌過程中的溫度，使混凝土的出機(jī)口溫度滿足溫度控制的要求。后冷是指通過在壩內(nèi)預(yù)埋冷卻水管，待混凝土澆筑后通水冷卻。而目前很多工程要求新拌混凝土的溫度降到7℃，我國南方和長江中下游地區(qū)的大壩工程，混凝土自然拌和溫度多在30℃左右，要求降溫幅度達(dá)20℃-25℃；西南山區(qū)河流上游地區(qū)的降溫幅度一般也在15℃上下。因此，混凝土骨料預(yù)冷技術(shù)是大體積混凝土澆筑不可或缺的溫度控制措施。

而針對大型水利水電工程的大體積混凝土預(yù)冷系統(tǒng)，不僅要確?；炷临|(zhì)量和溫度指標(biāo)達(dá)到要求，而且要滿足工程進(jìn)度的需要，具備足夠的生產(chǎn)強(qiáng)度。但若預(yù)冷技術(shù)方案設(shè)計不當(dāng)，則會導(dǎo)致預(yù)冷指標(biāo)達(dá)不到預(yù)定要求或使資源浪費。本文通過研究混凝土骨料預(yù)冷技術(shù)，利用球體理論第三邊界條件計算不同預(yù)冷方案的骨料降溫幅度。通過設(shè)置不同的冷卻介質(zhì)，利用球體理論第三邊界條件，逐一計算計算150mm、80mm 和40mm 粒徑的骨料在初始溫度、冷卻時長以及冷卻厚度相同的情況下，風(fēng)冷和水冷的降溫幅度。根據(jù)計算結(jié)果，為今后大體積混凝土骨料預(yù)冷技術(shù)方案的擬定提供參考。

2 混凝土骨料預(yù)冷基本原理

混凝土原材料的冷卻方法：混凝土原材料(組料)主要有粗細(xì)骨料、膠凝材料(水泥、粉煤灰)和水。此外還有為改善混凝土性能的各種外加劑?；炷猎牧蠌钠浠旌夏且豢涕_始，即產(chǎn)生水化反應(yīng)而改變自身的性能。因此，除液氮、真空法和以冰片代水可以直接在攪拌期間降低混凝土溫度外，混凝土預(yù)冷就是混凝土原材料的冷卻。

2.1 混凝土及其原材料的冷卻方法?；炷良捌湓牧系睦鋮s方法有直接法和間接法兩種，真空和液氮冷卻可直接用于水和粗、細(xì)骨料的冷卻，冷水和冰用制冷劑直接制備；大量的骨料預(yù)冷則需通過冷空氣和冷水作載冷劑來間接冷卻。

降低新拌混凝土溫度常用的方法有低溫水和以冰片代水拌和混凝土、風(fēng)冷粗骨料、水冷粗骨料、砂的冷卻、液氮冷卻、真空冷卻粗/細(xì)骨料、在熱交換器內(nèi)冷卻砂和水泥。

2.2 混凝土原材料冷卻對混凝土降溫效果的影響?；炷粮鹘M料的用量和比熱容不同，其每變化1℃對混凝土降溫效果的影響相差很大，主要取決于混凝土的級配和原材料的熱學(xué)性能。以若干大壩混凝土的級配和原材料熱學(xué)性能為例，其每變化1℃對混凝土降溫的影響范圍如表1 所示[1]。

表1 混凝土原材料冷卻對混凝土降溫的影響范圍

由表1 可以得出，混凝土原材料中，骨料每變化1℃，混凝土可降溫度范圍為0.55℃-0.65℃，冷卻骨料造成的降溫幅度最顯著。

2.3 骨料的冷卻機(jī)理。無論是骨料的直接冷卻還是間接冷卻，都是通過與冷源(制冷劑或冷卻介質(zhì))進(jìn)行熱交換。熱交換通常有輻射、對流和熱傳導(dǎo)三種方式。由于骨料與冷源之間的溫差沒有數(shù)量級的差別，因此骨料冷卻一般只考慮對流和熱傳導(dǎo)兩種方式進(jìn)行熱交換。

我國最初介紹骨料冷卻的文獻(xiàn)是《混凝土壩的冷卻》。該書詳述了20 世紀(jì)30 年代修建的美國胡佛壩的溫度控制理論和方法。該書作者把骨料顆?？醋髑蝮w浸泡在冰水中，按球體理論的第一邊界條件構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，計算骨料在攪拌機(jī)內(nèi)冷卻終溫。但是，按第一邊界條件計算單顆骨料的冷卻，認(rèn)定骨料表面溫度均勻并在冷卻過程中恒等于不變的介質(zhì)溫度。這僅在單顆球體全部表面與冷量無限補(bǔ)給的冷卻介質(zhì)接觸時才是近似的。胡佛壩所用骨料在攪拌機(jī)內(nèi)，單顆球體不斷翻滾，其表面與冰水完全接觸，而且由于冰的融解熱能充分補(bǔ)給冷量，始終保持冰水溫度為0℃，基本符合上述邊界條件。

但隨著研究的不斷深入，我們不難發(fā)現(xiàn)，在骨料預(yù)冷的過程中，從骨料內(nèi)部傳導(dǎo)到表面的熱量必須及時散發(fā)，冷卻才能持續(xù)進(jìn)行。同時，骨料冷卻不僅僅是由內(nèi)及表的熱傳導(dǎo)，還存在骨料表面和冷卻介質(zhì)間的對流熱交換，因此，骨料表面要有冷卻介質(zhì)的高速流動，才能帶走所放出的等量熱量，始終保持表面為介質(zhì)溫度。從骨料表面的某一點來看，介質(zhì)流的流束應(yīng)沿著該點的切線方向流過，流束內(nèi)的速度是不均勻的，流束的中心是紊流區(qū)，可以認(rèn)定溫度等于介質(zhì)流的平均溫度；但靠近骨料表面的介質(zhì)流受阻，是流束的層流層。層流層的熱導(dǎo)率很低，熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于骨料本身，把骨料表面和中心流隔離。骨料內(nèi)部的熱量通過表面?zhèn)鬟f給冷卻介質(zhì)，受到層流層的阻滯，存在相當(dāng)大的熱阻或溫差。因此，骨料表面溫度無法完全與冷卻介質(zhì)的溫度相同。

朱伯芳院士等在《水工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制》一書中，引入了第三邊界條件的概念，按球體理論第三邊界條件計算骨料的相對溫差[2](又稱殘留比)為

式中θm- 骨料冷卻終溫；θ0- 骨料初始溫度；Ji- 取決于畢渥準(zhǔn)數(shù)Bi 的常數(shù)；μi- 球體特征方程的根；FO- 傅里葉準(zhǔn)數(shù)；α- 骨料熱擴(kuò)散率；τ- 冷卻時間；R- 骨料半徑；β- 骨料的導(dǎo)熱率。

按第三邊界條件計算骨料冷卻溫度，解決了對流換熱問題。按照對流換熱原理，只有冷卻介質(zhì)不斷流動，帶走骨料放出的熱量，冷卻才得以持續(xù)進(jìn)行，骨料冷卻必須同時滿足熱傳導(dǎo)和熱平衡兩個條件。由于骨料以集料的形態(tài)在有限的空間冷卻，只有很少一部分粒料表面與冷卻介質(zhì)(冷水或冷風(fēng))接觸，冷卻介質(zhì)自身的溫度和熱焓(當(dāng)介質(zhì)為冷風(fēng))也在不斷變化，熱交換的條件和表面放熱系數(shù)與流過介質(zhì)的速度密切相關(guān)，因此，翁定伯提出了孔隙流的概念，假設(shè)集料是由平均直徑為D 的骨料組成，以3 個圓柱體表示骨料斷面如圖1 所示[3]。

圖1 假想骨料圓柱體斷面

實際骨料粒徑有大有小，排列隨機(jī)，按均勻等徑圓柱體設(shè)想的孔隙面積應(yīng)是最大的?？紫读黝愃朴诠艿懒?，流經(jīng)孔隙的氣流分布不均勻，中心氣流為紊流層，接近孔隙表面的氣流為層流層。層流層在管壁和中心氣流間形成熱阻，使得集料表面溫度高于冷風(fēng)溫度，速度越高，層流層越薄，熱阻越小，孔隙表面溫度越接近冷風(fēng)溫度。按第三邊界條件，用等量層流層集料熱阻的虛擬厚度代替，即以當(dāng)量厚度(△R)的集料代替層流層，此時集料(虛擬)表面溫度即為冷風(fēng)溫度twr。設(shè)集料的導(dǎo)熱率為，放熱系數(shù)為β，則單位熱流量為q=λ×△t/△R=β×△t。

因此，虛擬層的厚度為△R=λ/β，則虛擬圓柱體的當(dāng)量直徑D0=D+2△R=D+2λ/β[3]。

3 混凝土骨料預(yù)冷過程分析對比

骨料預(yù)冷的技術(shù)方案，主要分為風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷的冷源是冷空氣，冷卻方式有倒倉冷卻和連續(xù)冷卻。水冷有冷水拌和直接降低混凝土溫度和用低溫水冷卻粗骨料兩種方法[4]。

3.1 風(fēng)冷技術(shù)方案。骨料的風(fēng)冷，需要在料倉內(nèi)進(jìn)行，目前有倒倉冷卻和連續(xù)冷卻兩種方式。

倒倉冷卻，是一種骨料用二個料倉，待一個料倉內(nèi)的骨料完全冷卻向料稱、攪拌機(jī)后，另一料倉的骨料再進(jìn)行輪換冷卻的方式。整個冷卻過程，進(jìn)風(fēng)口附近的骨料始終接觸的是最低溫度的空氣，頂部骨料則與較高溫度的回風(fēng)進(jìn)行接觸，使上、下料層形成溫差。如此一來，整倉骨料完全冷卻的時間較長。

連續(xù)冷卻，是一種骨料只用一個料倉，在冷卻的同時，邊進(jìn)料變冷卻、連續(xù)供應(yīng)低溫骨料的方式。骨料先進(jìn)先出，即先進(jìn)入的骨料在下降過程中，不斷受到冷風(fēng)冷卻，最早到達(dá)倉底，與剛進(jìn)入的冷風(fēng)(溫度最低的風(fēng))相遇，最早離開料倉。整個冷卻是動態(tài)的，新的底層骨料不斷地由上一層骨料補(bǔ)充，無需等全倉骨料都冷透了再供料。雖然倉內(nèi)骨料溫度也不一致(上高下低)，但供給攪拌機(jī)的是最底部的骨料，只要底層骨料溫度滿足要求即可。如此一來，所需冷卻時間短、料倉容量小。

根據(jù)大體積混凝土澆筑時的實際工程狀況分析，骨料風(fēng)冷的冷卻方式常采用連續(xù)冷卻。

3.2 水冷技術(shù)方案。骨料的水冷，是用冷水作載冷劑來冷卻骨料。冷卻方式有罐內(nèi)冷卻和帶式輸送機(jī)噴淋冷卻。其中帶式輸送機(jī)噴淋冷卻需要較為開闊的場地，冷透程度不足；而罐冷法布置緊湊，有充分的冷卻時間，可將骨料冷透。于是，在結(jié)合水電大壩向地形陡峭上游地區(qū)發(fā)展的新特點，從節(jié)能、環(huán)保和簡化配置等方面考慮，選用罐冷法。

罐冷法有浸泡罐冷法、循環(huán)罐冷法、單罐循環(huán)冷卻法。

浸泡罐冷法是將骨料浸泡在充有冷水的8 個料罐內(nèi)，隔一定時間放出溫水再充冷水冷卻，如此反復(fù)進(jìn)行直至到達(dá)冷卻結(jié)束放水。但由于骨料每次浸泡只能和孔隙中的冷水進(jìn)行熱交換，冷卻介質(zhì)與骨料的溫差越來越小，冷卻速度一次比一次慢；而且排水費時，操作繁復(fù)，冷卻效率低。

循環(huán)罐冷法與浸泡法一樣采用8 個料罐，4 個一組輪流倒罐冷卻。不同的是，循環(huán)罐冷法冷卻的程序是先充水、進(jìn)料、通冷水循環(huán)、排水、脫水然后放出骨料。一般先充水1/3后進(jìn)料，再將冷水從管底進(jìn)入，頂部溢流。排水時改變水流方向，由罐地排放。循環(huán)通水可以是等流量也可以變流量，理論上以吸熱與放熱速度相平衡為最優(yōu)。由于冷水不斷替換孔隙水，因此，循環(huán)罐冷法冷卻骨料的速度比浸泡罐冷法快。

單罐循環(huán)冷卻法與通常的罐冷法不同的是，該法用1 個罐代替8 個小罐，把罐分成數(shù)格，直接在罐底設(shè)脫水篩，以循環(huán)水冷卻。單罐循環(huán)冷卻法進(jìn)料冷卻程序和常規(guī)8 罐循環(huán)冷卻法沒有本質(zhì)區(qū)別；但因直接在罐底設(shè)置脫水篩脫水，可以不等骨料完全排干即可出料，排水、排料周期縮短，作業(yè)環(huán)境改善，布置更加緊湊。

根據(jù)大體積混凝土澆筑時的實際工程狀況分析，水冷的冷卻方式常采用單罐循環(huán)冷卻。

3.3 骨料預(yù)冷降溫計算。在進(jìn)行骨料預(yù)冷時，無論是采取風(fēng)冷的連續(xù)冷卻還是水冷的單罐循環(huán)冷卻，本質(zhì)上都是料倉冷卻，只是選取的冷卻介質(zhì)不同而已[4]。料倉內(nèi)的骨料，均是以集料形式存在的，骨料的形狀、組成及其運動狀態(tài)、料倉的結(jié)構(gòu)、孔隙中冷卻介質(zhì)的穿透性態(tài)變化情況，與朱伯芳院士等在《水工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制》一書中，引入的第三邊界條件概念相似。在進(jìn)行預(yù)冷的過程中，料倉的不同部位、不同時期冷卻介質(zhì)的溫度都是變化的，計算只好采取分時段、分料層進(jìn)行。本文算例的初始條件設(shè)定為5min 為一時段，0.5m 為一層，骨料的初始溫度為28℃，分別計算150mm、80mm 和40mm 粒徑的骨料在一小時內(nèi)各時段的降溫幅度。

3.3.1 風(fēng)冷計算。連續(xù)式風(fēng)冷的冷風(fēng)，主要由冷風(fēng)機(jī)供給。循環(huán)風(fēng)常規(guī)進(jìn)風(fēng)速度1.2m/s，進(jìn)風(fēng)溫度為0℃。風(fēng)冷計算初始條件如表2 所示。

表2 風(fēng)冷計算初始條件匯總表

以粒徑150mm 的骨料為例，第一時段風(fēng)冷計算結(jié)果如下：

(1)由條件可得0.15m 礫石的導(dǎo)熱率λ=1.16w/(m·℃)，放熱系數(shù)β=175w/(m·℃)，密度ρg=1.6t/m3，比熱容Cg=0.888kJ/(kg·℃)

(2)當(dāng)量粒徑D0=D+2×λ/β=0.15+2×1.16/175=0.1633

(3)傅里葉準(zhǔn)數(shù)F0=αfτ/D02=0.03×0.0883/0.16332=0.0993

(4)θ=e-0.0065-2.065Fo=0.809

(5)查表得tw=0℃時，△i=1.53kJ/kg

(6)K=△hρgCg/3600νρατ△i=0.5×1.6×0.88/0.36×1.2×4.187×0.0833×1.53=0.306

一小時內(nèi)各時段、各粒徑的風(fēng)冷降溫幅度如圖2 所示。

圖2 各時段、各粒徑的風(fēng)冷降溫幅度圖

3.3.2 水冷計算。單罐循環(huán)水冷的冷水，主要由冷水機(jī)供給。循環(huán)水常規(guī)進(jìn)水速度10m/h，進(jìn)水溫度為3.5℃。水冷計算初始條件如表3 所示。

表3 水冷計算初始條件匯總表

以粒徑150mm 的骨料為例，第一時段水冷計算結(jié)果如下：

(1) 由條件可得0.150m 礫石的導(dǎo)熱率λ=1.16w/(m·℃)，放熱系數(shù)β=175w/(m·℃)，密度ρg=1.6t/m3，比熱容Cg=0.888kJ/(kg·℃)

(2)當(dāng)量粒徑D0=D+2×λ/β=0.15+2×1.16/175=0.1633

(3)傅里葉準(zhǔn)數(shù)F0=αfτ/D02=0.03×0.0883/0.16332=0.0993

(4)θ=e-0.0065-2.065Fo=0.809

(5)K=△h ρgCg/νρατ=0.5×1.6×0.88/10×4.187×0.0833=0.202

一小時內(nèi)各時段、各粒徑的水冷降溫幅度如圖3 所示。

圖3 各時段、各粒徑的水冷降溫幅度圖

4 結(jié)論

從上述計算結(jié)果可以看出，冷卻介質(zhì)無論是冷風(fēng)還是冷水，降溫幅度與骨料粒徑大小之間均成反比例關(guān)系，骨料粒徑越大，降溫幅度越小，所需冷卻時間越長；骨料粒徑越小，降溫幅度越大，所需冷卻時間越短，越接近冷卻介質(zhì)溫度。且冷卻初期降溫速率高，隨著骨料預(yù)冷時間的增加，當(dāng)骨料的冷卻溫度達(dá)到某一臨界溫度時，降溫幅度對冷卻時長的敏感性逐漸降低。當(dāng)冷卻介質(zhì)為冷水時，即使冷風(fēng)溫度更低，水冷的降溫速率仍高于風(fēng)冷的降溫速率。冷卻介質(zhì)無論是采用冷風(fēng)還是冷水，骨料溫度始終高于冷卻介質(zhì)溫度，但在理論上，當(dāng)冷卻介質(zhì)采用冷風(fēng)時，只要冷風(fēng)溫度足夠低，骨料可降溫至0℃以下；當(dāng)冷卻介質(zhì)采用冷水時，由于冷卻介質(zhì)凝結(jié)點的限制，骨料無法降溫至0℃以下。

因此，骨料粒徑、降溫需求和單位時間內(nèi)的產(chǎn)量，是骨料預(yù)冷技術(shù)方案擬定的關(guān)鍵因素。針對大型水利水電工程的大體積混凝土預(yù)冷系統(tǒng)，不僅要確?；炷临|(zhì)量和溫度指標(biāo)達(dá)到要求，而且要滿足工程進(jìn)度的需要，具備足夠的生產(chǎn)強(qiáng)度。