浅析混凝土预冷工艺措施

李跃兴

（中国水利水电第八工程局有限公司长沙市410007）

前言

水电站混凝土工程，特别是混凝土大坝下部块体尺寸较大，受到两岸及河床建基面基岩的约束，施工期暴露面多，环境气温和水温变化大，夏季高温历时长，日温差大，春季、冬季还有气温骤降，施工期大体积混凝土内部温度高，外界气温和水温的变化会使混凝土工程内出现较大的温度应力，从而导致开裂，影响结构安全。严格控制混凝土浇筑温度和最高温度不超过相应设计允许温度要求，并采取综合混凝土温度控制措施，预防混凝土裂缝产生，是保证混凝土结构的整体性及工程施工质量的关键。控制混凝土浇筑温度和最高温度不超过相应设计允许温度要求的最重要的措施就是降低混凝土出机口温度。

水电站混凝土工程施工中为了降低混凝土出机口温度，广泛采用混凝土预冷系统工艺，即通过降低混凝土粗骨料的温度、充分加冰、加冷水拌制混凝土，降低混凝土的出机口温度，满足设计要求。在混凝土预冷系统设计时，要遵守各项设计依据,根据工程所在地的自然条件、混凝土材料的物理热学性能及设计要求的出机口温度来决定需要采取的混凝土预冷工艺措施。

1 混凝土预冷工艺措施选取

1.1 混凝土出机口温度计算

混凝土出机口温度主要取决于拌和前各种原材料的温度。根据招标文件中提供的当地水文、气象资料的水温和气温得到各材料的初始温度；根据混凝土骨料中的岩石性质通过实验、工程类比、或查相关设计手册得到各材料的热学性能数据。根据混凝土配合比及设定粗骨料冷却后的或原材料的终温用于热平衡计算，利用拌和前混凝土原材料总热量与拌和后流态混凝土的总热量相等的原理，可求得混凝土的出机口温度To。

混凝土出机口温度根据热平衡原理按下式计算：

式中To——混凝土出机口温度；

Wi——每m3混凝土中各种原材料的重量（kg／m3）；

Ci——混凝土各种原材料的比热（Kcal／kg·℃）；

Ti——混凝土各种原材料的温度（℃）；

q——每立方米混凝土拌和时的机械热（Kcal/m3）；自落式搅拌机为1 000，强制式搅拌机为1 500。

说明：冰的潜热为-80 Kcal/kg，利用率η=80%～90%，当冰温为（-5～-8）℃时冰的潜热利用率为90%；混凝土配比中每m3混凝土用水量包括砂、小石中的含水量以及加冰量，且要保证每m3混凝土另外加的搅拌用水量N1≥18 kg/m3，混凝土各种材料其温度各不相同，要引起注意。

1.2 混凝土预冷工艺措施

混凝土的预冷措施目前分为：粗骨料第一次风冷或用冷水冷却粗骨料代替第一次风冷，粗骨料第二次风冷，加片冰，加（2～4）℃冷水拌制混凝土的四种措施。在高温季节根据混凝土预冷的性质和出机口温度的不同确定混凝土预冷系统的工艺措施，一般通过热平衡计算由上述四种预冷措施组合以下不同工况的预冷工艺措施：

（1）地面粗骨料一次风冷+拌和楼上粗骨料二次风冷+加片冰+（2～4）℃冷水拌制混凝土；

（2）粗骨料一次风冷+加片冰+（2～4）℃冷水拌制混凝土；

（3）地面粗骨料一次风冷+拌和楼上粗骨料二次风冷+（2～4）℃冷水拌制混凝土；

（4）粗骨料一次风冷+加（2～4）℃冷水拌制混凝土；（5）加片冰+（2～4）℃冷水拌制混凝土。

设初步选定某种工况的预冷工艺措施后，将各材料的最终温度，各种材料的热学性能（比热）、混凝土配比（每m3混凝土成分）等数据代入出机口温度计算公式，可得到混凝土出机口温度，若等于或略小于设计出机口温度，则可以选定预冷工艺措施采用的工况；否则改变加冰量或重选一种工况，重新计算混凝土出机口温度，直到等于或略小于设计出机口温度为止。

1.3 混凝土预冷工艺措施的分析与选取

通常将混凝土骨料初温选择月平均气温值，粗骨料风冷一次冷风冷却时可以将骨料由初温降到平均（8～9）℃左右（各种粗骨料此时温度是不等的，如果是在拌和楼的料仓进行一次冷却只能按降到平均12℃左右计算）为一次风冷的终温。二次冷风冷却时，粗骨料的初温为一次风冷的终温加1℃左右（温度回升），二次风冷却粗骨料终温可以降到平均0.2℃左右（各种粗骨料此时温度是不等的）。如将一次风冷的终温代入出机口温度计算公式，混凝土出机口温度满足要求，则选定粗骨料一次风冷的工艺。如需要将二次风冷的终温代入出机口温度计算公式才能满足要求，则选用粗骨料二次风冷的工艺。混凝土预冷工艺不需要加冰时W冰以零代入计算公式，但每m3混凝土加冰量的最大值W冰（kg）=W冰（配比总用水量）-W冰（砂的重量）×6%-W小石（小石的重量）×1%-18（混凝土搅拌用水最小量为18 kg/m3）。

混凝土的性质是常态混凝土还是碾压混凝土直接影响混凝土的预冷措施选取，由于碾压混凝土加水量受到限制，尽量不选择加冰的工艺，常态混凝土时优先选择加冰的工艺。不同的情况采用不同的预冷措施，正确的选择混凝土预冷措施能提高生产效率和保证混凝土的温控质量要求，同时也可以节约生产成本。以下是目前已经实施的几个工程选择的混凝土预冷工艺措施（附表）。

附表混凝土预冷工艺措施

1.4 混凝土生产设备对预冷效果的影响

工程所在地的自然条件、混凝土材料的物理热学性能影响混凝土的出机口温度外，混凝土的搅拌设备选择也有不同程度的影响混凝土的出机口温度。

在混凝土生产中自落式搅拌机比强制式搅拌机产生的机械热要小，同容量的搅拌机产生的机械热自落式搅拌机是强制式搅拌机的2/3，因此，一般情况下常态混凝土生产选用自落式搅拌机，碾压混凝土生产选用强制式搅拌机。

混凝土生产设备的形式不同，混凝土搅拌楼与混凝土搅拌站的选用对混凝土的预冷效果也不同。当生产混凝土只需要对骨料进行一次风冷的预冷措施时，由于混凝土搅拌楼的骨料仓容积比较小，骨料冷却时间有限，按拌和楼的额定产量，骨料平均冷却时间一般在（30～45）min内，虽然短时间运行或生产混凝土的量比额定产量小很多时粗骨料能冷却到设计的温度，但拌和楼按额定产量连续运行时粗骨料不能长期冷却到设计的温度，生产的混凝土也不能达到设计要求。而采用混凝土拌和站时可以将拌和站的骨料仓加大或按预冷混凝土的产量设计一个风冷料仓做拌和站的骨料仓，使骨料平均冷却时间一般可以基本达到60 min或超过60 min，有足够的时间来冷却骨料，拌和站按额定产量连续运行时粗骨料也能长期冷却到设计的温度，使生产的混凝土预冷质量稳定。一般情况下当生产混凝土只需要对骨料进行一次风冷的预冷措施时，优先选用混凝土搅拌站作为混凝土的生产设备，反之选择混凝土搅拌楼作为混凝土的生产设备。

2 改进混凝土预冷工艺措施的方向

目前混凝土预冷出机口温度主要受制于胶凝材料和砂（细骨料）的影响较大，尽量减小胶凝材料水化热、砂的含水率，将使控制混凝土的出机口温度变得容易。

如今后在胶凝材料中加入一种添加剂后，既保证混凝土的强度和质量性能不发生变化，又能减少在搅拌中胶凝材料的水化热量，这样可以简化目前的混凝土预冷工艺措施。

砂的含水率在很大程度上影响着混凝土的出机口温度，经过多次试验检测砂的温度基本上与当地的平均气温相等。砂的含水率大、同时还直接影响到混凝土拌制时加冰、加冷水的量，使混凝土预冷工艺措施变得复杂。目前砂石加工工艺的改进，半干化生产使砂的含水率相对以前已经有所降低，在同容量的混凝土材料中可以多加一些冰或冷冻水，使混凝土的出机口温度达到设计值变得容易控制。

当砂的含水率降到接近于零时，砂很干燥不容易结块，使对砂进行风冷降温成为可能。如果能将砂的温度降一个理想的温度值时，是优化混凝土预冷工艺措施迈进了关键的一步，将改变传统的工艺措施。原来需要二次粗骨料风冷的混凝土预冷工艺措施，现在可能只需要一次粗骨料风冷就可以达到原来的效果。

总之减小胶凝材料的水化热的量和降低砂含水率是改进混凝土预冷工艺措施最有效的办法，也将为节能减排作出重大的贡献。