冬季混凝土施工措施及混凝土温度热工计算

徐兵安

中铁十二局集团京沪高铁项目部九项目部地处安徽省宿州栏杆镇，毗邻江苏省徐州市，冬季历史最低气温－17℃，2001年～2008年冬季平均气温2.84℃。项目部施工任务为京沪高速铁路土建Ⅳ标段DK721+570～DK733+997，位于濉河特大桥979号～1 363号墩间;该段大桥跨越山闵路和二徐路;跨越奎河。管段重点为DK721+570～DK724+980段先期架梁段下部工程施工;难点是979号～982号墩上部1-(33+48+33)m连续梁。管段基础为钻孔桩基础，直径1.0 m共382个墩3 104根，单根桩长37 m～56.5 m，直径1.25 m 共3个墩30 根，单根桩长 51 m ～56.5 m;承台385个;双线双柱墩381个，墩高4 m～10.5 m，圆端实体墩4个，墩高5.5 m～11.5 m;1联(33+48+33)m连续梁。混凝土20万m3，全部为混凝土工程，为保证工期，冬季进行施工。要保

证混凝土质量，就必须保证混凝土在达到抗冻强度之前不受冻，项目部采取多种措施。

1 保温措施

1.1 材料

1)集料的加热和保温。集料已经用高寒地区军用保温材料搭设封闭的保温棚，加热采用高寒地区军用加热用的暖风机和蜂窝煤炉，集料温度按6:00，14:00，22:00测温，根据测温记录，集料温度基本保证在8℃以上。

2)水。水池采用隔热材料全封闭，防止热量的损失;采用电热管加热，一共8根10 kW电热管，每秒热功率80 kW，每小时热功2.88×105kJ，每小时拌合站搅拌混凝土15 m3，每立方米混凝土用水量按150 kg计算，每小时用水量2 250 kg，水比热为4.287 kJ/(kg·K)，理论上可以加热使水温升高29.6℃，水池补充水直接用地下水，经测温，地下水温度为6℃～7℃，考虑搅拌等待时间电热管加热和散热持平，水温可以保持在30℃以上，测温频次同集料，根据测温记录，水温近期保持在35℃以上。

3)水泥、矿粉、粉煤灰。我工区为保证冬季施工质量，已把四个水泥罐包裹，充分利用水泥出厂的热量，矿粉、粉煤灰没有包裹，经检测，水泥搅拌温度在20℃以上，矿粉、粉煤灰温度在8℃以上。

4)减水剂。减水剂采用电热毯加热，外面棉被包裹，保持温度在20℃～30℃之间。

1.2 机械设备

1)混凝土罐车采用保温材料全部包裹，防止热量的损失;2)搅拌楼全封闭，采用蜂窝煤炉加热，保证拌合机和拌合过程中的热量不损失。

1.3 施工过程控制

1)拌合混凝土之前检测各种材料的温度，气温，根据冬季施工方案中的热工计算推导出混凝土出机温度T1，根据运距、拌和楼温度、气温、模板温度及规范要求推算求出出机温度T2，如果T1＞T2，即可保证混凝土入模温度，开始搅拌混凝土。2)拌合站检测混凝土出机温度、拌合物性能并记录。3)现场检测混凝土温度、拌合物性能并记录。制作试件。4)承台、墩身在浇筑之前用高寒地区军用保温材料包裹模板，用火炉和电钨灯加热，保证模板温度不低于5℃。

1.4 施工后控制

1)浇筑完后承台、墩身面马上封闭，用火炉和电钨灯加热，保证承台、墩身不受冻，能够水化。2)根据规范要求检测承台、墩身养护温度，并作记录。3)根据同条件混凝土强度，混凝土强度满足规范要求和能够抵抗冻蚀破坏拆模，用塑料膜进行包裹。

2 混凝土热工计算

物质的比热(比热容C):是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。热工计算温度采用开氏温度，开氏温度与摄氏温度基准不一样，但同样物体吸收或放出相同热量，采用开氏温度与摄氏温度，改变温度值是一致的。

混凝土比热(C):单位质量的混凝土，其温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，其比热由混凝土中所用材料质量及对应材料的比热和比热容的乘积累加，前提假设短时间不发生化学反应。

我工区C35新拌混凝土拌合物热工计算见表1。

表1 C35每立方米混凝土热工计算

每立方米混凝土比热C:

2.1 冬季混凝土拌合物温度计算

原理:假设不往外界散热或吸热(比外界温度高的材料放热、比外界温度低的材料吸热)，也不考虑混合物体时不同物质发生物理和化学作用时产生吸收热量或放出热量的情况下(混凝土拌合过程应该是产生热量)，混合物体中，混合前的高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量。

假设C35混凝土拌合物在拌合过程中热量交换达到稳定状态，即温度稳定时的温度为T0，考虑水0℃以下是冰，在冰融化过程中发生熵变，即由0℃冰变成0℃水要吸收热量，反之，要放出热量，根据原理，即有:

1)假设骨料不含固态水，含液态水，测试材料温度，可以计算混凝土出机温度T0:

其中，mce，msa，mg，mf，mw，mkf分别为水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、矿粉的施工实际用量，kg;Tce，Tsa，Tg，Tf，Tw，Tkf分别为水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、矿粉的温度，℃;wsa，wg分别为砂、碎石含水率，%。

换算:

2)假设骨料不含固态水，含液态水，测试不包括水的其他材料温度，根据规范要求的混凝土出机温度，可以计算水要求加热的温度Tw:

3)假设骨料含固态水，也就是冰，冰发生熵变的溶解热为335 kJ/(kg·K)。冰的比热为2.1 kJ/(kg·K)，测试材料温度，可以计算混凝土出机温度T0:

换算:

4)假设骨料含固态水，也就是冰，冰发生熵变的溶解热为335 kJ/(kg·K)。冰的比热为2.1 kJ/(kg·K)，测试不包括水的其他材料温度，根据规范要求的混凝土出机温度，可以计算水要求加热温度Tw:

其中，mce，msa，mg，mf，mw，mkf分别为水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、矿粉的施工实际用量，kg;Tce，Tsa，Tg，Tf，Tw，Tkf分别为水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、矿粉的温度，℃;wsa，wg分别为砂、碎石含水率，%。

由于计算量大，可以用xls.表格编程进行计算。

各种材料用量及温度(预设气温为0℃、骨料含液态水)情况见表2。

表2 各种材料用量及温度情况

实际用料水泥、粉煤灰、矿粉用量不变。

砂子msa=723 kg;石子mg=1 098 kg;水mw=105 kg。

根据式(1):C35混凝土拌合物温度T0=13.8℃ ＞5℃。

2.2 C35混凝土拌合物出机温度T1

其中，Ti为搅拌棚内温度，℃，设定为0℃。

2.3 C35混凝土拌合物经运输到浇筑时的温度T2

其中，α为温度损失系数，h－1，当用混凝土搅拌车运输时，α=0.25 h－1;t1为混凝土拌合物自运输到浇筑时的时间，h，设定混凝土运输为30 min;n为混凝土拌合物运转次数，根据现场测试，混凝土搅拌运输车运转2次;Ta为混凝土拌合物运输时环境温度，℃，设定为0℃。

根据上面的关系，可以推导出混凝土拌合物T0与入模温度T2及气温Ta，运输时间t1、运转次数n搅拌棚内温度之间的关系:

根据要求入模温度及气温Ta，运输时间t1、运转次数n搅拌棚内温度，即可计算拌合物温度。

2.4 C35混凝土浇筑成型完时的温度T3

其中，T3为考虑模板和钢筋吸热影响，混凝土成型完成时的温度，℃;cc为混凝土的比热容，kJ/(kg·K)，根据上述计算cc为0.97 kJ/(kg·K);cf为模板的比热容，kJ/(kg·K)，资料查找 cf为0.48 kJ/(kg·K);cs为钢筋的比热容，kJ/(kg·K)，资料查找cs为0.48 kJ/(kg·K);mc为每立方米混凝土重量，kg，根据上述计算mc为2 326 kg;mf为每立方米混凝土相接触模板的重量，kg，设定每立方米混凝土相接触模板的重量mf为200 kg;ms为每立方米混凝土相接触钢筋的重量，kg，设定每立方米混凝土相接触模板的重量mf为100 kg;Tf，Ts分别为模板、钢筋的温度，未预热时可采用当时的环境温度，℃，设定为0℃。

结论:T3＞5℃，混凝土初始养护温度满足要求。

经拌合用水加热升温至60℃的混凝土热工计算后，上述各项温度都满足《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》。

热工计算，对冬季施工控制混凝土温度、保证混凝土质量，起到了很好的指导作用。本项目结构物混凝土强度在交工验收时，实测强度全部满足设计要求。

[1]文雪峰.冬期混凝土施工温度控制技术[J］.山西建筑，2009，35(8):144-145.