混凝土出机温度控制技术研究

王延辉，刘学峰，张吉光，马近晗，李海龙

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221000）

混凝土出机温度控制技术研究

王延辉，刘学峰，张吉光，马近晗，李海龙

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221000）

混凝土搅拌站在生产混凝土的过程中，环境温度对混凝土出机温度影响较大，本文从规范入手，重点探讨混凝土出机和入模温度的各种影响因素，进而提出了控制混凝土出机温度的温控模型，并通过案例验证了温控模型的实用性。

大体积混凝土；出机温度；入模温度；热工计算；温控模型

0 前言

随着国民经济的快速发展，一些事关国计民生的大型、特大型建设项目陆续上马，这类工程的一个显著特点就是采用大体积混凝土施工且工期较长，如核电站等建设项目，工期往往十几年甚至更长。

由于施工工期长，跨越冬季、夏季不可避免，施工温度跨度大，因此环境温度对各物料影响进而对混凝土出机温度有较大影响。由于运输、模板等因素使混凝土的拌合物出机温度及入模温度有较大差异，为保证施工质量、满足施工技术要求，就必须要做好混凝土出机温度及入模温度的控制。

1 影响混凝土出机温度和入模温度因素

根据混凝土施工工艺流程，影响混凝土温度的主要因素如下：混凝土拌合物本身的温度、原材料温度、大气环境温度、运输车种类及其保温条件、运输时间以及模板类型、模板温度等。

混凝土温度比较重要的节点温度有混凝土出机温度、入模温度。混凝土出机温度在搅拌站内检测，入模温度是在工地现场混凝土灌入模板时检测。混凝土的入模温度直接影响着水泥水化放热速率、混凝土的温升以及混凝土养护阶段的温度变化，从而引发裂缝问题，因此这两个温度是混凝土结构温控和裂缝控制的重要参数。

控制新拌混凝土出机温度，首先要控制原材料温度。在混凝土各组分中，水对混凝土拌合物温度影响最大，骨料次之，水泥再次之。

控制混凝土入模温度，应尽量缩短从混凝土出来到浇筑入模的时间间隔及减少运输过程中的环境影响，以减小混凝土温度升高、坍落度减小及含气量减少等不利影响。

出机温度和入模温度之间的差值由运输时间、等待时间、浇筑时间和混凝土转运次数确定。有鉴于此，本文主要探讨混凝土出机温度及混凝土出机温度的温控模型。

2 建立混凝土温度计算的温控模型

混凝土拌合物的温度高低与组成材料的温度等条件有关，其计算原理为：水的温度与砂、石混和之后相互之间热量的传送，按照热力学理论，每种材料所含热量等于材料的比热容、重量及其本身温度的乘积：

混凝土拌合物温度按式 (1) 计算：

式中：

T0、Tce、Ts、Tsa、Tg、Tw——分别为混凝土拌合物、水泥、掺合料、砂子、石子和水的温度，℃；

mce、ms、msa、mg、mw——分别为水泥、掺合料、砂子、石子和拌合水用量，kg；

ωsa、ωg——砂子和石子的含水率，%；

cw——水的比热容，kJ/(kg·K)；

ci——冰的溶解热，kJ/kg。

当骨料温度＞0℃时：cw=4.2，ci=0；当骨料温度≤0℃时：cw=2.1，ci=335。

混凝土拌合物出机温度按式 (2) 计算：

式中：

T1——混凝土拌合物出机温度，℃；

Tp——搅拌机棚内温度，℃；

混凝土拌合物的温度损失按式 (3) 计算：

式中：

α——每小时温度损失系数；常用取值见表1。

表1 温度损失系数

t——混凝土运输至成型的时间，h；

n——混凝土倒运次数。

混凝土拌合物入模温度按式 (4) 计算：

在实际应用中，往往依据上述温控模型，由施工技术要求确定入模温度，推算混凝土出机温度，当在自然条件下不能生产出合乎出机温度要求的混凝土时，应采取措施减小环境影响，并通过调整拌合水或者骨料的温度来组织生产，从而生产出满足施工技术要求的混凝土。

目前国内外混凝土搅拌站通用的控制系统适用于对温度要求不高的施工环境，一些对混凝土温度要求较高的搅拌站控制系统增加了温度测量模块，能够实现自动观察混凝土生产的环境温度，但是控制温度的解决方案只能根据各种温度因素的影响，采用平均温度或最高温度进行设计，对于大体积混凝土并不能有效地提供智能化的解决方案，如果外界环境变化导致其中的某种物料的温度发生变化，需要人工重新设计，从方案调整看反应缓慢，不能及时有效地进行温度控制，致使混凝土生产过程中各盘温度不一，进而可能会影响整个大体积混凝土入模温度，后期可能会对混凝土工程项目造成较大的质量隐患。

为了解决大体积混凝土施工，加强混凝土生产过程的温度控制，我们根据热工计算建立一套温控模型，各种逻辑关系见图 1。此温控模型是一种多模式实时温控系统，内置多种温度生产模式，配套多种解决方案，能够适应各种不同温度的生产施工。

此系统主要由温度显示模块和动作执行模块（如升温或降温模块）构成，根据混凝土生产要求的出机温度通过复杂的后台计算，智能化地做出选择加热或制冷措施（虚线内模块），快速、精确提供施工方案，最终的出机温度通过安装在搅拌机上的温度显示模块显示。

3 混凝土温控模型的应用

运用混凝土温控模型可以反推大体积混凝土的温度解决方案以及配套设备的需求，提出整套混凝土搅拌站的配套方案，节约选型时间，能够达到快速、准确的目的。

下面根据具体事例来进行分析。

3.1 案例背景

某核电站当年规划容量为 6 台 1000MWe 级核电机组。一期工程作为第三代核电技术引进自主化依托项目之一，建设 2 台 AP1000 机组。通过分析，该工程混凝土总量约 60 万m3，其中核岛约 11 万 m3，常规岛和电厂配套设施（Balance of plant，简称 BOP）约为 24 万 m3，海工工程约为25 万 m3。入模温度是 26℃，出机温度为 10～22℃，第一罐混凝土浇灌日的混凝土连续浇筑量约为 5000m3，且浇筑过程要求混凝土的供应量不低于 60m3/h。初步方案配置 3 台施维英的 60m3/h立轴行星式搅拌站和 1 台国内 150m3/h的搅拌站。

3.2 案例分析

最高环境温度如何进行出机温度的温控处理？

按年度最高气温主要集中在 7、8 月份，经查当地天气记录一般最高气温约为 33℃，如何保证在 33℃的高温条件下满足出机温度为 10～22℃？应该采用哪些措施？我们根据混凝土温控模型进行分析。

首先，以表2 的 C50 混凝土配合比作为计算的依据。

表2 某 C50 混凝土配合比

使用混凝土温控模型进行计算，假定砂含水率是 4%，不计外加剂量。

在 33℃ 温度条件下，经计算得到混凝土出机温度，见表3。

表3 混凝土出机温度 ℃

图 1 温控系统模型

按上述数据计算，得到以下结论：

水泥温度每降 10℃，出机温度降低 1.3℃

粉煤灰温度每降 10℃，出机温度降低 0.3℃

石温度每降 10℃，出机温度降低 3.7℃

砂温度每降 10℃，出机温度降低 2.6℃

水温度每降 10℃，出机温度降低 2℃

这样看来如果要保证混凝土出机温度为 10～22℃，不能是采用某一种形式，需采用综合体系来对混凝土温度进行控制的复合体。

按温控模型进行计算，采用冷水供应即使降低 30℃，对出机温度也只是降低 6℃ 而已，那么需要采用加冰形式。根据表3 的计算，如果采用 10kg 冰替代 10kg 水的情况下，出机温度降低 1.4℃，采用极限增加冰的情况下，按表1 的 C50配方和砂的含水率为 4% 前提下，冰的极限用量为 133.5kg，此时降温能够达到 13.5℃，混凝土出机温度可达到 22.7℃，仍未能满足要求，根据砂石对混凝土的影响，那么需采用大棚储存或冷风等降温砂石温度，可满足生产要求。

实际上最终该核电站采用的是 3 套施维英 2m3立轴搅拌机的搅拌站，配置有 2 套流量 18t/d 的冷水机组和 3 套产冰量为 20t/d 的制冰机组，另外采用 1 套骨料风冷系统共同满足该核电混凝土要求。

5 结束语

混凝土出机温度的控制是一个有机的整套控制方案，在实际操作中，通过温控模型的建立，可以找到一个较为经济合理的解决方案。同时通过温控模型也可反向计算出合理的冷水、制冰、加热设备的配置方案。此温控模型通过和 ERP系统的有机结合，能够切实保障现场管理、生产管理、效益管理，使管理智能化，数字化，同企业物联网、互联网云结合，能够保证数据协同处理，进行远程控制，为决策层提供技术依据，高效管理。同时建立有效的温控模型也可为将来数字化搅拌站提供了一个解决思路。

[1] 戴会生．混凝土搅拌站实用技术[M]．北京：中国建材工业出版社，2014．

[2] 陈向峰．混凝土搅拌站管理使用手册[M]．北京：中国建材工业出版社，2011．

[3] GB 50496—2012．大体积混凝土施工规范[S]．

[4] JGJ 55—2000．普通混凝土配合比设计规程[S]．

[5] 赵华阳，王武．海阳核电站搅拌站系统分析[J]．电力建设，2010, 31(4): 86-89．

[6] GB 50164—2011．混凝土质量控制标准[S]．

［通讯地址］江苏省徐州市经济开发区桃山路 29 号 徐州徐工施维英机械有限公司（221000）

王延辉（1970—），男，工程师，现从事搅拌站设计工作。