全级配预冷混凝土生产方法研究

雷畅 刘盟盟 李倩 严君汉 卞小草

摘要：为解决全级配预冷混凝土生产中预冷砂的问题，定量分析了砂温与混凝土出机口温度、片冰用量的关系，以及生产7℃，9℃，11℃全级配预冷混凝土的砂温适用范围;提出了用冷水与砂混合，再经二次机械振动脱水的冷砂方法，并进行了关键工艺试验。结果表明：该方法可有效降低砂温且保证砂含水率稳定，实现全级配预冷混凝土生产。

关键词：全级配预冷混凝土;水冷砂;砂温; 混凝土温度

中图法分类号：TV431文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.010

文章编号：1006 - 0081（2021）09 - 0060 - 04

0引 言

水利工程大体积混凝土应用广泛，为了防止温度裂缝的产生，必须控制混凝土成型最高温度在允许范围内。混凝土运输、浇筑、成型阶段，其温度处于单向不可逆升温状态，采取工程技术均只能减缓温度回升速度，关键在于控制混凝土出机口温度，对原材料进行预冷[1]。葛洲坝工程中采用皮带机廊道内对骨料洒冷水、拌和楼料仓通冷风连续冷却粗骨料及加片冰搅拌混凝土综合预冷措施，使夏季混凝土出机口温度控制在7℃[2];二滩工程中采用隧道内皮带机喷淋冷水、附壁式冷风机保温、粗砂加冰屑在竖洞中存料3 d后分离脱水、加片冰等措施，控制混凝土出机口温度在9℃[3];三峡工程中采用二次风冷工艺，即在粗骨料进入拌和楼前一次冷风预冷，该方法较常规水冷为主的预冷方法而言，可保证混凝土温度稳定达到7℃且经济和节能效益显著[4];此外，冷砂取代加冰的预冷思路被提出，并在分析现有导热法、强制对流法和真空汽化法的局限性基础上，提出的螺旋输送换热器冷砂方法，可解决二级配混凝土无法达到出机口7℃温控的难题以及可在三、四级配混凝土生产中替代加冰系统，节约投资[5];双江口工程中采用冷却水作为冷媒，在特质换热板流道中循环流动，形成低温场，使砂在低温场内交换热量预冷，预冷效果得到了工藝试验和工程实践验证[1]，首次实现了工程化应用，但产量较低，如想提高产量，特制换热板投资较大。

在混凝土各原材料中，砂的用量比例较大，表1为大岗山水电站大坝每立方米混凝土典型级配配合比，四级配至一级配砂率依次为24.0%，27.0%，35.5%，40.5%。目前国内外预冷混凝土生产的成熟技术中，仅限于对粗骨料进行预冷，当环境温度较低时，三、四级配混凝土出机口温度较容易达到7℃，而当环境温度较高或者需要生产低级配混凝土时，粗骨料用量少，仅依靠目前的预冷粗骨料和加冷水、加冰拌和等措施，对混凝土出机口温度控制效果有限，很难达到7℃。因此，改进混凝土生产方法，研究砂的预冷技术，在预冷混凝土领域是必要的，尤其是对低级配预冷混凝土的生产意义重大。因此，本文定量分析了砂温与混凝土出机口温度、片冰用量的关系，以及生产7℃，9℃，11℃全级配预冷混凝土的适用砂温范围，并提出用冷水与砂混合，再经二次机械振动脱水的冷砂方法，研究了预冷砂的问题。

1冷砂效果分析

根据混凝土热平衡原理，并统计国内外大型水电工程生产预冷混凝土时骨料温度和级配与混凝土出机口温度的变化关系，推导出新拌和混凝土的出机口温度T0 计算公式如下：

T0 =[i=1nmiciTii=1nmici]

式中：mi为每方混凝土中第i种原材料的质量;ci为第i种原材料的比热容;Ti为第i种原材料的温度。

考虑骨料含水与拌和产生的机械热，经热平衡计算发现：砂的发热量占所有原材料发热量的23%～31%，仅次于水泥发热量。表2为大岗山水电站四级配混凝土在不加冰情况下的出机口温度计算过程。从表2可看出：将砂预冷至10℃，出机口温度可降至6.85℃。

图1反映了不加片冰，且骨料含水率、其他原材料温度和机械热不变的情况下，大岗山水电站四级配与三级配混凝土出机口温度与砂温的变化关系，可以看出：①砂温每降低2℃，四级配出机口温度降低0.52℃左右，三级配出机口温度降低0.57℃左右;②将砂预冷至8℃，三级配出机口温度可降至6.89℃。

图2反映了生产每立方米混凝土，加片冰16 kg且骨料含水率、其他原材料温度和机械热不变的情况下，大岗山水电站各级配混凝土出机口温度与砂温的变化关系，可以看出：①砂温每降低2℃，四级配至一级配混凝土出机口温度依次降低0.53℃，0.57℃，0.71℃，0.75℃;②要满足7℃混凝土生产要求，四级配至一级配砂温需依次降至18℃，15℃，9℃，3℃。

表3反映了骨料含水率、其他原材料（砂除外）温度和机械热不变的情况下，大岗山水电站各级配混凝土出机口温度分别为7℃，9℃，11℃时砂温与片冰用量的关系，可以看出：①砂温每降低2℃，四级配至一级配每立方米混凝土拌和片冰可依次减少约4.3，4.8，6.5 kg;②生产全级配7℃，9℃，11℃混凝土的砂温范围依次为4℃～18℃，4℃～22℃，8℃～28℃;③无片冰条件下生产二级配7℃，9℃，11℃混凝土，砂温需依次降至3℃，8℃，14℃;④无片冰条件下生产一级配9℃，11℃混凝土，砂温需依次降至4℃，8℃。

2 水冷砂方法研究

砂的孔隙率低、导热性能差，外部低温环境或局部热交换难以将砂冷透，若减小单位堆存预冷，降温效果虽有所提升但效率大为降低，影响预冷混凝土连续生产。利用风冷技术预冷砂，存在无法冷透、回温快的问题，且砂的密度较粗骨料小，在强制对流情况下容易堵塞出风口，不利于预冷设备的运行维护。真空气化法通过在真空环境中蒸发砂表面的水份吸收热量而降温，但是真空罐内压力控制复杂，且此过程会排出大量水蒸气，需冷凝处理后再排出罐外，运行维护难度和成本高。

水冷砂法使砂与冷水充分接触，可以实现全面降温，且连续预冷，设备运行维护难度和成本也较低，但需避免含水率过高或温度过低板结成块而影响预冷混凝土质量。对不同温度的水和砂按照一定比例进行掺和试验，及时记录掺和后的温度，试验数据如表4所示。初始砂温受环境影响较大，基本与环境温度相同，掺和冷水后降温明显;砂含水率为20%时出现渗流水现象，需考虑脱水处理措施，砂含水率为10%以下较为理想，基本不需要进行脱水处理。

環境温度升高时，为了将砂温降至目标值，需要加大冷水用量，使含水率升高。若在自然堆存条件下脱水，脱水时间较长，降至含水率9.2%需要2 d，如图3所示，难以满足预冷混凝土连续生产要求。因此，在湿法制砂工艺流程中取消第2筛分、第3筛分和棒磨洗砂机出口的各小型脱水筛，增设频率为960 Hz的直线振动筛和1 468 Hz的圆振动筛，对混合砂料进行二次振动脱水试验，含水率和脱水时间如图4所示。经一次脱水后，含水率由20%～23%降至10%～11%，经二次脱水后，含水率由10%～11%降至8%～9%，脱水效率大幅提高，可满足连续生产要求。水冷砂试验验证了冷水与砂拌和降低砂温的可行性以及通过二次振动脱水可快速降低砂含水率至10%以下的有效性。

3 全级配预冷混凝土生产方法

全级配预冷混凝土生产方法就是在预冷粗骨料的同时，增加对砂的预冷，即在原有混凝土生产工艺基础上，增加砂的水冷工艺，如图5所示。

（1）生产准备。根据厂家提供的冷水机组型号及各项参数介绍，并结合混凝土拌和楼的生产能力，选用合适型号的冷水机组。目前，国内冷水机组可生产1℃～10℃的冷水，生产能力达到300 t/h;定制具有保温、抗冻等特殊性能的预冷砂罐或洗砂机，亦可对已有设备进行再加工，作为对砂进行预冷的主要设备;将预冷设备布置在储砂罐与混凝土拌和楼之间，靠近拌和楼的位置。

（2）取消湿法制砂工艺流程中的第2筛分、第3筛分和棒磨洗砂机出口的各小型脱水筛，增设机械振动筛1和机械振动筛2。机械振动筛的类型和工作频率根据预冷砂的生产能力需求选用。

（3）砂从储砂罐经皮带机运输至预冷砂罐（洗砂机），冷水机组生产的冷水由水泵送入预冷砂罐（洗砂机），罐内的旋转叶片将砂和水搅拌均匀，使砂粒与冷水充分接触降温至目标值。

（4）水冷后的砂经保温皮带机运输至机械振动筛1进行一次脱水，然后经保温皮带机运输至机械振动筛2进行二次脱水，含水率稳定后经保温皮带机运输至混凝土拌和楼使用。皮带机的保温罩可采用双层材料制作，并在夹层中敷设锡纸，增强保温效果。在此过程中产生的废水经沉淀后可循环使用。

全级配预冷混凝土生产方法具有以下效果：①可在高温环境下，使低级配预冷混凝土出机口温度降至7℃，实现各种环境温度下的全级配预冷混凝土生产;②生产四级配、三级配7℃混凝土时，无需加片冰，可取消运行维护复杂、成本高的制冰、储冰和输冰工艺流程及设备;③砂脱水效率高，既达到预冷砂的目的，又解决砂含水率过高影响预冷混凝土质量的问题;同时，相比非接触式冷砂方法中砂在预冷前需经自然堆存脱水，可减小储砂罐或砂仓容量，易于布置;④预冷砂罐（洗砂机）、机械脱水筛、保温皮带机等预冷砂设备较为成熟，工艺简单，运行维护成本较低。

4结 论

（1）基于热平衡原理，选用大岗山水电站各级配混凝土典型配合比，定量分析了混凝土出机口温度与砂温的关系，给出了生产全级配7℃，9℃，11℃混凝土的砂温目标值。

（2）提出了砂与冷水拌和降温，再经二次机械振动脱水的冷砂方法，并进行了水砂拌和与脱水试验，验证了该方法的有效性。

（3）改进了传统混凝土生产工艺，取消了湿法制砂工艺中的小型脱水设备。砂在预冷砂罐或洗砂机内与冷水充分拌和降温后，经两道机械振动筛集中脱水，可实现全级配预冷混凝土的生产。相关研究成果已获得多项专利授权。

参考文献：

[1] 李新明. 水利工程混凝土细骨料间接预冷技术研究与应用[J].红水河，2020，39（2）：45-48.

[2] 郭燕鸿. 葛洲坝二期工程混凝土预冷系统运行效果分析[J].施工设计研究，1989（2）：35-40.

[3] 俞勤泰，吴燕明. 水利水电工程中的混凝土三大预冷技术[J].建筑机械，2001（4）：25-28.

[4] 龙慧文，李红丽，罗清. “砼预冷二次风冷骨料”专利技术及其节能减排效应[C]// 全国工程设计技术创新大会.全国工程设计技术创新大会论文集.北京：中国勘察设计协会，2011.

[5] 罗清，龙慧文. 冷砂技术在水利水电工程中的应用前景[J].人民长江，2000，31（9）：15-16.

（编辑：江 文）

Production method of full-graded precooled concrete

LEI Chang， LIU Mengmeng， LI Qian， YAN Junhan，BIAN Xiaocao

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： To solve the problem of sand precooling in the production of full-graded precooling concrete， we quantitatively analyzed the relationship between sand temperature and concrete temperature out of mixers， flake ice amount， as well as the suitable sand temperature range for the production of 7℃，9℃，11℃ full-graded precooling concrete. We proposed a cooling sand method that mixing the sand with cold water then secondary dehydrating by mechanical vibration， and carried out the key technological tests. The results showed that the method can reduce the sand temperature and ensure stable moisture content， so realize production of full-graded precooling concrete.

Key words： full-graded precooling concrete; mixing the sand with cold water;sand temperature;concrete temperature