一个冬施中质量问题引发的深度思考

闻宝联

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

近期给某企业做了一次混凝土冬季施工培训，培训后交流，实验室主任给我提了一个问题：最近进入冬施后，混凝土坍落度损失突然变大，百思不得其解。老实说我也感到意外，这不太符合常理。冬施混凝土的投料顺序是要先投砂石再投水搅拌然后粉料外加剂，他们说也是如此，而且也做了热工计算，计算公式见式 (1)。

式中：

T0，Tw，Tce，Tsa，Tg——分别为混凝土拌合物、水、水泥、砂子和石子的温度，℃；

mw，mce，msa，mg——分别为水、水泥、砂子和石子的用量，kg；

wsa，wg——分别为砂子和石子的含水率，%；

c1——水的比热容，kJ/(kg·℃) 或 kJ/(kg·K)；

c2——水的溶解热，kJ/kg。

当骨料温度大于 0℃ 时：c1=4.2；c2=0。

当骨料温度小于或等于 0℃ 时：c1=2.1；c2=335。

显然，这个计算没有问题，冬季夏季施工都适用。但问题在哪里？问题在于这个算式是最终稳定状态的混凝土温度计算式，但传热过程是非稳态的。问题的核心就出在这。

做好冬季（或冬期）施工，必要的热力学知识还是要了解一些。

单位质量的某种物质温度升高 1℃ 吸收的热量叫做这种物质的比热容，简称比热。水在液态情况下，比热容为 4.2kJ/(kg·℃)，砂石的比热容为 0.92kJ/(kg·℃) 左右，水的比热容是砂石的 4～5 倍，所以，当需要保障混凝土出机温度时一般选择加热拌合水，既经济又有效。

接下来我们有必要了解一下，搅拌机里的传热过程。

冬季施工时砂石温度低，而水温度高，搅拌过程中水在降温，砂石在升温。夏季施工反之。

由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散（热传导），并不断地随流体的流动而被带到下游（热对流），因而对流换热过程是热对流与导热的综合作用的结果。图 1 是水温低于固壁的情形。

图1 固体表面的流体速度和温度分布

当具有粘性且能润湿壁的流体流过石子表面时，由于粘滞力的作用，使靠近石子表面附近的流体速度降低，直至紧贴壁面处的流体速度为零，此处流体的速度和温度梯度最大，这个区域称为边界层，边界层以内通过导热传输热量，边界层以外靠对流。

边界层内的速度分布如图 2。

图2 边界层内的速度分布

图3 边界层的变化

根据流体力学，在沿水流动方向随着边界层厚度的增加，边界层内部粘滞力和惯性力的对比向着惯性力相对强大的方向变化，促使边界层内的流动变得不稳定起来。经过一定距离起，流动朝着湍流过渡，就是过渡区，最终过渡为湍流。此时流体质点作着紊乱的不规则脉动，故称湍流边界层，但其最底层由于粘性作用还保持着层流，即层流底层，强制搅拌加强了对流换热。

前面讲的是石子表面与水之间的热量传输过程，接下来是石子内部的导热，也就是核心区域与边界部分的热传导。

衡量固体与边界层内水导热效果的参数为热传导系数。热传导系数表示的是流体或物体与物体之间，单位时间单位面积上的传热量，具体是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为 1℃，在 1 秒内，通过 1 平方米面积传递的热量；衡量石子内部由于温差的存在产生热扩散的参数是热扩散率，热扩散率又叫导温系数，热扩散率表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力，相当于物体的蓄热能力，热扩散系数越大表示热惯性越小，物体达到与周围环境热平衡的状态越快。

热扩散率 α＝热传导率/(密度×定压比热容)，其中，分母表示容积热容。这个综合物性参数对稳态导热没有影响，但是在非稳态导热过程中，它是一个非常重要的参数。对于瞬态非稳态导热，α 越大，意味着不规则情况阶段和正常情况阶段所需时间越短，即加热或冷却过程所需时间越短。对于周期性非稳态导热，α 越大则意味着温度波衰减及时间延迟程度越小，传播速度越快。

也即是说，如果骨料的 α 值小，骨料在热水中吸热能力弱，水温降温就慢，反之亦然。

表1 中国科学院实测岩石标本热扩散率

对流换热是流体流过固体壁面且由于其与壁面间存在温差时的热量传递现象，它与流体的流动机理密不可分；同时，由于导热也是物质的固有本质，因而对流换热是流体的宏观热运动（热对流）与流体的微观热运动（导热）联合作用的结果。

换热的影响因素：流体热物性（如导热系数、粘度等）、流体流态和流速、温差、几何因素等等。对流换热的表面传热系数为一过程量，而不像导热系数 λ 那样是物性参数。

抛开繁琐的公式，概括到骨料与拌合水的热传递影响因素就是搅拌时间越长，热交换越充分；搅拌力度越大热交换越充分；骨料本身的热扩散率越大热交换越充分，温度场达到平衡的时间就越短！

回到文章开头的冬季施工，混凝土出机坍落度损失大，原因是砂石与热水搅拌时间不够，投料时间差小了，水温还没有降下太多，延长搅拌时间后，这个问题得以解决。

冬季施工投料顺序和时间控制可参考图 4。

图4 混凝土拌合冬季投料顺序