大体积混凝土骨料预冷技术的应用

兰宇

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 概述

大体积混凝土在现代工程建设，尤其是水利水电建设中占有重要的位置。混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1/10 左右。在钢筋混凝土结构中，拉应力主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力。而大体积混凝土结构通常是不配钢筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量钢筋，而此时的含钢率与巨大的结构断面相比是极低的，如果出现了拉应力就要依靠混凝土自身来承受。

基于上述特点，在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力(如重力坝的设计)或者只出现很小的拉应力，对于自重、水压力等外部荷载，要做到这一点并不困难。但在施工过程和运行期间，在大体积混凝土结构中往往会由于温度的变化而产生很大的拉应力，使结构产生裂缝，从而破坏了结构整体性，降低了结构耐久性，带来较大的危害。因此，对于大体积混凝土来说，温度应力是一个非常重要的荷载，为了防止裂缝产生，保证枢纽建筑物建成后安全运行，必须控制混凝土的温度变化。

对于大体积混凝土温度控制的方法，通常分为：预冷和后冷。

预冷是指通过各种冷却技术降低混凝土原材料以及搅拌过程中的温度，使混凝土的出机口温度满足温度控制的要求。后冷是指通过在坝内预埋冷却水管，待混凝土浇筑后通水冷却。而目前很多工程要求新拌混凝土的温度降到7℃，我国南方和长江中下游地区的大坝工程，混凝土自然拌和温度多在30℃左右，要求降温幅度达20℃-25℃；西南山区河流上游地区的降温幅度一般也在15℃上下。因此，混凝土骨料预冷技术是大体积混凝土浇筑不可或缺的温度控制措施。

而针对大型水利水电工程的大体积混凝土预冷系统，不仅要确保混凝土质量和温度指标达到要求，而且要满足工程进度的需要，具备足够的生产强度。但若预冷技术方案设计不当，则会导致预冷指标达不到预定要求或使资源浪费。本文通过研究混凝土骨料预冷技术，利用球体理论第三边界条件计算不同预冷方案的骨料降温幅度。通过设置不同的冷却介质，利用球体理论第三边界条件，逐一计算计算150mm、80mm 和40mm 粒径的骨料在初始温度、冷却时长以及冷却厚度相同的情况下，风冷和水冷的降温幅度。根据计算结果，为今后大体积混凝土骨料预冷技术方案的拟定提供参考。

2 混凝土骨料预冷基本原理

混凝土原材料的冷却方法：混凝土原材料(组料)主要有粗细骨料、胶凝材料(水泥、粉煤灰)和水。此外还有为改善混凝土性能的各种外加剂。混凝土原材料从其混合那一刻开始，即产生水化反应而改变自身的性能。因此，除液氮、真空法和以冰片代水可以直接在搅拌期间降低混凝土温度外，混凝土预冷就是混凝土原材料的冷却。

2.1 混凝土及其原材料的冷却方法。混凝土及其原材料的冷却方法有直接法和间接法两种，真空和液氮冷却可直接用于水和粗、细骨料的冷却，冷水和冰用制冷剂直接制备；大量的骨料预冷则需通过冷空气和冷水作载冷剂来间接冷却。

降低新拌混凝土温度常用的方法有低温水和以冰片代水拌和混凝土、风冷粗骨料、水冷粗骨料、砂的冷却、液氮冷却、真空冷却粗/细骨料、在热交换器内冷却砂和水泥。

2.2 混凝土原材料冷却对混凝土降温效果的影响。混凝土各组料的用量和比热容不同，其每变化1℃对混凝土降温效果的影响相差很大，主要取决于混凝土的级配和原材料的热学性能。以若干大坝混凝土的级配和原材料热学性能为例，其每变化1℃对混凝土降温的影响范围如表1 所示[1]。

表1 混凝土原材料冷却对混凝土降温的影响范围

由表1 可以得出，混凝土原材料中，骨料每变化1℃，混凝土可降温度范围为0.55℃-0.65℃，冷却骨料造成的降温幅度最显著。

2.3 骨料的冷却机理。无论是骨料的直接冷却还是间接冷却，都是通过与冷源(制冷剂或冷却介质)进行热交换。热交换通常有辐射、对流和热传导三种方式。由于骨料与冷源之间的温差没有数量级的差别，因此骨料冷却一般只考虑对流和热传导两种方式进行热交换。

我国最初介绍骨料冷却的文献是《混凝土坝的冷却》。该书详述了20 世纪30 年代修建的美国胡佛坝的温度控制理论和方法。该书作者把骨料颗粒看作球体浸泡在冰水中，按球体理论的第一边界条件构建数学模型，计算骨料在搅拌机内冷却终温。但是，按第一边界条件计算单颗骨料的冷却，认定骨料表面温度均匀并在冷却过程中恒等于不变的介质温度。这仅在单颗球体全部表面与冷量无限补给的冷却介质接触时才是近似的。胡佛坝所用骨料在搅拌机内，单颗球体不断翻滚，其表面与冰水完全接触，而且由于冰的融解热能充分补给冷量，始终保持冰水温度为0℃，基本符合上述边界条件。

但随着研究的不断深入，我们不难发现，在骨料预冷的过程中，从骨料内部传导到表面的热量必须及时散发，冷却才能持续进行。同时，骨料冷却不仅仅是由内及表的热传导，还存在骨料表面和冷却介质间的对流热交换，因此，骨料表面要有冷却介质的高速流动，才能带走所放出的等量热量，始终保持表面为介质温度。从骨料表面的某一点来看，介质流的流束应沿着该点的切线方向流过，流束内的速度是不均匀的，流束的中心是紊流区，可以认定温度等于介质流的平均温度；但靠近骨料表面的介质流受阻，是流束的层流层。层流层的热导率很低，热阻远远高于骨料本身，把骨料表面和中心流隔离。骨料内部的热量通过表面传递给冷却介质，受到层流层的阻滞，存在相当大的热阻或温差。因此，骨料表面温度无法完全与冷却介质的温度相同。

朱伯芳院士等在《水工混凝土结构的温度应力与温度控制》一书中，引入了第三边界条件的概念，按球体理论第三边界条件计算骨料的相对温差[2](又称残留比)为

式中θm- 骨料冷却终温；θ0- 骨料初始温度；Ji- 取决于毕渥准数Bi 的常数；μi- 球体特征方程的根；FO- 傅里叶准数；α- 骨料热扩散率；τ- 冷却时间；R- 骨料半径；β- 骨料的导热率。

按第三边界条件计算骨料冷却温度，解决了对流换热问题。按照对流换热原理，只有冷却介质不断流动，带走骨料放出的热量，冷却才得以持续进行，骨料冷却必须同时满足热传导和热平衡两个条件。由于骨料以集料的形态在有限的空间冷却，只有很少一部分粒料表面与冷却介质(冷水或冷风)接触，冷却介质自身的温度和热焓(当介质为冷风)也在不断变化，热交换的条件和表面放热系数与流过介质的速度密切相关，因此，翁定伯提出了孔隙流的概念，假设集料是由平均直径为D 的骨料组成，以3 个圆柱体表示骨料断面如图1 所示[3]。

图1 假想骨料圆柱体断面

实际骨料粒径有大有小，排列随机，按均匀等径圆柱体设想的孔隙面积应是最大的。孔隙流类似于管道流，流经孔隙的气流分布不均匀，中心气流为紊流层，接近孔隙表面的气流为层流层。层流层在管壁和中心气流间形成热阻，使得集料表面温度高于冷风温度，速度越高，层流层越薄，热阻越小，孔隙表面温度越接近冷风温度。按第三边界条件，用等量层流层集料热阻的虚拟厚度代替，即以当量厚度(△R)的集料代替层流层，此时集料(虚拟)表面温度即为冷风温度twr。设集料的导热率为，放热系数为β，则单位热流量为q=λ×△t/△R=β×△t。

因此，虚拟层的厚度为△R=λ/β，则虚拟圆柱体的当量直径D0=D+2△R=D+2λ/β[3]。

3 混凝土骨料预冷过程分析对比

骨料预冷的技术方案，主要分为风冷和水冷。风冷的冷源是冷空气，冷却方式有倒仓冷却和连续冷却。水冷有冷水拌和直接降低混凝土温度和用低温水冷却粗骨料两种方法[4]。

3.1 风冷技术方案。骨料的风冷，需要在料仓内进行，目前有倒仓冷却和连续冷却两种方式。

倒仓冷却，是一种骨料用二个料仓，待一个料仓内的骨料完全冷却向料称、搅拌机后，另一料仓的骨料再进行轮换冷却的方式。整个冷却过程，进风口附近的骨料始终接触的是最低温度的空气，顶部骨料则与较高温度的回风进行接触，使上、下料层形成温差。如此一来，整仓骨料完全冷却的时间较长。

连续冷却，是一种骨料只用一个料仓，在冷却的同时，边进料变冷却、连续供应低温骨料的方式。骨料先进先出，即先进入的骨料在下降过程中，不断受到冷风冷却，最早到达仓底，与刚进入的冷风(温度最低的风)相遇，最早离开料仓。整个冷却是动态的，新的底层骨料不断地由上一层骨料补充，无需等全仓骨料都冷透了再供料。虽然仓内骨料温度也不一致(上高下低)，但供给搅拌机的是最底部的骨料，只要底层骨料温度满足要求即可。如此一来，所需冷却时间短、料仓容量小。

根据大体积混凝土浇筑时的实际工程状况分析，骨料风冷的冷却方式常采用连续冷却。

3.2 水冷技术方案。骨料的水冷，是用冷水作载冷剂来冷却骨料。冷却方式有罐内冷却和带式输送机喷淋冷却。其中带式输送机喷淋冷却需要较为开阔的场地，冷透程度不足；而罐冷法布置紧凑，有充分的冷却时间，可将骨料冷透。于是，在结合水电大坝向地形陡峭上游地区发展的新特点，从节能、环保和简化配置等方面考虑，选用罐冷法。

罐冷法有浸泡罐冷法、循环罐冷法、单罐循环冷却法。

浸泡罐冷法是将骨料浸泡在充有冷水的8 个料罐内，隔一定时间放出温水再充冷水冷却，如此反复进行直至到达冷却结束放水。但由于骨料每次浸泡只能和孔隙中的冷水进行热交换，冷却介质与骨料的温差越来越小，冷却速度一次比一次慢；而且排水费时，操作繁复，冷却效率低。

循环罐冷法与浸泡法一样采用8 个料罐，4 个一组轮流倒罐冷却。不同的是，循环罐冷法冷却的程序是先充水、进料、通冷水循环、排水、脱水然后放出骨料。一般先充水1/3后进料，再将冷水从管底进入，顶部溢流。排水时改变水流方向，由罐地排放。循环通水可以是等流量也可以变流量，理论上以吸热与放热速度相平衡为最优。由于冷水不断替换孔隙水，因此，循环罐冷法冷却骨料的速度比浸泡罐冷法快。

单罐循环冷却法与通常的罐冷法不同的是，该法用1 个罐代替8 个小罐，把罐分成数格，直接在罐底设脱水筛，以循环水冷却。单罐循环冷却法进料冷却程序和常规8 罐循环冷却法没有本质区别；但因直接在罐底设置脱水筛脱水，可以不等骨料完全排干即可出料，排水、排料周期缩短，作业环境改善，布置更加紧凑。

根据大体积混凝土浇筑时的实际工程状况分析，水冷的冷却方式常采用单罐循环冷却。

3.3 骨料预冷降温计算。在进行骨料预冷时，无论是采取风冷的连续冷却还是水冷的单罐循环冷却，本质上都是料仓冷却，只是选取的冷却介质不同而已[4]。料仓内的骨料，均是以集料形式存在的，骨料的形状、组成及其运动状态、料仓的结构、孔隙中冷却介质的穿透性态变化情况，与朱伯芳院士等在《水工混凝土结构的温度应力与温度控制》一书中，引入的第三边界条件概念相似。在进行预冷的过程中，料仓的不同部位、不同时期冷却介质的温度都是变化的，计算只好采取分时段、分料层进行。本文算例的初始条件设定为5min 为一时段，0.5m 为一层，骨料的初始温度为28℃，分别计算150mm、80mm 和40mm 粒径的骨料在一小时内各时段的降温幅度。

3.3.1 风冷计算。连续式风冷的冷风，主要由冷风机供给。循环风常规进风速度1.2m/s，进风温度为0℃。风冷计算初始条件如表2 所示。

表2 风冷计算初始条件汇总表

以粒径150mm 的骨料为例，第一时段风冷计算结果如下：

(1)由条件可得0.15m 砾石的导热率λ=1.16w/(m·℃)，放热系数β=175w/(m·℃)，密度ρg=1.6t/m3，比热容Cg=0.888kJ/(kg·℃)

(2)当量粒径D0=D+2×λ/β=0.15+2×1.16/175=0.1633

(3)傅里叶准数F0=αfτ/D02=0.03×0.0883/0.16332=0.0993

(4)θ=e-0.0065-2.065Fo=0.809

(5)查表得tw=0℃时，△i=1.53kJ/kg

(6)K=△hρgCg/3600νρατ△i=0.5×1.6×0.88/0.36×1.2×4.187×0.0833×1.53=0.306

一小时内各时段、各粒径的风冷降温幅度如图2 所示。

图2 各时段、各粒径的风冷降温幅度图

3.3.2 水冷计算。单罐循环水冷的冷水，主要由冷水机供给。循环水常规进水速度10m/h，进水温度为3.5℃。水冷计算初始条件如表3 所示。

表3 水冷计算初始条件汇总表

以粒径150mm 的骨料为例，第一时段水冷计算结果如下：

(1) 由条件可得0.150m 砾石的导热率λ=1.16w/(m·℃)，放热系数β=175w/(m·℃)，密度ρg=1.6t/m3，比热容Cg=0.888kJ/(kg·℃)

(2)当量粒径D0=D+2×λ/β=0.15+2×1.16/175=0.1633

(3)傅里叶准数F0=αfτ/D02=0.03×0.0883/0.16332=0.0993

(4)θ=e-0.0065-2.065Fo=0.809

(5)K=△h ρgCg/νρατ=0.5×1.6×0.88/10×4.187×0.0833=0.202

一小时内各时段、各粒径的水冷降温幅度如图3 所示。

图3 各时段、各粒径的水冷降温幅度图

4 结论

从上述计算结果可以看出，冷却介质无论是冷风还是冷水，降温幅度与骨料粒径大小之间均成反比例关系，骨料粒径越大，降温幅度越小，所需冷却时间越长；骨料粒径越小，降温幅度越大，所需冷却时间越短，越接近冷却介质温度。且冷却初期降温速率高，随着骨料预冷时间的增加，当骨料的冷却温度达到某一临界温度时，降温幅度对冷却时长的敏感性逐渐降低。当冷却介质为冷水时，即使冷风温度更低，水冷的降温速率仍高于风冷的降温速率。冷却介质无论是采用冷风还是冷水，骨料温度始终高于冷却介质温度，但在理论上，当冷却介质采用冷风时，只要冷风温度足够低，骨料可降温至0℃以下；当冷却介质采用冷水时，由于冷却介质凝结点的限制，骨料无法降温至0℃以下。

因此，骨料粒径、降温需求和单位时间内的产量，是骨料预冷技术方案拟定的关键因素。针对大型水利水电工程的大体积混凝土预冷系统，不仅要确保混凝土质量和温度指标达到要求，而且要满足工程进度的需要，具备足够的生产强度。