混凝土出機(jī)溫度控制技術(shù)研究

王延輝，劉學(xué)峰，張吉光，馬近晗，李海龍

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土出機(jī)溫度控制技術(shù)研究

王延輝，劉學(xué)峰，張吉光，馬近晗，李海龍

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土攪拌站在生產(chǎn)混凝土的過(guò)程中，環(huán)境溫度對(duì)混凝土出機(jī)溫度影響較大，本文從規(guī)范入手，重點(diǎn)探討混凝土出機(jī)和入模溫度的各種影響因素，進(jìn)而提出了控制混凝土出機(jī)溫度的溫控模型，并通過(guò)案例驗(yàn)證了溫控模型的實(shí)用性。

大體積混凝土；出機(jī)溫度；入模溫度；熱工計(jì)算；溫控模型

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一些事關(guān)國(guó)計(jì)民生的大型、特大型建設(shè)項(xiàng)目陸續(xù)上馬，這類(lèi)工程的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是采用大體積混凝土施工且工期較長(zhǎng)，如核電站等建設(shè)項(xiàng)目，工期往往十幾年甚至更長(zhǎng)。

由于施工工期長(zhǎng)，跨越冬季、夏季不可避免，施工溫度跨度大，因此環(huán)境溫度對(duì)各物料影響進(jìn)而對(duì)混凝土出機(jī)溫度有較大影響。由于運(yùn)輸、模板等因素使混凝土的拌合物出機(jī)溫度及入模溫度有較大差異，為保證施工質(zhì)量、滿(mǎn)足施工技術(shù)要求，就必須要做好混凝土出機(jī)溫度及入模溫度的控制。

1 影響混凝土出機(jī)溫度和入模溫度因素

根據(jù)混凝土施工工藝流程，影響混凝土溫度的主要因素如下：混凝土拌合物本身的溫度、原材料溫度、大氣環(huán)境溫度、運(yùn)輸車(chē)種類(lèi)及其保溫條件、運(yùn)輸時(shí)間以及模板類(lèi)型、模板溫度等。

混凝土溫度比較重要的節(jié)點(diǎn)溫度有混凝土出機(jī)溫度、入模溫度?；炷脸鰴C(jī)溫度在攪拌站內(nèi)檢測(cè)，入模溫度是在工地現(xiàn)場(chǎng)混凝土灌入模板時(shí)檢測(cè)?；炷恋娜肽囟戎苯佑绊懼嗨艧崴俾省⒒炷恋臏厣约盎炷琉B(yǎng)護(hù)階段的溫度變化，從而引發(fā)裂縫問(wèn)題，因此這兩個(gè)溫度是混凝土結(jié)構(gòu)溫控和裂縫控制的重要參數(shù)。

控制新拌混凝土出機(jī)溫度，首先要控制原材料溫度。在混凝土各組分中，水對(duì)混凝土拌合物溫度影響最大，骨料次之，水泥再次之。

控制混凝土入模溫度，應(yīng)盡量縮短從混凝土出來(lái)到澆筑入模的時(shí)間間隔及減少運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境影響，以減小混凝土溫度升高、坍落度減小及含氣量減少等不利影響。

出機(jī)溫度和入模溫度之間的差值由運(yùn)輸時(shí)間、等待時(shí)間、澆筑時(shí)間和混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)確定。有鑒于此，本文主要探討混凝土出機(jī)溫度及混凝土出機(jī)溫度的溫控模型。

2 建立混凝土溫度計(jì)算的溫控模型

混凝土拌合物的溫度高低與組成材料的溫度等條件有關(guān)，其計(jì)算原理為：水的溫度與砂、石混和之后相互之間熱量的傳送，按照熱力學(xué)理論，每種材料所含熱量等于材料的比熱容、重量及其本身溫度的乘積：

混凝土拌合物溫度按式 (1) 計(jì)算：

式中：

T0、Tce、Ts、Tsa、Tg、Tw——分別為混凝土拌合物、水泥、摻合料、砂子、石子和水的溫度，℃；

mce、ms、msa、mg、mw——分別為水泥、摻合料、砂子、石子和拌合水用量，kg；

ωsa、ωg——砂子和石子的含水率，%；

cw——水的比熱容，kJ/(kg·K)；

ci——冰的溶解熱，kJ/kg。

當(dāng)骨料溫度＞0℃時(shí)：cw=4.2，ci=0；當(dāng)骨料溫度≤0℃時(shí)：cw=2.1，ci=335。

混凝土拌合物出機(jī)溫度按式 (2) 計(jì)算：

式中：

T1——混凝土拌合物出機(jī)溫度，℃；

Tp——攪拌機(jī)棚內(nèi)溫度，℃；

混凝土拌合物的溫度損失按式 (3) 計(jì)算：

式中：

α——每小時(shí)溫度損失系數(shù)；常用取值見(jiàn)表1。

表1 溫度損失系數(shù)

t——混凝土運(yùn)輸至成型的時(shí)間，h；

n——混凝土倒運(yùn)次數(shù)。

混凝土拌合物入模溫度按式 (4) 計(jì)算：

在實(shí)際應(yīng)用中，往往依據(jù)上述溫控模型，由施工技術(shù)要求確定入模溫度，推算混凝土出機(jī)溫度，當(dāng)在自然條件下不能生產(chǎn)出合乎出機(jī)溫度要求的混凝土?xí)r，應(yīng)采取措施減小環(huán)境影響，并通過(guò)調(diào)整拌合水或者骨料的溫度來(lái)組織生產(chǎn)，從而生產(chǎn)出滿(mǎn)足施工技術(shù)要求的混凝土。

目前國(guó)內(nèi)外混凝土攪拌站通用的控制系統(tǒng)適用于對(duì)溫度要求不高的施工環(huán)境，一些對(duì)混凝土溫度要求較高的攪拌站控制系統(tǒng)增加了溫度測(cè)量模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)觀察混凝土生產(chǎn)的環(huán)境溫度，但是控制溫度的解決方案只能根據(jù)各種溫度因素的影響，采用平均溫度或最高溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于大體積混凝土并不能有效地提供智能化的解決方案，如果外界環(huán)境變化導(dǎo)致其中的某種物料的溫度發(fā)生變化，需要人工重新設(shè)計(jì)，從方案調(diào)整看反應(yīng)緩慢，不能及時(shí)有效地進(jìn)行溫度控制，致使混凝土生產(chǎn)過(guò)程中各盤(pán)溫度不一，進(jìn)而可能會(huì)影響整個(gè)大體積混凝土入模溫度，后期可能會(huì)對(duì)混凝土工程項(xiàng)目造成較大的質(zhì)量隱患。

為了解決大體積混凝土施工，加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)過(guò)程的溫度控制，我們根據(jù)熱工計(jì)算建立一套溫控模型，各種邏輯關(guān)系見(jiàn)圖 1。此溫控模型是一種多模式實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)，內(nèi)置多種溫度生產(chǎn)模式，配套多種解決方案，能夠適應(yīng)各種不同溫度的生產(chǎn)施工。

此系統(tǒng)主要由溫度顯示模塊和動(dòng)作執(zhí)行模塊（如升溫或降溫模塊）構(gòu)成，根據(jù)混凝土生產(chǎn)要求的出機(jī)溫度通過(guò)復(fù)雜的后臺(tái)計(jì)算，智能化地做出選擇加熱或制冷措施（虛線(xiàn)內(nèi)模塊），快速、精確提供施工方案，最終的出機(jī)溫度通過(guò)安裝在攪拌機(jī)上的溫度顯示模塊顯示。

3 混凝土溫控模型的應(yīng)用

運(yùn)用混凝土溫控模型可以反推大體積混凝土的溫度解決方案以及配套設(shè)備的需求，提出整套混凝土攪拌站的配套方案，節(jié)約選型時(shí)間，能夠達(dá)到快速、準(zhǔn)確的目的。

下面根據(jù)具體事例來(lái)進(jìn)行分析。

3.1 案例背景

某核電站當(dāng)年規(guī)劃容量為 6 臺(tái) 1000MWe 級(jí)核電機(jī)組。一期工程作為第三代核電技術(shù)引進(jìn)自主化依托項(xiàng)目之一，建設(shè) 2 臺(tái) AP1000 機(jī)組。通過(guò)分析，該工程混凝土總量約 60 萬(wàn)m3，其中核島約 11 萬(wàn) m3，常規(guī)島和電廠配套設(shè)施（Balance of plant，簡(jiǎn)稱(chēng) BOP）約為 24 萬(wàn) m3，海工工程約為25 萬(wàn) m3。入模溫度是 26℃，出機(jī)溫度為 10～22℃，第一罐混凝土澆灌日的混凝土連續(xù)澆筑量約為 5000m3，且澆筑過(guò)程要求混凝土的供應(yīng)量不低于 60m3/h。初步方案配置 3 臺(tái)施維英的 60m3/h立軸行星式攪拌站和 1 臺(tái)國(guó)內(nèi) 150m3/h的攪拌站。

3.2 案例分析

最高環(huán)境溫度如何進(jìn)行出機(jī)溫度的溫控處理？

按年度最高氣溫主要集中在 7、8 月份，經(jīng)查當(dāng)?shù)靥鞖庥涗浺话阕罡邭鉁丶s為 33℃，如何保證在 33℃的高溫條件下滿(mǎn)足出機(jī)溫度為 10～22℃？應(yīng)該采用哪些措施？我們根據(jù)混凝土溫控模型進(jìn)行分析。

首先，以表2 的 C50 混凝土配合比作為計(jì)算的依據(jù)。

表2 某 C50 混凝土配合比

使用混凝土溫控模型進(jìn)行計(jì)算，假定砂含水率是 4%，不計(jì)外加劑量。

在 33℃ 溫度條件下，經(jīng)計(jì)算得到混凝土出機(jī)溫度，見(jiàn)表3。

表3 混凝土出機(jī)溫度 ℃

圖 1 溫控系統(tǒng)模型

按上述數(shù)據(jù)計(jì)算，得到以下結(jié)論：

水泥溫度每降 10℃，出機(jī)溫度降低 1.3℃

粉煤灰溫度每降 10℃，出機(jī)溫度降低 0.3℃

石溫度每降 10℃，出機(jī)溫度降低 3.7℃

砂溫度每降 10℃，出機(jī)溫度降低 2.6℃

水溫度每降 10℃，出機(jī)溫度降低 2℃

這樣看來(lái)如果要保證混凝土出機(jī)溫度為 10～22℃，不能是采用某一種形式，需采用綜合體系來(lái)對(duì)混凝土溫度進(jìn)行控制的復(fù)合體。

按溫控模型進(jìn)行計(jì)算，采用冷水供應(yīng)即使降低 30℃，對(duì)出機(jī)溫度也只是降低 6℃ 而已，那么需要采用加冰形式。根據(jù)表3 的計(jì)算，如果采用 10kg 冰替代 10kg 水的情況下，出機(jī)溫度降低 1.4℃，采用極限增加冰的情況下，按表1 的 C50配方和砂的含水率為 4% 前提下，冰的極限用量為 133.5kg，此時(shí)降溫能夠達(dá)到 13.5℃，混凝土出機(jī)溫度可達(dá)到 22.7℃，仍未能滿(mǎn)足要求，根據(jù)砂石對(duì)混凝土的影響，那么需采用大棚儲(chǔ)存或冷風(fēng)等降溫砂石溫度，可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

實(shí)際上最終該核電站采用的是 3 套施維英 2m3立軸攪拌機(jī)的攪拌站，配置有 2 套流量 18t/d 的冷水機(jī)組和 3 套產(chǎn)冰量為 20t/d 的制冰機(jī)組，另外采用 1 套骨料風(fēng)冷系統(tǒng)共同滿(mǎn)足該核電混凝土要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

混凝土出機(jī)溫度的控制是一個(gè)有機(jī)的整套控制方案，在實(shí)際操作中，通過(guò)溫控模型的建立，可以找到一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)合理的解決方案。同時(shí)通過(guò)溫控模型也可反向計(jì)算出合理的冷水、制冰、加熱設(shè)備的配置方案。此溫控模型通過(guò)和 ERP系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，能夠切實(shí)保障現(xiàn)場(chǎng)管理、生產(chǎn)管理、效益管理，使管理智能化，數(shù)字化，同企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)云結(jié)合，能夠保證數(shù)據(jù)協(xié)同處理，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，為決策層提供技術(shù)依據(jù)，高效管理。同時(shí)建立有效的溫控模型也可為將來(lái)數(shù)字化攪拌站提供了一個(gè)解決思路。

[1] 戴會(huì)生．混凝土攪拌站實(shí)用技術(shù)[M]．北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2014．

[2] 陳向峰．混凝土攪拌站管理使用手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2011．

[3] GB 50496—2012．大體積混凝土施工規(guī)范[S]．

[4] JGJ 55—2000．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]．

[5] 趙華陽(yáng)，王武．海陽(yáng)核電站攪拌站系統(tǒng)分析[J]．電力建設(shè)，2010, 31(4): 86-89．

[6] GB 50164—2011．混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S]．

［通訊地址］江蘇省徐州市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)桃山路 29 號(hào) 徐州徐工施維英機(jī)械有限公司（221000）

王延輝（1970—），男，工程師，現(xiàn)從事攪拌站設(shè)計(jì)工作。