冬季混凝土施工措施及混凝土溫度熱工計算

徐兵安

中鐵十二局集團(tuán)京滬高鐵項目部九項目部地處安徽省宿州欄桿鎮(zhèn)，毗鄰江蘇省徐州市，冬季歷史最低氣溫－17℃，2001年～2008年冬季平均氣溫2.84℃。項目部施工任務(wù)為京滬高速鐵路土建Ⅳ標(biāo)段DK721+570～DK733+997，位于濉河特大橋979號～1 363號墩間;該段大橋跨越山閔路和二徐路;跨越奎河。管段重點為DK721+570～DK724+980段先期架梁段下部工程施工;難點是979號～982號墩上部1-(33+48+33)m連續(xù)梁。管段基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，直徑1.0 m共382個墩3 104根，單根樁長37 m～56.5 m，直徑1.25 m 共3個墩30 根，單根樁長 51 m ～56.5 m;承臺385個;雙線雙柱墩381個，墩高4 m～10.5 m，圓端實體墩4個，墩高5.5 m～11.5 m;1聯(lián)(33+48+33)m連續(xù)梁。混凝土20萬m3，全部為混凝土工程，為保證工期，冬季進(jìn)行施工。要保

證混凝土質(zhì)量，就必須保證混凝土在達(dá)到抗凍強(qiáng)度之前不受凍，項目部采取多種措施。

1 保溫措施

1.1 材料

1)集料的加熱和保溫。集料已經(jīng)用高寒地區(qū)軍用保溫材料搭設(shè)封閉的保溫棚，加熱采用高寒地區(qū)軍用加熱用的暖風(fēng)機(jī)和蜂窩煤爐，集料溫度按6:00，14:00，22:00測溫，根據(jù)測溫記錄，集料溫度基本保證在8℃以上。

2)水。水池采用隔熱材料全封閉，防止熱量的損失;采用電熱管加熱，一共8根10 kW電熱管，每秒熱功率80 kW，每小時熱功2.88×105kJ，每小時拌合站攪拌混凝土15 m3，每立方米混凝土用水量按150 kg計算，每小時用水量2 250 kg，水比熱為4.287 kJ/(kg·K)，理論上可以加熱使水溫升高29.6℃，水池補充水直接用地下水，經(jīng)測溫，地下水溫度為6℃～7℃，考慮攪拌等待時間電熱管加熱和散熱持平，水溫可以保持在30℃以上，測溫頻次同集料，根據(jù)測溫記錄，水溫近期保持在35℃以上。

3)水泥、礦粉、粉煤灰。我工區(qū)為保證冬季施工質(zhì)量，已把四個水泥罐包裹，充分利用水泥出廠的熱量，礦粉、粉煤灰沒有包裹，經(jīng)檢測，水泥攪拌溫度在20℃以上，礦粉、粉煤灰溫度在8℃以上。

4)減水劑。減水劑采用電熱毯加熱，外面棉被包裹，保持溫度在20℃～30℃之間。

1.2 機(jī)械設(shè)備

1)混凝土罐車采用保溫材料全部包裹，防止熱量的損失;2)攪拌樓全封閉，采用蜂窩煤爐加熱，保證拌合機(jī)和拌合過程中的熱量不損失。

1.3 施工過程控制

1)拌合混凝土之前檢測各種材料的溫度，氣溫，根據(jù)冬季施工方案中的熱工計算推導(dǎo)出混凝土出機(jī)溫度T1，根據(jù)運距、拌和樓溫度、氣溫、模板溫度及規(guī)范要求推算求出出機(jī)溫度T2，如果T1＞T2，即可保證混凝土入模溫度，開始攪拌混凝土。2)拌合站檢測混凝土出機(jī)溫度、拌合物性能并記錄。3)現(xiàn)場檢測混凝土溫度、拌合物性能并記錄。制作試件。4)承臺、墩身在澆筑之前用高寒地區(qū)軍用保溫材料包裹模板，用火爐和電鎢燈加熱，保證模板溫度不低于5℃。

1.4 施工后控制

1)澆筑完后承臺、墩身面馬上封閉，用火爐和電鎢燈加熱，保證承臺、墩身不受凍，能夠水化。2)根據(jù)規(guī)范要求檢測承臺、墩身養(yǎng)護(hù)溫度，并作記錄。3)根據(jù)同條件混凝土強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度滿足規(guī)范要求和能夠抵抗凍蝕破壞拆模，用塑料膜進(jìn)行包裹。

2 混凝土熱工計算

物質(zhì)的比熱(比熱容C):是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即是單位質(zhì)量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內(nèi)能。熱工計算溫度采用開氏溫度，開氏溫度與攝氏溫度基準(zhǔn)不一樣，但同樣物體吸收或放出相同熱量，采用開氏溫度與攝氏溫度，改變溫度值是一致的。

混凝土比熱(C):單位質(zhì)量的混凝土，其溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量，其比熱由混凝土中所用材料質(zhì)量及對應(yīng)材料的比熱和比熱容的乘積累加，前提假設(shè)短時間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

我工區(qū)C35新拌混凝土拌合物熱工計算見表1。

表1 C35每立方米混凝土熱工計算

每立方米混凝土比熱C:

2.1 冬季混凝土拌合物溫度計算

原理:假設(shè)不往外界散熱或吸熱(比外界溫度高的材料放熱、比外界溫度低的材料吸熱)，也不考慮混合物體時不同物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)作用時產(chǎn)生吸收熱量或放出熱量的情況下(混凝土拌合過程應(yīng)該是產(chǎn)生熱量)，混合物體中，混合前的高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量。

假設(shè)C35混凝土拌合物在拌合過程中熱量交換達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度穩(wěn)定時的溫度為T0，考慮水0℃以下是冰，在冰融化過程中發(fā)生熵變，即由0℃冰變成0℃水要吸收熱量，反之，要放出熱量，根據(jù)原理，即有:

1)假設(shè)骨料不含固態(tài)水，含液態(tài)水，測試材料溫度，可以計算混凝土出機(jī)溫度T0:

其中，mce，msa，mg，mf，mw，mkf分別為水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、礦粉的施工實際用量，kg;Tce，Tsa，Tg，Tf，Tw，Tkf分別為水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、礦粉的溫度，℃;wsa，wg分別為砂、碎石含水率，%。

換算:

2)假設(shè)骨料不含固態(tài)水，含液態(tài)水，測試不包括水的其他材料溫度，根據(jù)規(guī)范要求的混凝土出機(jī)溫度，可以計算水要求加熱的溫度Tw:

3)假設(shè)骨料含固態(tài)水，也就是冰，冰發(fā)生熵變的溶解熱為335 kJ/(kg·K)。冰的比熱為2.1 kJ/(kg·K)，測試材料溫度，可以計算混凝土出機(jī)溫度T0:

換算:

4)假設(shè)骨料含固態(tài)水，也就是冰，冰發(fā)生熵變的溶解熱為335 kJ/(kg·K)。冰的比熱為2.1 kJ/(kg·K)，測試不包括水的其他材料溫度，根據(jù)規(guī)范要求的混凝土出機(jī)溫度，可以計算水要求加熱溫度Tw:

其中，mce，msa，mg，mf，mw，mkf分別為水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、礦粉的施工實際用量，kg;Tce，Tsa，Tg，Tf，Tw，Tkf分別為水泥、砂、碎石、粉煤灰、水、礦粉的溫度，℃;wsa，wg分別為砂、碎石含水率，%。

由于計算量大，可以用xls.表格編程進(jìn)行計算。

各種材料用量及溫度(預(yù)設(shè)氣溫為0℃、骨料含液態(tài)水)情況見表2。

表2 各種材料用量及溫度情況

實際用料水泥、粉煤灰、礦粉用量不變。

砂子msa=723 kg;石子mg=1 098 kg;水mw=105 kg。

根據(jù)式(1):C35混凝土拌合物溫度T0=13.8℃ ＞5℃。

2.2 C35混凝土拌合物出機(jī)溫度T1

其中，Ti為攪拌棚內(nèi)溫度，℃，設(shè)定為0℃。

2.3 C35混凝土拌合物經(jīng)運輸?shù)綕仓r的溫度T2

其中，α為溫度損失系數(shù)，h－1，當(dāng)用混凝土攪拌車運輸時，α=0.25 h－1;t1為混凝土拌合物自運輸?shù)綕仓r的時間，h，設(shè)定混凝土運輸為30 min;n為混凝土拌合物運轉(zhuǎn)次數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場測試，混凝土攪拌運輸車運轉(zhuǎn)2次;Ta為混凝土拌合物運輸時環(huán)境溫度，℃，設(shè)定為0℃。

根據(jù)上面的關(guān)系，可以推導(dǎo)出混凝土拌合物T0與入模溫度T2及氣溫Ta，運輸時間t1、運轉(zhuǎn)次數(shù)n攪拌棚內(nèi)溫度之間的關(guān)系:

根據(jù)要求入模溫度及氣溫Ta，運輸時間t1、運轉(zhuǎn)次數(shù)n攪拌棚內(nèi)溫度，即可計算拌合物溫度。

2.4 C35混凝土澆筑成型完時的溫度T3

其中，T3為考慮模板和鋼筋吸熱影響，混凝土成型完成時的溫度，℃;cc為混凝土的比熱容，kJ/(kg·K)，根據(jù)上述計算cc為0.97 kJ/(kg·K);cf為模板的比熱容，kJ/(kg·K)，資料查找 cf為0.48 kJ/(kg·K);cs為鋼筋的比熱容，kJ/(kg·K)，資料查找cs為0.48 kJ/(kg·K);mc為每立方米混凝土重量，kg，根據(jù)上述計算mc為2 326 kg;mf為每立方米混凝土相接觸模板的重量，kg，設(shè)定每立方米混凝土相接觸模板的重量mf為200 kg;ms為每立方米混凝土相接觸鋼筋的重量，kg，設(shè)定每立方米混凝土相接觸模板的重量mf為100 kg;Tf，Ts分別為模板、鋼筋的溫度，未預(yù)熱時可采用當(dāng)時的環(huán)境溫度，℃，設(shè)定為0℃。

結(jié)論:T3＞5℃，混凝土初始養(yǎng)護(hù)溫度滿足要求。

經(jīng)拌合用水加熱升溫至60℃的混凝土熱工計算后，上述各項溫度都滿足《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標(biāo)準(zhǔn)》。

熱工計算，對冬季施工控制混凝土溫度、保證混凝土質(zhì)量，起到了很好的指導(dǎo)作用。本項目結(jié)構(gòu)物混凝土強(qiáng)度在交工驗收時，實測強(qiáng)度全部滿足設(shè)計要求。

[1]文雪峰.冬期混凝土施工溫度控制技術(shù)[J］.山西建筑，2009，35(8):144-145.