混凝土水管冷卻布置方式實驗探討

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(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

0 引 言

大型混凝土在現實中的應用越來越廣泛，針對混凝土裂縫這個問題，很多專家學者也進行了深入的研究和探索，比如朱伯芳等人。他們不僅在軟件方面通過程序模擬混凝土內部的溫度場，而且在理論方面也進行了充分的計算，得出了冷卻水溫，通水流量，水管管徑，對混凝土散熱的影響規律。但是他們都是從理論的角度進行論證，沒有經過實際的實驗。文中便通過實驗的手段針對冷卻水管布置方式進行了驗證，而且也進行了添加相變材料的效果比較，并得出了相應的結論。

1 研究背景

水泥水化過程產生大量水化熱，同時混凝土導熱系數較低，故熱量不容易散發，結構內部快速升溫后緩慢降溫，形成較大的溫度梯度，容易產生裂縫。一旦裂縫產生，將嚴重影響結構的安全、美觀、抗滲和耐久性等。基于此，關于大體積混凝土水化熱方面的研究一直為工程結構界所關注[1-2]。

對于大體積混凝土結構的研究，在土木工程領域已比較多，而在工業與民用建筑、橋梁工程中，研究較少。在土木工程中混凝土體積相對較小，但是并不代表混凝土的溫度應力可以忽略，為了保證結構的安全，有必要對此問題進行研究，從而找出一些可行的方法或措施來解決混凝土水化熱過程會存在的問題。水管冷卻在施工中已經逐漸使用，但學者們的研究都在理論上分析，本文通過實際的實驗和數據來探討水管布置單管和蛇形管的效果差別[3-4]。

2 實 驗

2.1 水泥試件

選取水化熱較多的C50型號的混凝土，試件各個原料的配比水泥20.9%，砂30.0%，中石子32.6%，小石子15.9%，水2.6%。添加相變材料試件另加200 g三水合乙酸鈉。

2.2 構件型號

采用35×19×19 mm的塑料透明整理箱裝混凝土制塊進行試驗測量，為了模擬大型混凝土內部水化熱溫度變化情形，在整理箱內側用橡塑保溫，為了試驗中進行比較，同時澆注四個混凝土塊：第一塊混凝土塊中在塑料箱中部放一根內徑8 mm導熱系數為22 J/(m·s·k)的康銅管；第二塊混凝土塊中放兩根相同的康銅管；第三塊(1號)在澆筑前在混凝土加入相變材料三水合乙酸鈉并混合均勻，第四塊(2號)中不加任何其他東西做為對照組。

2.3 測點布置

四組混凝土塊在澆筑過程中用內徑為10 mm的塑料管布置好測點，每塊混凝土塊布置兩個測點，并且四組的測點位置相同，每塊混凝土的第一個測點布置在混凝土的中心，第二個測點布置在距離邊10 cm處。3.1.5測量工具

2.4 實驗設備

這次試驗采用wzp型號pt100的鉑熱電阻測量混凝土內部的溫度變化，用與熱電阻相匹配的XMT-102數顯調節儀顯示溫度。

2.5 試驗步驟

(1)粘貼保溫材料。冷卻水管穿插位置打孔。

(2)預連接管路。為保證混凝土澆灌完成后能夠盡快進行測量試驗，需提前將其他設備準備就緒。恒溫水浴：在水浴內注滿自來水，調節到設計的溫度，并開啟電源。循環水泵：在水泵出口處安裝閥門管件，使其有兩個出口能夠同時供水，將水泵浸入恒溫水浴中，暫不接電(通電后即運行)。膠管：用膠管連接各個設備，水在膠管中流通，從水泵的兩端分別引出一根膠管準備和冷卻水管連接，為其通水冷卻。

(3)配置混凝土。試驗采用C50混凝土，根據計算好的配比，對各種原料稱重，并放入混凝土攪拌機中攪拌，將攪好的混凝土灌入保溫箱中，送到實驗地點。

(4)預埋測溫套管。冷卻套管為一種空心管，目的為方便測溫熱電偶插入測溫，位置如之前設計點，并用保溫材料蓋上蓋。

(5)連接管路。將雙管試件的一段用膠管連接以模仿蛇形布置，另一端為進出水管。循環水泵一端引出管接單管試件的一端，試件另一端出口直接引回恒溫水浴循環。循環水泵另一端引出管接雙管試件的一端，試件另一端出口直接引回恒溫水浴循環。

(6)接通水泵電源，水泵運行，水開始在管內流動。試驗正常進行。

(7)數據測量。測量時將熱電偶插入測溫套管中，觀察儀表數值變化，待溫度值穩定后記錄數據。

(8)每間隔半小時測量一次，對4個試件8個測溫點都需測量，持續測量24 h，并依此記錄數據。

(9)試驗結束后，關閉電源，將設備管件依此拆除，實驗試件及設備裝好存放。

(10)整理數據，并進行分析。

2.6 實驗數據分析

2.6.1 總體分析

將實驗數據按照時間溫度繪制成圖表，變化規律如圖1所示。

圖1 所有測點溫度時間變化圖

由圖1整體上看，布置單管和布置蛇形雙管的試件經歷開了一個溫度逐漸升高又逐漸降低的過程，大約在16 h的時候溫度達到峰值，最后逐漸下降且下降梯度較小。

1號添加相變材料試驗塊和空白對照試驗塊在22 h內一直處于上升階段，但上升速度很慢，可以推測這兩個試件也即將達到溫度峰值并緩慢降溫，且峰值比布置水管時峰值要高。

可以看出布置冷卻水管，可以促進混凝土的水化熱釋放，縮短混凝土的度時級，是混凝土在同一時刻成熟度更高。

添加相變材料的試件在11 h后溫度開始明顯低于空白對照試件且坡度變緩。

2.6.2 單管和蛇形管的比較

(1)兩個試件中間溫度的差異

溫度時間變化如圖2所示。

圖2 單管和蛇形管中部溫度時間變化圖

由圖2可以看出在18 h之前。雙管中部的溫度一直高于單管中部溫度，18 h后兩個溫度基本持平。

對于這個現象是和理論基本一致的，布置蛇形雙管中部溫度高是由溫度測點的布置位置導致的，雙管試件的中部測點位置在兩管中間而中部單管布置的試件中部溫度測點在水管旁邊，故單管中部測點距離水管的距離要更近一點，冷卻水管可以通過換熱降低周圍混凝土的溫度，所以單管中部的溫度會偏低。18 h后，兩個溫度都下降緩慢基本持平。

(2)兩個試件側邊溫度的差異

溫度時間變化如圖3所示。

圖3 單管和蛇形管側邊溫度時間變化圖

由圖3可以看出，在溫度達到溫度峰值之前，雙管側邊的溫度是高于單管側邊溫度的，從測點距離水管的距離來看，雙管側邊測點位置距離水管是近的，理論上溫度應該低，可是試驗數據證明這是錯誤的，也就是說布置雙管試件在側邊體現出的散熱效果是不如單管的，可以初步得出結論，蛇形布置雙管并不如單管布置效果好。下面進行分析解釋。

在相同的實驗條件下，單管和蛇形雙管有相同的入口溫度，但是流體在其中的流程是不同的，一定入口溫度的流體進入水管后會吸收混凝土水化熱從而自身溫度升高，所以流體越往后溫度越高，當經過第一根管后到達第二根時流體溫度已經上升了，也就降低了其冷卻效果，從而導致側邊的溫度還要高于單管試件側邊的溫度。

以上可以證明，蛇形管布置方式在換熱效果上是不如單管布置的。

(3)添加相變材料對混凝土水化熱的影響

如圖4和圖5分別為兩個試件中部溫度和側邊溫度的比較。

圖4 相變材料試件中部溫度比較圖

圖5 相變材料試件側邊溫度比較圖

由圖可以看出，1號添加相變材料的試件無論是中部還是側邊的溫度基本上是始終低于空白對照試件的，這就說明添加相變材料后對混凝土的凝固起到了一個副作用，它使得同一時刻的混凝土成熟度變低，也是混凝土的度時級變小。而且從我們實驗的現象來看，添加相變材料后混凝土時發生了反應的并產生了白色泡沫狀物質，這在工程上是絕對不可以的。

得出結論，添加相變材料沒有對混凝土水化熱散熱起到良好的效果，由于實驗可能不夠完善，但也可以初步得出結論，混凝土如果采用添加相變材料促進散熱的話對相變材料的要求也是非常高的。

此外復合相變材料的研究涉及幾個方面的問題,相變熱的大小,化學及物理穩定性,導熱性,制備是否簡單易行。這都和相變材料的制取有關,因此如何選取支撐物及相變材料成了日后研究的主題。為此,要注重以下方面的內容:

(1) 相變材料必須具有大的相變熱,合成后的相變材料也必須就有可以接受的相變熱,即復合相變材料相變熱必須能夠滿足實際應用的要求。

(2) 要具有合適的相變溫度,這里的相變溫度范圍需跟應用要求相一致。

(3) 要具有合適的熱導率,即熱量能夠迅速的傳遞。

(4) 化學物理性質要穩定,即相變過程中復合相變材料不會分解,也不會發生滲漏等現象。相變材料要過冷度小,相變速度快。

(5) 要易于生產,成本要低。

具體來說,就是要研究出一系列成體系的相變材料,要改善支撐物的力學熱學性能,要實現生產工業化,利用大眾化。隨著社會的進步,人們對環境的要求越來越高,選取適合的相變材料來減小混凝土的水化熱并且不影響它的性能必將得到廣泛的應用。

3 結 論

通過以上對數據的分析可以大體得到以下結論：

在蛇形管布置和單管布置中，單管布置的效果是好于蛇形管的，考慮到工程中施工問題不宜設置太多入水口，但也要盡量減少蛇形管的長度，從而兩者結合達到更好的效果。

添加相變材料并非可以很好的吸收混凝土水化熱而不造成其他的影響，實驗中就產生了排斥造成了副作用，因此可以證明對于化學變化是非常嚴謹的，工程中如果要采用相變材料，對材料的要求是極度苛刻的。會超過其成本不會帶來好的效益。

[1] 朱伯芳.聚乙烯冷卻水管的等效間距[J].水利水電技術，2002．

[2] 馬云龍，賈艷敏，嚴古龍.預應力混凝土T型梁水化熱溫度測試與分析[J].森林工程，2014，39(2)：130-134.

[3] 朱伯芳.考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導方程[J].水利學報，1996．

[4] 朱伯芳.大體積混凝土非金屬水管冷卻的降溫計算[J].水利發電，1996．