冬季施工，要了解些熱力學(xué)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

前段時(shí)間，我在雄安新區(qū)講了一天的冬季施工，在講了基本的冬施知識(shí)后，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一定要多了解些熱力學(xué)知識(shí)，這也經(jīng)常不被大家重視，很多時(shí)候在跟著感覺走，規(guī)范怎么要求就怎么干，沒重點(diǎn)要求的就一帶而過。其實(shí)我們做混凝土，無論春夏秋冬，不外乎在做兩件事：溫度的控制和濕度的控制，自然，冬季施工中更要強(qiáng)調(diào)溫控。

先了解下澆筑完的混凝土，在環(huán)境之中存在哪些熱量的交換。

從圖 1 可以看到，構(gòu)件的唯一熱源是內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱，如果澆筑或拆模后不做任何處理，混凝土直接暴露于環(huán)境之中，因混凝土本身溫度高于環(huán)境，通過對(duì)流與傳導(dǎo)散熱（輻射在這里占比很少），不可避免地會(huì)造成溫度下降，水化緩慢，水化熱不再產(chǎn)生，直至受凍致使強(qiáng)度大損。為了避免這種情況，工地一定會(huì)采取保溫措施，如圖 2。

圖1 混凝土構(gòu)件與周圍環(huán)境的熱交換

圖2 現(xiàn)場(chǎng)墩柱的保溫蓄熱養(yǎng)護(hù)

冬季養(yǎng)護(hù)首先要避免導(dǎo)熱造成的熱損失，模板的保溫效果一定要好，也就是導(dǎo)熱系數(shù)要低，單靠模板不足以保溫時(shí)，外面還會(huì)增加保溫材料。導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m 厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為 1 度（K，℃），在一定時(shí)間內(nèi)，通過 1 平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/(m·K)，此處為 K 可用 ℃ 代替）。表 1 給出了相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，通常把導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料（我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡平均溫度不高于 350℃ 時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不大于 0.12W/(m·K) 的材料稱為保溫材料），而把導(dǎo)熱系數(shù)在 0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。

表1 不同材料導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·K)

根據(jù)熱力學(xué)，穩(wěn)態(tài)下熱傳導(dǎo)傅力葉方程式如下：

其中：Q——散熱量，W；

λ——導(dǎo)熱率，W/(m·K)；

A——散熱面積，m2；

△X——熱量傳遞距離，m；

△T——內(nèi)外兩側(cè)溫度差，K；

R——熱阻值。

圖3 熱傳導(dǎo)示意圖

將上面兩個(gè)公式合并，可以得到 R=△X/λ。因?yàn)?λ值是不變的，可以看得出熱阻 R 值與材料厚度 △X 是成正比的，也就說材料越厚，熱阻越大。

所以模板最理想的選擇是熱阻大、導(dǎo)熱系數(shù)低、模板薄、性價(jià)比高，當(dāng)然工程上還要考慮模板剛度，也不能太薄。

光靠模板本身保溫隔熱不足以保障蓄熱時(shí)，則會(huì)考慮暖棚（圖 4），這時(shí)的模板導(dǎo)熱系數(shù)越大就越好了。

從圖 4 能看出什么問題？熱蒸汽外溢，密封不嚴(yán)，下面吸風(fēng)上面漏風(fēng)，造成濕度和溫度的損失。這里特別有必要了解下煙囪效應(yīng)。煙囪使用中內(nèi)腔的溫度高于周圍溫度，煙囪內(nèi)腔的高溫氣體密度小，周圍環(huán)境的低溫空氣密度大，形成壓力差，產(chǎn)生抽力，所以煙囪中的熱氣流不斷上浮。

圖4 預(yù)制構(gòu)件的加熱加濕養(yǎng)護(hù)

流體力學(xué)中的伯努利方程描述一維理想氣體的機(jī)械能守恒方程，空氣和暖棚中的熱蒸汽可看做是理想流體、不可壓縮流體，質(zhì)量力為重力，流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化為定常流動(dòng)并且是沿流線的一維流動(dòng)，所以符合伯努利方程的應(yīng)用條件。

首先取底部 1-1 截面和頂部 2-2 截面作為研究對(duì)象分析，蒸汽從底部流向頂部的伯努利方程為：

其中，V1和 V2為棚內(nèi)蒸汽速度，z1和 z2為兩截面高度，P1和 P2為兩截面處蒸汽的壓強(qiáng)，ρ蒸為蒸汽密度。

接著研究暖棚外空氣，可看做靜止，V=0，列出伯努利方程：

圖5 暖棚的煙筒效應(yīng)示意圖

由（2）式減去（1）式得：

方程左側(cè)為兩截面處的壓強(qiáng)差的差值即為暖棚對(duì)空氣的吸力，在煙筒效應(yīng)中成為抽力。

暖棚布把棚內(nèi)外的氣體隔離了。暖棚外面的氣體是冷空氣，棚里面的氣體是經(jīng)過加熱的蒸汽，溫度要高得多。溫度越高，密度越小。由于熱蒸汽密度小，要上浮，所以外面的空氣只能從暖棚下邊進(jìn)入，這樣空氣就從底下被吸入了暖棚。所謂煙筒效應(yīng)的抽力，就是指進(jìn)風(fēng)口內(nèi)外的壓差。顯然，煙筒越長(zhǎng)，壓差越大。

煙囪效應(yīng)是暖棚內(nèi)外溫差形成的熱壓及室外風(fēng)壓共同作用的結(jié)果，通常以前者為主，而熱壓值與室內(nèi)外溫差產(chǎn)生的空氣密度差及進(jìn)出風(fēng)口的高度差成正比。這說明，室內(nèi)溫度越是高于室外溫度，暖棚出風(fēng)口越高，煙囪效應(yīng)也越明顯。換句話說，棚內(nèi)溫度越高、漏風(fēng)口越高，熱損失越大。所以，暖棚的密封至關(guān)重要。