冬季混凝土施工措施及混凝土溫度熱工計算

徐兵安

中鐵十二局集團京滬高鐵項目部九項目部地處安徽省宿州欄桿鎮，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℃。項目部施工任務為京滬高速鐵路土建Ⅳ標段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連續梁。管段基礎為鉆孔樁基礎，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(33+48+33)m連續梁。混凝土20萬m3，全部為混凝土工程，為保證工期，冬季進行施工。要保

證混凝土質量，就必須保證混凝土在達到抗凍強度之前不受凍，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。集料已經用高寒地區軍用保溫材料搭設封閉的保溫棚，加熱采用高寒地區軍用加熱用的暖風機和蜂窩煤爐，集料溫度按6:00，14:00，22:00測溫，根據測溫記錄，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。我工區為保證冬季施工質量，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 機械設備

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，根據冬季施工方案中的熱工計算推導出混凝土出機溫度T1，根據運距、拌和樓溫度、氣溫、模板溫度及規范要求推算求出出機溫度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溫度、拌合物性能并記錄。3)現場檢測混凝土溫度、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)根據規范要求檢測承臺、墩身養護溫度，并作記錄。3)根據同條件混凝土強度，混凝土強度滿足規范要求和能夠抵抗凍蝕破壞拆模，用塑料膜進行包裹。

2 混凝土熱工計算

物質的比熱(比熱容C):是單位質量物質的熱容量，即是單位質量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內能。熱工計算溫度采用開氏溫度，開氏溫度與攝氏溫度基準不一樣，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量及對應材料的比熱和比熱容的乘積累加，前提假設短時間不發生化學反應。

我工區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發生物理和化學作用時產生吸收熱量或放出熱量的情況下(混凝土拌合過程應該是產生熱量)，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C35混凝土拌合物在拌合過程中熱量交換達到穩定狀態，即溫度穩定時的溫度為T0，考慮水0℃以下是冰，在冰融化過程中發生熵變，即由0℃冰變成0℃水要吸收熱量，反之，要放出熱量，根據原理，即有:

1)假設骨料不含固態水，含液態水，測試材料溫度，可以計算混凝土出機溫度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)假設骨料不含固態水，含液態水，測試不包括水的其他材料溫度，根據規范要求的混凝土出機溫度，可以計算水要求加熱的溫度Tw:

3)假設骨料含固態水，也就是冰，冰發生熵變的溶解熱為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溫度T0:

換算:

4)假設骨料含固態水，也就是冰，冰發生熵變的溶解熱為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，根據規范要求的混凝土出機溫度，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.表格編程進行計算。

各種材料用量及溫度(預設氣溫為0℃、骨料含液態水)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混凝土拌合物出機溫度T1

其中，Ti為攪拌棚內溫度，℃，設定為0℃。

2.3 C35混凝土拌合物經運輸到澆筑時的溫度T2

其中，α為溫度損失系數，h－1，當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到澆筑時的時間，h，設定混凝土運輸為30 min;n為混凝土拌合物運轉次數，根據現場測試，混凝土攪拌運輸車運轉2次;Ta為混凝土拌合物運輸時環境溫度，℃，設定為0℃。

根據上面的關系，可以推導出混凝土拌合物T0與入模溫度T2及氣溫Ta，運輸時間t1、運轉次數n攪拌棚內溫度之間的關系:

根據要求入模溫度及氣溫Ta，運輸時間t1、運轉次數n攪拌棚內溫度，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，未預熱時可采用當時的環境溫度，℃，設定為0℃。

結論:T3＞5℃，混凝土初始養護溫度滿足要求。

經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量驗收補充標準》。

熱工計算，對冬季施工控制混凝土溫度、保證混凝土質量，起到了很好的指導作用。本項目結構物混凝土強度在交工驗收時，實測強度全部滿足設計要求。

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