混凝土出機溫度控制技術研究

王延輝，劉學峰，張吉光，馬近晗，李海龍

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土出機溫度控制技術研究

王延輝，劉學峰，張吉光，馬近晗，李海龍

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

混凝土攪拌站在生產混凝土的過程中，環境溫度對混凝土出機溫度影響較大，本文從規范入手，重點探討混凝土出機和入模溫度的各種影響因素，進而提出了控制混凝土出機溫度的溫控模型，并通過案例驗證了溫控模型的實用性。

大體積混凝土；出機溫度；入模溫度；熱工計算；溫控模型

0 前言

隨著國民經濟的快速發展，一些事關國計民生的大型、特大型建設項目陸續上馬，這類工程的一個顯著特點就是采用大體積混凝土施工且工期較長，如核電站等建設項目，工期往往十幾年甚至更長。

由于施工工期長，跨越冬季、夏季不可避免，施工溫度跨度大，因此環境溫度對各物料影響進而對混凝土出機溫度有較大影響。由于運輸、模板等因素使混凝土的拌合物出機溫度及入模溫度有較大差異，為保證施工質量、滿足施工技術要求，就必須要做好混凝土出機溫度及入模溫度的控制。

1 影響混凝土出機溫度和入模溫度因素

根據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、大氣環境溫度、運輸車種類及其保溫條件、運輸時間以及模板類型、模板溫度等。

混凝土溫度比較重要的節點溫度有混凝土出機溫度、入模溫度?；炷脸鰴C溫度在攪拌站內檢測，入模溫度是在工地現場混凝土灌入模板時檢測。混凝土的入模溫度直接影響著水泥水化放熱速率、混凝土的溫升以及混凝土養護階段的溫度變化，從而引發裂縫問題，因此這兩個溫度是混凝土結構溫控和裂縫控制的重要參數。

控制新拌混凝土出機溫度，首先要控制原材料溫度。在混凝土各組分中，水對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，應盡量縮短從混凝土出來到澆筑入模的時間間隔及減少運輸過程中的環境影響，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。

出機溫度和入模溫度之間的差值由運輸時間、等待時間、澆筑時間和混凝土轉運次數確定。有鑒于此，本文主要探討混凝土出機溫度及混凝土出機溫度的溫控模型。

2 建立混凝土溫度計算的溫控模型

混凝土拌合物的溫度高低與組成材料的溫度等條件有關，其計算原理為：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。

當骨料溫度＞0℃時：cw=4.2，ci=0；當骨料溫度≤0℃時：cw=2.1，ci=335。

混凝土拌合物出機溫度按式 (2) 計算：

式中：

T1——混凝土拌合物出機溫度，℃；

Tp——攪拌機棚內溫度，℃；

混凝土拌合物的溫度損失按式 (3) 計算：

式中：

α——每小時溫度損失系數；常用取值見表1。

表1 溫度損失系數

t——混凝土運輸至成型的時間，h；

n——混凝土倒運次數。

混凝土拌合物入模溫度按式 (4) 計算：

在實際應用中，往往依據上述溫控模型，由施工技術要求確定入模溫度，推算混凝土出機溫度，當在自然條件下不能生產出合乎出機溫度要求的混凝土時，應采取措施減小環境影響，并通過調整拌合水或者骨料的溫度來組織生產，從而生產出滿足施工技術要求的混凝土。

目前國內外混凝土攪拌站通用的控制系統適用于對溫度要求不高的施工環境，一些對混凝土溫度要求較高的攪拌站控制系統增加了溫度測量模塊，能夠實現自動觀察混凝土生產的環境溫度，但是控制溫度的解決方案只能根據各種溫度因素的影響，采用平均溫度或最高溫度進行設計，對于大體積混凝土并不能有效地提供智能化的解決方案，如果外界環境變化導致其中的某種物料的溫度發生變化，需要人工重新設計，從方案調整看反應緩慢，不能及時有效地進行溫度控制，致使混凝土生產過程中各盤溫度不一，進而可能會影響整個大體積混凝土入模溫度，后期可能會對混凝土工程項目造成較大的質量隱患。

為了解決大體積混凝土施工，加強混凝土生產過程的溫度控制，我們根據熱工計算建立一套溫控模型，各種邏輯關系見圖 1。此溫控模型是一種多模式實時溫控系統，內置多種溫度生產模式，配套多種解決方案，能夠適應各種不同溫度的生產施工。

此系統主要由溫度顯示模塊和動作執行模塊（如升溫或降溫模塊）構成，根據混凝土生產要求的出機溫度通過復雜的后臺計算，智能化地做出選擇加熱或制冷措施（虛線內模塊），快速、精確提供施工方案，最終的出機溫度通過安裝在攪拌機上的溫度顯示模塊顯示。

3 混凝土溫控模型的應用

運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備的需求，提出整套混凝土攪拌站的配套方案，節約選型時間，能夠達到快速、準確的目的。

下面根據具體事例來進行分析。

3.1 案例背景

某核電站當年規劃容量為 6 臺 1000MWe 級核電機組。一期工程作為第三代核電技術引進自主化依托項目之一，建設 2 臺 AP1000 機組。通過分析，該工程混凝土總量約 60 萬m3，其中核島約 11 萬 m3，常規島和電廠配套設施（Balance of plant，簡稱 BOP）約為 24 萬 m3，海工工程約為25 萬 m3。入模溫度是 26℃，出機溫度為 10～22℃，第一罐混凝土澆灌日的混凝土連續澆筑量約為 5000m3，且澆筑過程要求混凝土的供應量不低于 60m3/h。初步方案配置 3 臺施維英的 60m3/h立軸行星式攪拌站和 1 臺國內 150m3/h的攪拌站。

3.2 案例分析

最高環境溫度如何進行出機溫度的溫控處理？

按年度最高氣溫主要集中在 7、8 月份，經查當地天氣記錄一般最高氣溫約為 33℃，如何保證在 33℃的高溫條件下滿足出機溫度為 10～22℃？應該采用哪些措施？我們根據混凝土溫控模型進行分析。

首先，以表2 的 C50 混凝土配合比作為計算的依據。

表2 某 C50 混凝土配合比

使用混凝土溫控模型進行計算，假定砂含水率是 4%，不計外加劑量。

在 33℃ 溫度條件下，經計算得到混凝土出機溫度，見表3。

表3 混凝土出機溫度 ℃

圖 1 溫控系統模型

按上述數據計算，得到以下結論：

水泥溫度每降 10℃，出機溫度降低 1.3℃

粉煤灰溫度每降 10℃，出機溫度降低 0.3℃

石溫度每降 10℃，出機溫度降低 3.7℃

砂溫度每降 10℃，出機溫度降低 2.6℃

水溫度每降 10℃，出機溫度降低 2℃

這樣看來如果要保證混凝土出機溫度為 10～22℃，不能是采用某一種形式，需采用綜合體系來對混凝土溫度進行控制的復合體。

按溫控模型進行計算，采用冷水供應即使降低 30℃，對出機溫度也只是降低 6℃ 而已，那么需要采用加冰形式。根據表3 的計算，如果采用 10kg 冰替代 10kg 水的情況下，出機溫度降低 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，此時降溫能夠達到 13.5℃，混凝土出機溫度可達到 22.7℃，仍未能滿足要求，根據砂石對混凝土的影響，那么需采用大棚儲存或冷風等降溫砂石溫度，可滿足生產要求。

實際上最終該核電站采用的是 3 套施維英 2m3立軸攪拌機的攪拌站，配置有 2 套流量 18t/d 的冷水機組和 3 套產冰量為 20t/d 的制冰機組，另外采用 1 套骨料風冷系統共同滿足該核電混凝土要求。

5 結束語

混凝土出機溫度的控制是一個有機的整套控制方案，在實際操作中，通過溫控模型的建立，可以找到一個較為經濟合理的解決方案。同時通過溫控模型也可反向計算出合理的冷水、制冰、加熱設備的配置方案。此溫控模型通過和 ERP系統的有機結合，能夠切實保障現場管理、生產管理、效益管理，使管理智能化，數字化，同企業物聯網、互聯網云結合，能夠保證數據協同處理，進行遠程控制，為決策層提供技術依據，高效管理。同時建立有效的溫控模型也可為將來數字化攪拌站提供了一個解決思路。

[1] 戴會生．混凝土攪拌站實用技術[M]．北京：中國建材工業出版社，2014．

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

[3] GB 50496—2012．大體積混凝土施工規范[S]．

[4] JGJ 55—2000．普通混凝土配合比設計規程[S]．

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

[6] GB 50164—2011．混凝土質量控制標準[S]．

［通訊地址］江蘇省徐州市經濟開發區桃山路 29 號 徐州徐工施維英機械有限公司（221000）

王延輝（1970—），男，工程師，現從事攪拌站設計工作。