冬季施工，要了解些熱力學

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

前段時間，我在雄安新區講了一天的冬季施工，在講了基本的冬施知識后，重點強調一定要多了解些熱力學知識，這也經常不被大家重視，很多時候在跟著感覺走，規范怎么要求就怎么干，沒重點要求的就一帶而過。其實我們做混凝土，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，冬季施工中更要強調溫控。

先了解下澆筑完的混凝土，在環境之中存在哪些熱量的交換。

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

圖1 混凝土構件與周圍環境的熱交換

圖2 現場墩柱的保溫蓄熱養護

冬季養護首先要避免導熱造成的熱損失，模板的保溫效果一定要好，也就是導熱系數要低，單靠模板不足以保溫時，外面還會增加保溫材料。導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1m 厚的材料，兩側表面的溫差為 1 度（K，℃），在一定時間內，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 給出了相關材料的導熱系數，通常把導熱系數較低的材料稱為保溫材料（我國國家標準規定，凡平均溫度不高于 350℃ 時導熱系數不大于 0.12W/(m·K) 的材料稱為保溫材料），而把導熱系數在 0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。

表1 不同材料導熱系數 W/(m·K)

根據熱力學，穩態下熱傳導傅力葉方程式如下：

其中：Q——散熱量，W；

λ——導熱率，W/(m·K)；

A——散熱面積，m2；

△X——熱量傳遞距離，m；

△T——內外兩側溫度差，K；

R——熱阻值。

圖3 熱傳導示意圖

將上面兩個公式合并，可以得到 R=△X/λ。因為 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、導熱系數低、模板薄、性價比高，當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，則會考慮暖棚（圖 4），這時的模板導熱系數越大就越好了。

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

圖4 預制構件的加熱加濕養護

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

首先取底部 1-1 截面和頂部 2-2 截面作為研究對象分析，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，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 暖棚的煙筒效應示意圖

由（2）式減去（1）式得：

方程左側為兩截面處的壓強差的差值即為暖棚對空氣的吸力，在煙筒效應中成為抽力。

暖棚布把棚內外的氣體隔離了。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入，這樣空氣就從底下被吸入了暖棚。所謂煙筒效應的抽力，就是指進風口內外的壓差。顯然，煙筒越長，壓差越大。

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