一個冬施中質(zhì)量問題引發(fā)的深度思考

聞寶聯(lián)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，北京 100024）

近期給某企業(yè)做了一次混凝土冬季施工培訓(xùn)，培訓(xùn)后交流，實驗室主任給我提了一個問題：最近進入冬施后，混凝土坍落度損失突然變大，百思不得其解。老實說我也感到意外，這不太符合常理。冬施混凝土的投料順序是要先投砂石再投水攪拌然后粉料外加劑，他們說也是如此，而且也做了熱工計算，計算公式見式 (1)。

式中：

T0，Tw，Tce，Tsa，Tg——分別為混凝土拌合物、水、水泥、砂子和石子的溫度，℃；

mw，mce，msa，mg——分別為水、水泥、砂子和石子的用量，kg；

wsa，wg——分別為砂子和石子的含水率，%；

c1——水的比熱容，kJ/(kg·℃) 或 kJ/(kg·K)；

c2——水的溶解熱，kJ/kg。

當骨料溫度大于 0℃ 時：c1=4.2；c2=0。

當骨料溫度小于或等于 0℃ 時：c1=2.1；c2=335。

顯然，這個計算沒有問題，冬季夏季施工都適用。但問題在哪里？問題在于這個算式是最終穩(wěn)定狀態(tài)的混凝土溫度計算式，但傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)的。問題的核心就出在這。

做好冬季（或冬期）施工，必要的熱力學(xué)知識還是要了解一些。

單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高 1℃ 吸收的熱量叫做這種物質(zhì)的比熱容，簡稱比熱。水在液態(tài)情況下，比熱容為 4.2kJ/(kg·℃)，砂石的比熱容為 0.92kJ/(kg·℃) 左右，水的比熱容是砂石的 4～5 倍，所以，當需要保障混凝土出機溫度時一般選擇加熱拌合水，既經(jīng)濟又有效。

接下來我們有必要了解一下，攪拌機里的傳熱過程。

冬季施工時砂石溫度低，而水溫度高，攪拌過程中水在降溫，砂石在升溫。夏季施工反之。

由于流體粘滯力的作用，使流體在固體壁面上處于不流動的狀態(tài)，所以使流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴散（熱傳導(dǎo)），并不斷地隨流體的流動而被帶到下游（熱對流），因而對流換熱過程是熱對流與導(dǎo)熱的綜合作用的結(jié)果。圖 1 是水溫低于固壁的情形。

圖1 固體表面的流體速度和溫度分布

當具有粘性且能潤濕壁的流體流過石子表面時，由于粘滯力的作用，使靠近石子表面附近的流體速度降低，直至緊貼壁面處的流體速度為零，此處流體的速度和溫度梯度最大，這個區(qū)域稱為邊界層，邊界層以內(nèi)通過導(dǎo)熱傳輸熱量，邊界層以外靠對流。

邊界層內(nèi)的速度分布如圖 2。

圖2 邊界層內(nèi)的速度分布

圖3 邊界層的變化

根據(jù)流體力學(xué)，在沿水流動方向隨著邊界層厚度的增加，邊界層內(nèi)部粘滯力和慣性力的對比向著慣性力相對強大的方向變化，促使邊界層內(nèi)的流動變得不穩(wěn)定起來。經(jīng)過一定距離起，流動朝著湍流過渡，就是過渡區(qū)，最終過渡為湍流。此時流體質(zhì)點作著紊亂的不規(guī)則脈動，故稱湍流邊界層，但其最底層由于粘性作用還保持著層流，即層流底層，強制攪拌加強了對流換熱。

前面講的是石子表面與水之間的熱量傳輸過程，接下來是石子內(nèi)部的導(dǎo)熱，也就是核心區(qū)域與邊界部分的熱傳導(dǎo)。

衡量固體與邊界層內(nèi)水導(dǎo)熱效果的參數(shù)為熱傳導(dǎo)系數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)表示的是流體或物體與物體之間，單位時間單位面積上的傳熱量，具體是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m 厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為 1℃，在 1 秒內(nèi)，通過 1 平方米面積傳遞的熱量；衡量石子內(nèi)部由于溫差的存在產(chǎn)生熱擴散的參數(shù)是熱擴散率，熱擴散率又叫導(dǎo)溫系數(shù)，熱擴散率表示物體在加熱或冷卻中，溫度趨于均勻一致的能力，相當于物體的蓄熱能力，熱擴散系數(shù)越大表示熱慣性越小，物體達到與周圍環(huán)境熱平衡的狀態(tài)越快。

熱擴散率 α＝熱傳導(dǎo)率/(密度×定壓比熱容)，其中，分母表示容積熱容。這個綜合物性參數(shù)對穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱沒有影響，但是在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，它是一個非常重要的參數(shù)。對于瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，α 越大，意味著不規(guī)則情況階段和正常情況階段所需時間越短，即加熱或冷卻過程所需時間越短。對于周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，α 越大則意味著溫度波衰減及時間延遲程度越小，傳播速度越快。

也即是說，如果骨料的 α 值小，骨料在熱水中吸熱能力弱，水溫降溫就慢，反之亦然。

表1 中國科學(xué)院實測巖石標本熱擴散率

對流換熱是流體流過固體壁面且由于其與壁面間存在溫差時的熱量傳遞現(xiàn)象，它與流體的流動機理密不可分；同時，由于導(dǎo)熱也是物質(zhì)的固有本質(zhì)，因而對流換熱是流體的宏觀熱運動（熱對流）與流體的微觀熱運動（導(dǎo)熱）聯(lián)合作用的結(jié)果。

換熱的影響因素：流體熱物性（如導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等）、流體流態(tài)和流速、溫差、幾何因素等等。對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為一過程量，而不像導(dǎo)熱系數(shù) λ 那樣是物性參數(shù)。

拋開繁瑣的公式，概括到骨料與拌合水的熱傳遞影響因素就是攪拌時間越長，熱交換越充分；攪拌力度越大熱交換越充分；骨料本身的熱擴散率越大熱交換越充分，溫度場達到平衡的時間就越短！

回到文章開頭的冬季施工，混凝土出機坍落度損失大，原因是砂石與熱水攪拌時間不夠，投料時間差小了，水溫還沒有降下太多，延長攪拌時間后，這個問題得以解決。

冬季施工投料順序和時間控制可參考圖 4。

圖4 混凝土拌合冬季投料順序