高溫炎熱地區(qū)長(zhǎng)距離運(yùn)輸對(duì)混凝土溫度的影響及防治措施研究

謝濟(jì)安，時(shí)成相

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530299；2.廣西珠委南寧勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 南寧 530007)

大藤峽水利樞紐右岸工程(以下簡(jiǎn)稱“大藤峽右岸工程”)位于廣西桂平，地處低緯地區(qū)，屬于高溫炎熱地區(qū)，壩址處極端最高氣溫39.2℃，全年30℃以上氣溫天數(shù)一般為100～150 d，工程所處的高溫環(huán)境容易導(dǎo)致混凝土運(yùn)輸過程中溫度大幅回升。右岸工程的主體工程由廠房、泄水閘及擋水壩段和魚道等建筑物組成，其混凝土澆筑自2020年4月開始，計(jì)劃到2022年12月結(jié)束。該標(biāo)段混凝土交接地點(diǎn)為已建左岸拌和系統(tǒng)出機(jī)口，需運(yùn)輸至右岸施工區(qū)，混凝土長(zhǎng)距離運(yùn)輸溫度控制要求高。如何控制長(zhǎng)距離運(yùn)輸溫度回升成為高溫炎熱地區(qū)大體積混凝土溫度控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)防止溫度回升的措施及方案的研究具有重大的實(shí)際意義。

針對(duì)高溫季節(jié)大體積混凝土施工運(yùn)輸過程中溫度回升的問題，國(guó)內(nèi)已有諸多研究成果。李恒等[1]提出了混凝土運(yùn)輸時(shí)車輛增加遮陽(yáng)棚、保溫被包裹并用冷水淋濕等措施，有效保證了攪拌運(yùn)輸車溫度穩(wěn)定。韓燕等[2]利用數(shù)值仿真方法分析了夏季澆筑的大壩混凝土的各種運(yùn)輸方式與運(yùn)輸時(shí)間對(duì)混凝土入倉(cāng)溫度的影響，計(jì)算出了混凝土澆筑過程溫度回升情況。孫軍哲等[3]、梅勇等[4]針對(duì)大壩大體積混凝土運(yùn)輸過程中的溫度回升問題對(duì)不同運(yùn)輸方式的溫度回升進(jìn)行比較，證明汽車運(yùn)輸是導(dǎo)致入倉(cāng)溫度回升的關(guān)鍵所在。但目前相關(guān)研究主要側(cè)重于分析混凝土長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程中的溫度回升理論及建議措施[5-8]，尚缺少對(duì)于長(zhǎng)距離運(yùn)輸防止混凝土溫度回升的具體措施及實(shí)施結(jié)果對(duì)比。

本文將以大藤峽右岸工程主體工程為工程背景，依據(jù)實(shí)際的施工方案及設(shè)計(jì)思路，提出了長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程中的溫控措施方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，分析了高溫環(huán)境下長(zhǎng)距離運(yùn)輸改造設(shè)計(jì)對(duì)混凝土特性及力學(xué)參數(shù)的影響，同時(shí)針對(duì)改造前后的溫升結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析。結(jié)果表明，本研究提出的混凝土運(yùn)輸過程中的各項(xiàng)優(yōu)化改造可明顯降低混凝土運(yùn)輸過程中的溫度回升。

1 長(zhǎng)距離混凝土輸送溫控難點(diǎn)

樞紐區(qū)位于北回歸線附近，為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫較高。主體工程基礎(chǔ)塊體大，約束作用強(qiáng)，施工過程中高標(biāo)號(hào)、低級(jí)配混凝土用量大，混凝土初期水化熱大且發(fā)熱速率快。強(qiáng)約束區(qū)混凝土允許最高溫度為30℃，高溫季節(jié)混凝土入倉(cāng)溫控為12℃。

對(duì)出機(jī)口溫度Tj和入倉(cāng)溫度Tr關(guān)系進(jìn)行跟蹤比對(duì)，分析認(rèn)為長(zhǎng)距離運(yùn)輸混凝土溫度回升主要受到運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸環(huán)境溫度Tq的影響[9]，影響公式如下：

Tr=Tj+(Tq-Tj)·ζ

(1)

式中ζ——運(yùn)輸過程中的溫度回升率，該因子與運(yùn)輸過程管控密切相關(guān)。

目前大藤峽右岸工程為二級(jí)公路雙向車道及三級(jí)公路雙向車道，平均混凝土運(yùn)距為6.5 km，道路限速30 km/h，表1為平均溫度八月份平均氣溫28.2℃條件下的無(wú)遮陽(yáng)自卸車混凝土運(yùn)輸過程溫升特征，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，大藤峽右岸工程長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間基本為30 min，長(zhǎng)距離運(yùn)輸導(dǎo)致的溫升值最大為7.5℃，最小值為5.6℃，平均值為6.4℃，假設(shè)出機(jī)口溫度為8～10℃，如按無(wú)遮陽(yáng)自卸車運(yùn)輸方式入倉(cāng)溫度為13.4～16.4℃，無(wú)法達(dá)到12℃的入倉(cāng)要求。

表1 無(wú)遮陽(yáng)自卸車運(yùn)輸混凝土溫度回升統(tǒng)計(jì)分析

2 長(zhǎng)距離混凝土輸送溫控要點(diǎn)

根據(jù)大藤峽高溫季節(jié)的氣溫特征以及現(xiàn)有交通條件基礎(chǔ)，要確保混凝土入倉(cāng)溫度滿足12℃的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需在充分研究運(yùn)輸過程溫度回升因素基礎(chǔ)上，針對(duì)性地進(jìn)行溫度回升控制。

2.1 運(yùn)輸過程溫度回升因素

a)環(huán)境溫度對(duì)混凝土溫度回升的影響。通常運(yùn)輸車外殼為鋼板，鋼板表面散熱系數(shù)為1 000 kJ/(m2·d·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)幾乎為混凝土的50倍，因此運(yùn)輸過程中混凝土氣溫回升值受到環(huán)境的影響較大。如表2所示不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)朱伯芳[9]第三類邊界的虛厚度d(式2)說明混凝土與空氣接觸時(shí)，當(dāng)空氣溫度迅速變化，混凝土表面溫度與氣溫變化一致，疊加較大的導(dǎo)熱系數(shù)很容易導(dǎo)致高溫條件下混凝土的溫度回升，因此改裝混凝土運(yùn)輸車，添加保溫措施，可以明顯降低高溫環(huán)境對(duì)混凝土溫度的影響。

表2 三種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

d=λ/β

(2)

b)混凝土運(yùn)輸厚度對(duì)溫度回升的影響。進(jìn)行保溫時(shí)，混凝土內(nèi)部的溫升主要來源于水化熱的熱量作用，根據(jù)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)公式可知，混凝土厚度越小，內(nèi)部熱量聚集越少。因此在運(yùn)輸過程中將運(yùn)輸料進(jìn)行分層運(yùn)輸，同時(shí)運(yùn)輸車內(nèi)部安裝冷空氣循環(huán)，可以減小混凝土熱量的聚集，幾乎達(dá)到消除水化熱內(nèi)部的溫度回升值。如按照10 min的運(yùn)輸距離計(jì)算，1.5 m厚度的混凝土溫度回升值比0.8 m厚混凝土高0.5℃。

2.2 防止溫度回升控制措施

基于上述運(yùn)輸過程溫度回升因素分析可知，控制運(yùn)輸過程中混凝土的溫度回升值可從運(yùn)輸車的保溫設(shè)備加裝、運(yùn)輸車的分層及制冷設(shè)備改造等方面入手,具體如下。

a)混凝土攪拌車。主要運(yùn)用保溫設(shè)備加裝措施,6 m3混凝土攪拌車罐體內(nèi)的葉片采用高強(qiáng)耐磨材料制作而成，焊接質(zhì)量好，因?yàn)楣摅w采用籠裝磨具制作，可以有效杜絕罐體偏心問題，而且都是經(jīng)過先進(jìn)的攪拌流暢仿真實(shí)驗(yàn)，采用雙對(duì)數(shù)螺旋葉片，配合攪拌機(jī)及流動(dòng)孔，解決了攪拌離析及前后堆積問題，容積利用率也很高，出料速度快，加之使用的是螺旋葉片，出料速度也很快，全車金屬螺栓及固定管路都是防銹材質(zhì)，再經(jīng)過油漆的噴涂，更能有效的避免攪拌車短期內(nèi)出現(xiàn)銹蝕的問題，有效的延長(zhǎng)攪拌車的使用壽命。混凝土攪拌車滾筒外側(cè)噴5 cm聚氨酯保溫材料，需定期對(duì)聚氨酯保溫材料進(jìn)行檢查、維護(hù)。

b)混凝土保溫車。聯(lián)合使用保溫設(shè)備加裝及制冷設(shè)備改造措施，9 m3混凝土保溫車采用特制的19 m3罐體裝載預(yù)冷混凝土(混凝土容量為9 m3)，罐體采用密封結(jié)構(gòu)，材料具有良好的隔熱性能，減少混凝土與外界空氣的熱量交換。車箱上自帶冷凍機(jī)組，混凝土進(jìn)料之前對(duì)保溫車罐體內(nèi)吹冷風(fēng)，將罐體內(nèi)溫度降至0℃，保溫車進(jìn)料完畢即關(guān)閉進(jìn)料門。卸料完畢即關(guān)閉卸料口，罐體內(nèi)繼續(xù)吹冷風(fēng)，保持罐體內(nèi)恒溫，進(jìn)入下一車循環(huán)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，1 h混凝土溫升系統(tǒng)為1.3℃/h，綜合運(yùn)輸過程溫升幅度控制在1.7℃/h左右，保溫效果良好。

c)改裝保溫車。聯(lián)合使用保溫設(shè)備加裝及運(yùn)輸車分層措施，改裝保溫車由自卸車改裝而成，貨箱為前頂布置，在貨箱頂部增加遮陽(yáng)防雨裝置，使頂蓋完全關(guān)閉，車廂密閉，防止貨物灑落和飛揚(yáng)，起到良好的安全和環(huán)保作用。貨箱側(cè)部四周噴有聚氨酯保溫材料，起保溫、阻隔的作用，防止冷熱空氣對(duì)流，達(dá)到保溫的作用。貨箱增加分倉(cāng)裝置，將貨箱分為前倉(cāng)和后倉(cāng)兩部分，前后兩倉(cāng)容積一致，可實(shí)現(xiàn)按6 m3兩次卸料。貨箱后加裝限流導(dǎo)板，在卸料過程中保持混凝土集中，防止混凝土太過分散溢出料斗造成浪費(fèi)。據(jù)三峽工程的研究成果[10]，當(dāng)氣溫在28～30℃時(shí)，有遮蓋的自卸車混凝土溫度回升僅1～3℃，而遮蓋的混凝土回升2～5℃。

3 長(zhǎng)距離運(yùn)輸方案改造結(jié)果

為保障混凝土長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程中各方面的改造既不影響混凝土的熱學(xué)力學(xué)參數(shù)、質(zhì)量性等又能保證混凝土回升溫度最低，本次研究在技術(shù)實(shí)施完成后對(duì)混凝土溫度指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析。

大藤峽右岸工程混凝土澆筑主要集中于2021年，該年度各部位澆筑總量達(dá)到116.9萬(wàn)m3混凝土，日強(qiáng)度為3 203 m3/d，沒有發(fā)生車輛運(yùn)輸過程交通擁堵問題，30 min內(nèi)均可從左岸拌合樓運(yùn)送到達(dá)施工區(qū)。出機(jī)口溫度Tj與入倉(cāng)溫度Tr差值ΔT反映運(yùn)輸過程溫度回升值，統(tǒng)計(jì)了5—10月間相關(guān)數(shù)值變化，進(jìn)行了長(zhǎng)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸改造前后對(duì)比，見表3、4。

表3 車輛改造前出機(jī)口溫度與入倉(cāng)溫度差值統(tǒng)計(jì) 單位：℃

表4 車輛改造后出機(jī)口溫度與入倉(cāng)溫度差值統(tǒng)計(jì) 單位：℃

由數(shù)字對(duì)比可知，未對(duì)運(yùn)輸方案的改造前，混凝土長(zhǎng)距離運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致5℃左右的溫度回升值，且天氣最熱的6—8月，入倉(cāng)溫度與出機(jī)口的平均差值為5.55℃，按表1所示最大回升值可以達(dá)到7.5℃。在進(jìn)行混凝土運(yùn)輸方案的改造后，混凝土長(zhǎng)距離運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致2℃左右的溫度回升值，在最熱的6—8月，入倉(cāng)溫度與出機(jī)口的平均差值為1.85℃。改造前后的平均差值為3.7℃，見圖1。研究表明，運(yùn)輸車輛保溫改裝、運(yùn)輸車輛冷氣安裝和分層改造可以明顯降低混凝土運(yùn)輸過程中的溫度回升，對(duì)于高溫季節(jié)下混凝土的溫控防裂作用明顯，可以有效降低后期混凝土施工過程中的溫控壓力。

圖1 改造前后入倉(cāng)溫度與出機(jī)口溫度差值ΔT變化

4 結(jié)果分析

高溫環(huán)境下，水泥水化快，對(duì)混凝土抗裂性能不利，在此前提下大藤峽右岸工程溫控混凝土多選用中水化熱P.O42.5普通硅酸鹽水泥，適當(dāng)增加Ⅰ級(jí)粉煤灰，對(duì)配合比進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)采用了堆場(chǎng)初冷、風(fēng)冷粗骨料、冷水拌和、加片冰拌和等組合方式控制混凝土出機(jī)口溫度。混凝土從出機(jī)口到倉(cāng)面，中途運(yùn)輸過程溫控管理尤為關(guān)鍵。目前大藤峽右岸工程平均混凝土運(yùn)距為6.5 km，基本能在30 min到達(dá)，因此通過縮短運(yùn)輸距離或者優(yōu)化車輛調(diào)度輸送方案，從而加快混凝土的運(yùn)輸速度的優(yōu)化空間不大。故高溫季節(jié)運(yùn)輸過程中對(duì)運(yùn)輸車輛采取保溫、隔熱以及遮陽(yáng)等措施，以減少運(yùn)輸過程中溫度回升。朱伯芳大體積混凝土絕熱溫升試驗(yàn)[11]給出了相似結(jié)論，當(dāng)混凝土試件外面包裹保溫層，對(duì)混凝土溫升影響較小。張磊等[12]的研究也給出了相類似結(jié)論，相當(dāng)澆筑溫度下，澆筑過程的日氣溫變化對(duì)混凝土內(nèi)部最高溫度的影響僅有0.4℃，而運(yùn)輸過程高溫和低溫時(shí)段混凝土溫度回升值可相差6℃，存在較大優(yōu)化空間。大藤峽右岸工程防止溫度回升控制措施主要作用分別是減少混凝土運(yùn)輸過程的環(huán)境影響、降低高溫環(huán)境的氣溫倒灌作用、降低內(nèi)部水化熱作用的熱量聚集，高溫環(huán)境下運(yùn)輸過程中平均溫度回升值低于2℃，效果明顯。

5 結(jié)論

本次研究以大藤峽右岸工程為背景，分析了高溫條件下混凝土長(zhǎng)距離運(yùn)輸防止溫度回升的實(shí)施方案，得出以下結(jié)論。

a)主體工程混凝土澆筑量大，嚴(yán)格控制混凝土機(jī)口溫度，是保證混凝土施工質(zhì)量控制的第一步。

b)對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行改裝與噴涂保溫材料，可降低混凝土升溫幅度，高溫環(huán)境下將混凝土的溫度回升值從4.18℃降為1.85℃，降低了2.33℃的溫度回升，保障了大藤峽混凝土低溫澆筑技術(shù)規(guī)范要求。

c)入倉(cāng)溫度存在部分超溫，優(yōu)先選擇在早晚及夜間運(yùn)輸澆筑混凝土，并在澆筑時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)倉(cāng)內(nèi)冷卻水管通水與噴霧等降溫措施。