1、高性能混凝土拌和温度控制技术【摘要】为满足铁路客运专线对高性能混凝土施工时的技术要求，保证混凝土的耐久性，须对混凝土的拌合、出机、入模温度进行监控以满足施工需要。 【关键词】高性能混凝土、温度控制、热工公式 1 工程概况 郑州黄河公铁两用桥是跨铁路客运专线的桥梁。本段客运专线行车时速为 350-300 公里/小时，计划运营时间达 100 年。针对高速铁路客运专线技术要求高的特点，铁道部经过组织研究形成了我国铁路客运专线建设中关于混凝土耐久性的技术要求，第一次在我国桥梁领域内提出了混凝土结构耐久性这一观念，新的客运专线验收标准针对混凝土耐久性提出了较为具体的技术要求。可以说从混凝土的配置、拌合、
2、运输、施工、成型等各个方面均进行了严格规定。 根据客运专线高性能混凝土暂行技术条件第 6.6.3 条规定：当设计无要求时，混凝土入模温度控制在 5-30。 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准第 6.4.5 规定：冬期施工时，混凝土的入模温度不应低于 5；夏期施工时，混凝土的入模温度不宜高于气温且不宜超过 30。 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定第 7.0.2 规定：冬季搅拌混凝土时，混凝土的出机温度不宜低于 10，入模温度不宜低于 5。 2 前期施工中遇到的问题 在前期的施工过程中，由于对高性能混凝土温度控制的经验不足，缺乏足够的认识，夏季钻孔灌注桩浇筑过程中入模温度曾达到 33，严重超过规范
3、要求。问题发现后项目拌合站采取在拌合站水内加冰等办法，降低拌合用水温度，从而降低了混凝土出机温度。在冬季施工中，由于外界环境温度的变化，混凝土入模温度的控制问题也越加突显。施工时我们采取了水加热的方法，使拌合站出机温度大于 10，但由于黄河滩地内施工均存在冬夏两季温差的特点，因此如何根据原材料的温度变化情况，采取可量化的升降温措施即到底将水降低或升高多少度，是施工中控制的难点。 3 利用热工公式解决混凝土出机前的温度控制问题 3.1 热工公式的内容 根据以往经验，采用热工公式进行冬季施工的温度控制。 tb =a（tsms+tama+tcmc）+btwmw+b（psmsts+pamata）-B（
4、psms+pama）/a（mc+ms+ma）+bmw+b（psms+pama） 式中：tb 混凝土拌合物合成后的温度 ms、ma、mc 石、砂、水泥的干燥质量 mw拌合加水的质量，不包括集料含的水 tc、ts、taw水泥、砂、石、水装入搅拌机时的温度 ps、pa?砂石的含水率 a水泥及集料的比热，可用 0.92 b、B 水的比热的溶解热，当集料温度0 时，b =4.19、B =0 鉴于热工公式在工程中的广泛使用，可利用电子测温方法，自动采集原材料的各项温度，然后将采集的温度输入电脑，利用电脑进行计算处理（即通过热工公式的计算） ，在短时间内得到混凝土的出机温度，从而直接通过前几盘混凝土的测定最
5、终确定这个时段混凝土的出机温度，进而指导混凝土原材料的升降温措施。 由于目前高性能混凝土的拌合站均采用电脑控制，无论从材料计量、机械设备管理均采用电脑控制，并且配备专业的操作室，充分实现了机械自动化拌合。另外，实际操作中，可考虑在混凝土拌合设备上增加混凝土温度控制的功能，若未达到设计的温度则不容许进行自动拌合，必须采用人工拌合，从机械设备的源头控制混凝土的出机温度。 3.2 利用热工式需解决的问题。 3.2.1 如何快速、方便、准确的采集到原材料温度。 3.2.2 热工公式的准确性如何，其偏差值有多少。 3.2.3 为降低水化热，必须在高性能混凝土中掺入粉煤灰，而热工公式里面没有考虑粉煤灰的影
6、响。 3.3 温度采集过程 工程施工中，项目部采用了 HZS90 型拌合站强制式拌合。在混凝土拌合前，各种原材料需经过准确称重，经运输皮带传输后进入各储备仓。其储备仓分为水泥、粉煤灰、砂、石子、水五大储存仓。技术人员将Gxp8 八路温度自动巡回检测仪的温度感应原件埋入各种原材料的储存仓内，进行数据的采集。又由于拌合站拌合储存仓与拌合站操作室距离较近，根据拌合站自身设置两仓之间存在大量的数据传输，因此可利用已有的数据传输槽安置八回路巡检仪的数据线路，保证了数据传输的安全性，同时充分解决了温度采集的问题，并且由于温度采集是控制在即将拌合的储存仓内，因此可以更加准确的测量出各种原材料的原始温度，从而
7、提混凝土温度预测的精确性。 图 1 温控元件 图 2 至于水仓内的温控元件 在测定过程中，根据观测发现在不采取任何保温措施情况下，粗细骨料的温度与拌合仓内环境温度基本相同，而水泥的温度与环境温度偏差较大，且水泥自身受日照影响温度均较高。一般情况下，夏季可达到40，冬季也可达到 10左右，因此有必要在水泥仓内设置温度感应器。实施过程中，可将温度传感器固定于水仓、水泥仓、粉煤灰仓内、粗骨料仓、细骨料仓、拌合楼环境温度 6 个温度采集点。 3.3 利用热工公式进行温度检测 3.3.1 目前拌合楼的数控系统中，均配置一台电脑控制系统，电脑采用最常用的 windows XP 操作系统，操作系统兼容目前常
8、用的 Excel 计算表格，通过 Excel 表格的计算功能可以实现数据的自动计算及处理，现以郑州黄河公铁两用桥 QL-1 表承台配合比来说明计算过程： 表 1 配合比（水泥：粉煤灰：黄砂：碎石：水：膨胀剂：外加剂=1：0.429：2.482：3.429：0.515：0.01：14 （%） 材料名称 每批用干料（Kg） 材料含水 含水在内实际用料 kg % kg P.O 42.5 水泥 303 30.3 信阳区中黄砂 752 5.2 3.9 791 卫辉北碎石（5-25mm） 1039 1.1 11 1050 （大石子 735） （小石子 315） 地下饮用水 156 156 金龙源粉煤灰 1
9、30 130 外加剂 3.464 3.464 假设采集后砂的温度、石子的温度、水泥的温度均为 1，水温度为40： tb=0.921303+1（752+130）+11039+4.1940156+4.19（752+130） 1（1-0.052）+10391（1-0.011）/0.92（303+752+1039+130）+4.19156+4.19（0.052752+0.0111039）=13.07 混凝土拌合物在搅拌过程中的热量损失及在运输浇筑过程中的热量损失计算如下 t=T-0.16（T-5）=11.78，其中的 5为假设的拌和楼的温度 将对应温度输入已制作好的简易电脑程序中，以下是表格计算公式样
10、图： 由操作程序可以将试验测定的含水量、原材料温度等指标直接输入即得出混凝土的出机温度。 3.3.2 对热工公式进行复核。 在施工应用中，我们发现计算结果与实际存在 4-4.6的差异，详见几组实测数据： 第 1 组测量数据（2007 年 11 月 26 日 14：25） 砂温度 砂质量（kg） 石子温度 石子质量（kg） 水泥温度 水泥质量（kg） 水温度 水质量（kg） 砂的含水率（%） 石的含水率（%） 拌和楼温度 合成后的温度 计算出机温度 实测出机温度 7.9 1253 7.3 1477 13.6 414 16 192 0.048 0.01 13.3 9.90 10.44 14.4 第
11、 2 组测量数据（2007 年 11 月 27 日 4：25） 砂温度 砂质量（kg） 石子温度 石子质量（kg） 水泥温度 水泥质量（kg） 水温度 水质量（kg） 砂的含水率（%） 石的含水率（%） 拌和楼温度 合成后的温度 计算出机温度 实测出机温度 1.7 1253 1.2 1477 10.5 414 15 192 0.048 0.01 2 5.10 4.60 8.8 目前根据规范规定，高性能混凝土的拌合时间必须大于 120 秒，有时根据混凝土自身性质要求拌合时间达到 180 秒，因此温度计算产生差别的原因正是由于热工公式中忽略了水泥水化热的影响。 根据施工配合比进行水泥水化热试验得到
12、水泥水化热值为 141kJ/kg 由散热公式 Q=Cmt 得到 t=Q/ Cm=141kJ/kg414kg/0.92（比热容）24（1253+1477）=0.97 水泥水化热放热是个缓慢的过程，414kg 水泥能否产生 0.96 度的偏差存在怀疑。经过试验证明，水泥在遇水后会迅速产生升温，升温速度较快，因此可以认为水泥水化热的产生，可产生温度的变化，但具体数据只能从实践对比中反推，通过比对，采取了经验值 3，因此给出了修正系数 K=3.1。 3.4 粉煤灰对温度的影响 粉煤灰的性质且与水泥相同，只是在拌合过程中不产生水化热，因此可将粉煤灰等同于水泥、粗细骨料，由于粉煤灰同样采用封闭水泥罐进行储
13、存，其温度也偏高于环境温度。因此将粉煤灰增加进热工公式是有必要的，根据目前配合比每 1.5 方混凝土粉煤灰约为 178kg，热工公式变为： tb=a（tsms+tama+tcmc+tfmf）+btwmw+b（psmsts+pamata）-B（psms+pama）/a（mc+ms+ma+mf）+ bmw+b（psms+pama）+3（水化热增加值） 式中：tb 混凝土拌合物合成后的温度 ms、ma、mc、mf 石、砂、水泥、粉煤灰的干燥质量 mw拌合加水的质量，不包括集料含的水 tc、ts、ta、tw、tf水泥、砂、石、水、粉煤灰装入搅拌机时的温度 ps、pa?砂石的含水率 a水泥及集料的比热，
14、可用 0.92 b、B 水的比热的溶解热，当集料温度0 时，b =4.19、B =0 增加粉煤灰的影响及水泥水化热的影响后，重新对温度进行计算，其理论值与实测值基本吻合。 第 1 组测量数据（2007 年 11 月 26 日 14：25） 砂温度 砂质量（kg） 石子温度 石子质量（kg） 水泥温度 水泥质量 kg 粉煤灰质量 kg 粉煤灰温度 水温度 水质量 kg 砂的含水率（%） 石的含水率（%） 拌和楼温度 合成后的温度 计算出机温度 实测出机温度 7.9 1253 7.3 1477 13.6 414 178 12.2 16 192 0.048 0.01 12.4 11.15 14.35
15、 14.4 第 2 组测量数据（2007 年 11 月 27 日 4：25） 砂温度 砂质量（kg） 石子温度 石子质量（kg） 水泥温度 水泥质量（kg） 粉煤灰质量（kg） 粉煤灰温度 水温度 水质量（kg） 砂的含水率（%） 石的含水率（%） 拌和楼温度 合成后的温度 计算出机温度 实测出机温度 1.7 1253 1.2 1477 10.5 414 178 5 15 192 0.048 0.01 4 6.26 8.89 8.8 经过实践经验我们对比了根据热工公式计算的温度与计算测量温度的差别，对温度产生的原因进行分析，虽然温差的原因没有完全找到，但根据经验值可基本指导施工。此计算表格，简
16、便易用，将其复制到拌合站操作室的电脑里可在短短的几分钟内实现温度数据的采集及温度是否合格的评估，若计算结果表明拌和后的混凝土温度复核验标要求，可进行混凝土拌和，若计算结果表明拌和后的温度不能达到验标要求，那么通过水加温、降温等手段也可控制混凝土的出机温度，满足铁路高性能混凝土的要求。 4 控制混凝土温度的手段 通过半年两个季节的实践经验，结合热工公式分析并实践项目采取了多种措施来更加有效地控制混凝土升降温度，并根据热工公式分析了采取何种措施能够更加有效的控制混凝土的温度。 4.1 夏季混凝土降温采取的措施 夏季受高温影响，水泥的温度较高，项目根据客专要求搭设了混凝土防晒棚，通过实践发现防晒棚对
17、砂、石料等降温功效较大，同时利用热工公式进行了最快速度的对比，发现若其它条件不变，砂石料的入仓温度每降低一度，则混凝土的整体温度可下降 0.8 度。同时项目还采取了对砂石料进行洒水降温的措施，但由于洒水易造成砂石料的含水率变化，对混凝土坍落度、和易性影响较大，应注意此种方法的掌握。 夏季还可以采取拌合水内加冰的办法。但由于涉及到冰的运输、储存等问题，因此费用较高。同时还需配备刨冰机，方便将冰块粉碎。 4.2 冬季混凝土保温措施 冬季则采用常规的水加温措施，此措施非常行之有效，同时由于利用了热工公示对水加热的程度进行监控，经过计算水升温 40即可满足施工需要。 5 应用效果 利用此套温控计算系统
18、，在郑州黄河公铁两用桥项目中采取了拌合水不加温的措施，使得混凝土的出机温度控制在 1215，入模温度控制在 1012，对项目浇筑首件合格承台起到了不小的作用，控制效果良好，受到业主的好评。 6 结论 由于对温控电子设备了解还不全面，因此目前温度感应器还存在损耗等问题，希望在今后的实践中逐步改造温度采集系统，计划通过研发软件将采集的温度自动计算，将计算结果通过电子放大器放大，实现混凝土的温度的自动控制。以满足客运专线高性能混凝土的技术要求，从而指导混凝土的施工。 参考文献 1 交通部第一公路工程总公司编著 桥涵 人民交通出版社 2 张鸿 刘先鹏编著 特大型桥梁深水高桩承台基础施工技术 中国建筑工业出版社 3 王铁梦编著 工程结构裂缝控制 中国建筑工业出版社 4 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准 中国铁道出版社
