高寒地区混凝土拌和站保温系统设计研究

2021-03-20曹军龙

工程技术研究 2021年1期

曹军龙，陈林

中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，湖北武汉 430000

1 工程概况

项目所处位置北倚内蒙古草原，属阴山山脉东段到大马山群山支系和燕山余脉交接地带，地貌属坝上、坝下过渡型山区。该区域属大陆性季风气候中温带亚干旱区，项目区域海拔超过1800m。夏季雨量大、次数多；冬季寒冷漫长，降雪量较大。年均降水量约424mm，且分布不均。全年无霜期平均115.9d，平均气温5.5℃，施工期最低气温为-40℃，最大冻土深度为193cm。

2 拌和站加热、保暖系统设计

冬季施工难点：冬季施工期长，每年有7 个月处于冬季施工期；极寒期长，每年有3 个月平均温度＜-20℃；施工强度高，全天候施工，且没有施工休息期，每天混凝土方量接近800m3，对工作稳定性需求高。由于有3 个月极寒天气温度＜-20℃，且最低温度为-40℃，考虑到极寒低温出现时间有限，为保证施工强度和避免设计富余值过大，拌和站极限运转温度设计为-34℃[1]。

2.1 拌和站供热系统

（1）拌和站供热锅炉系统选型。锅炉房采用CWNS2.1-85/60-Q 型0.7MW+2.1MW 燃气锅炉，在搅拌站保温棚内布设热力管道，确保搅拌站内温度≥10℃。封闭式料仓面积为6000m2，料仓棚内需要的热量按其散热量计算见式（1）：

式中：F 为料仓棚面积，取6000m2；ρ 为料仓棚传热系数，取1/0.15；β 为料仓棚透风系数，取1.6；Qd为料仓棚设计温度，取10℃；Qa为室外气温，取-34℃。经计算，Q1=226961.19kJ/h。

考虑料仓棚开启时的热量损失，则Q1=1.2Q1= 272353.43kJ/h。

锅炉供热时，其供热量按式（2）计算：Q2=2μqw （2）式中：μ 为锅炉效率，一般取95%；q 为燃料发热量，取平均天然气36000 ～40000kJ/m3；w 为燃料消耗量，一般取70m3/h。经计算，Q2=5.3×106kJ/h。

而且在额定工况下（出水温度为85℃，回水温度为60℃），该供暖系统所采用的0.7MW+2.1MW 燃气锅炉每小时所产生的热量Q3为6.3×106kJ/h，0.7MW+2.1MW 燃气锅炉满足使料仓棚温度由-34℃升温至10℃的要求。

（2）料仓结构及供热系统。项目部在拌和站附近选取向阳面设置了砂石料备料区，储料量按照冬季施工混凝土需求保证3 个月的用量。根据砂石料用量提前将备料区的砂石料倒运到料仓棚内进行化冻处理。

（3）上料台供热系统。在上料台周边布设暖通管道，利用暖通水管对上料仓内砂石料进行保温，暖通水管采用φ50mm 钢管，间距为50cm，单面共布设4 根。

（4）皮带机供热系统。主要采用彩钢板对四周进行覆盖，下部采用钢梁支撑，防止砂石热量散失，内侧两边安装暖气管道进行加热保温。

（5）搅拌主机供热系统。根据搅拌站的特点搅拌主机位于搅拌楼内，搅拌楼四周需封闭严实，出料口加彩钢板封闭，内部采用暖通水管加热，每次开盘前先加热机身。

2.2 冬季施工第一阶段

第一阶段冬季施工，根据项目计算和实测情况统计，发现在外界环境-5℃的情况下，拌和站封闭环境下内部气温为3℃左右，这时砂石料经过3d 左右的堆放温度可以控制在1℃右左。为保证混凝土入模温度不低于5℃，需要确保混凝土出料温度＞10℃（根据运输过程中热损计算），此时仅需要对拌和用水进行加热，热工计算如下。

（1）为保证混凝土入模温度不得低于5℃，按下式求得出机温度：

式中：T2为混凝土入模温，℃；T1为混凝土出机温度，℃；a 为温度损失系数，当用混凝土搅拌输送车时，a=0.25；t 为混凝土自动运输至浇筑成型完成的时间，h；n 为混凝土运转次数，不二次装车则为1；Tm为运输时的环境气温，℃。

取值：入模温度T2取5℃；一般一车混凝土施工完毕需耗费0.5h，则t 取经验值为0.5h；n=1；Tm取最高温度，Tm=-5℃；a=0.25。经计算，出机温度T1=6.9℃。出机温度要求≥10℃，因此T1取值10℃。

（2）根据出机温度可反算混凝土拌和温度，见式（4）：

式中：T0为混凝土拌和温度，℃；Tp为搅拌机棚内温度，℃。

取值：T1=10℃；根据现场实测，当外界环境温度为-5℃时，此时不对搅拌机棚和料仓棚内进行加热，棚内温度为4℃，故Tp=4℃。经计算，混凝土拌和温度T0=11.1℃。

（3）拌和站控制水温。根据混凝土出机温度反算拌和水温，见式（5）：

式中：mw、mce、msa、mg分别为每立方米混凝土水、水泥、砂、石的用量，kg；c1为水的比热容，kJ/（kg·K）；c2为冰的溶解热，kJ/kg，当骨料温度＞0℃时，c1=4.2×c2= 0kJ/kg，当骨料温度≤0℃时，c1=2.1×c2=335kJ/kg；Tw、Tce、Tsa、Tg分别为水、水泥、砂、石的温度，℃；wsa、wg分别为砂、石含水率，取值分别为2%、0%。

取值原则为考虑最不利因素。出机温度T0取11.1℃，同时也满足了出机温度不得＜10℃的要求。水、水泥、砂、石的用量分别为160kg、345kg、754kg、1086kg；水泥运进平均温度为45℃，每1.5d 运进一罐水泥，水泥出罐温度为10℃左右，考虑天气过冷不利因素，水泥温度取5℃；根据现场实测，当外界环境温度为-5℃时，若不对砂石料进行加热，则砂石料温度为1℃；砂、石实测最高含水率分别为4%、0%。将上述数据代入式（5），求得拌和水温为47.6℃，可满足出机温度为10℃的要求。

2.3 冬季施工第二阶段

当温度低于-5℃时，料仓内温度下降，砂石料存在结块情况，会影响混凝土拌和均匀性和施工性能，此时需要在加热水的基础上，加热砂石料；当温度降低到拌和站设计的极限情况-34℃时，锅炉房出水温度将接近60℃，此时砂石料经过加热后的保温温度会＞0℃，拌和用水的计算和具体实施情况与第一阶段一样。以最低温度-34℃为例，此时根据料仓内温度检测，隔间底板温度为35℃，料仓内空气温度为10℃，初步估算将-34℃砂石料加热到2℃需要的时间为1d，＜3d，符合要求。

实际施工过程中，由于料仓内车辆进出和密闭性不严等问题造成空气流通较快热损失较多，因此在砂石料加热化冻过程中还需使用装载机翻晾2 次，一般需要2d 才能使砂石料全部化冻，使其温度达到2℃。石子的计算方式同砂，也满足要求。

2.4 结论

对冬季施工期间的环境温度和水温等情况进行验算，具体情况如表1 所示。当外界环境温度＞-5℃时处于冬季施工第一阶段，此时拌和站内温度为4℃，砂石料温度为1℃，只需要对拌和用水采用电加热棒加热到47.6℃即可满足施工要求；当外界环境温度＜-5℃时处于冬季施工第二阶段，此时需要采用锅炉同时对拌和用水和砂石料进行加热，将砂石料加热到2℃，拌和用水加热到55℃，才能满足混凝土的温度要求。