一个冬施中质量问题引发的深度思考

2021-11-05闻宝联

商品混凝土 2021年1期

闻宝联

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

近期给某企业做了一次混凝土冬季施工培训，培训后交流，实验室主任给我提了一个问题：最近进入冬施后，混凝土坍落度损失突然变大，百思不得其解。老实说我也感到意外，这不太符合常理。冬施混凝土的投料顺序是要先投砂石再投水搅拌然后粉料外加剂，他们说也是如此，而且也做了热工计算，计算公式见式 (1)。

式中：

T0，Tw，Tce，Tsa，Tg——分别为混凝土拌合物、水、水泥、砂子和石子的温度，℃；

mw，mce，msa，mg——分别为水、水泥、砂子和石子的用量，kg；

wsa，wg——分别为砂子和石子的含水率，%；

c1——水的比热容，kJ/(kg·℃) 或 kJ/(kg·K)；

c2——水的溶解热，kJ/kg。

当骨料温度大于 0℃ 时：c1=4.2；c2=0。

当骨料温度小于或等于 0℃ 时：c1=2.1；c2=335。

显然，这个计算没有问题，冬季夏季施工都适用。但问题在哪里？问题在于这个算式是最终稳定状态的混凝土温度计算式，但传热过程是非稳态的。问题的核心就出在这。

做好冬季（或冬期）施工，必要的热力学知识还是要了解一些。

单位质量的某种物质温度升高 1℃ 吸收的热量叫做这种物质的比热容，简称比热。水在液态情况下，比热容为 4.2kJ/(kg·℃)，砂石的比热容为 0.92kJ/(kg·℃) 左右，水的比热容是砂石的 4～5 倍，所以，当需要保障混凝土出机温度时一般选择加热拌合水，既经济又有效。

接下来我们有必要了解一下，搅拌机里的传热过程。

冬季施工时砂石温度低，而水温度高，搅拌过程中水在降温，砂石在升温。夏季施工反之。

由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散（热传导），并不断地随流体的流动而被带到下游（热对流），因而对流换热过程是热对流与导热的综合作用的结果。图 1 是水温低于固壁的情形。

图1 固体表面的流体速度和温度分布

当具有粘性且能润湿壁的流体流过石子表面时，由于粘滞力的作用，使靠近石子表面附近的流体速度降低，直至紧贴壁面处的流体速度为零，此处流体的速度和温度梯度最大，这个区域称为边界层，边界层以内通过导热传输热量，边界层以外靠对流。

边界层内的速度分布如图 2。

图2 边界层内的速度分布

图3 边界层的变化

根据流体力学，在沿水流动方向随着边界层厚度的增加，边界层内部粘滞力和惯性力的对比向着惯性力相对强大的方向变化，促使边界层内的流动变得不稳定起来。经过一定距离起，流动朝着湍流过渡，就是过渡区，最终过渡为湍流。此时流体质点作着紊乱的不规则脉动，故称湍流边界层，但其最底层由于粘性作用还保持着层流，即层流底层，强制搅拌加强了对流换热。

前面讲的是石子表面与水之间的热量传输过程，接下来是石子内部的导热，也就是核心区域与边界部分的热传导。

衡量固体与边界层内水导热效果的参数为热传导系数。热传导系数表示的是流体或物体与物体之间，单位时间单位面积上的传热量，具体是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为 1℃，在 1 秒内，通过 1 平方米面积传递的热量；衡量石子内部由于温差的存在产生热扩散的参数是热扩散率，热扩散率又叫导温系数，热扩散率表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力，相当于物体的蓄热能力，热扩散系数越大表示热惯性越小，物体达到与周围环境热平衡的状态越快。

热扩散率 α＝热传导率/(密度×定压比热容)，其中，分母表示容积热容。这个综合物性参数对稳态导热没有影响，但是在非稳态导热过程中，它是一个非常重要的参数。对于瞬态非稳态导热，α 越大，意味着不规则情况阶段和正常情况阶段所需时间越短，即加热或冷却过程所需时间越短。对于周期性非稳态导热，α 越大则意味着温度波衰减及时间延迟程度越小，传播速度越快。

也即是说，如果骨料的 α 值小，骨料在热水中吸热能力弱，水温降温就慢，反之亦然。