水利工程混凝土细骨料间接预冷技术的分析与应用

2022-02-05王璐英

建筑与预算 2022年4期

王璐英

（山东省东明县水务局，山东菏泽 274500）

水利工程作为关乎民生的重要工程，其建设质量与生活质量和生命财产安全有着直接关联。但夏季温度较高，水利工程混凝土水泥水化热极易产生温度裂缝，对工程质量带来安全隐患，高温天气混凝土骨料应进行降温预冷处理。通常情况下，直接法和间接法是冷却混凝土及其原材料的主要方法，能够应用在粗细骨料和水的冷却中。因此，本文对水利工程混凝土细骨料间接预冷技术的分析与应用展开论述具有重要意义。

1 混凝土预冷技术的国内外现状

国外混凝土预冷技术的应用始于美洲的大型水电工程。随着工程实践的应用得到了一定发展[1]。20世纪50年代初期，美国率先发展了预冷骨料技术，使预冷混凝土的应用措施更为丰富。在炎炎夏季能够最大程度控制混凝土出机口温度，带动低温混凝土生产能力的提升，逐步加大大坝混凝土浇筑块面积。

我国自1970年以来，在大型水电工程建设以及生产管理水平提升促进下，混凝土预冷技术得到一定程度的进步。例如，三峡工程混凝土预冷施工中，所应用的预冷设备和预冷技术包括：两次风冷骨料新技术、大型片冰制冰设备、冰库及片冰运输称量设施以及高效空勤冷却器等。在施工过程中对温度进行严格把控，低温混凝土每小时能够生产1720m3，并将混凝土出机口温度严格控制在7℃。可见，当前我国混凝土预冷技术已得到成熟运用。

2 细骨料间接预冷技术综合介绍

细骨料间接预冷技术的基本原理为导热法，在保证细骨料连续预冷过程中，其突破了两大难点：其一为在冷媒的作用下，形成了一些相对均衡且温度较低的温度场，即使细骨料自然状态下能够很好地密实，在低温温度场内也能够实现均衡预冷[2]；其二，在运用细骨料间接预冷技术时，控制温度的冷媒不会与细骨料直接接触，只会改变细骨料温度而不会对其其他性能带来影响，从而使水利工程混凝土粗骨料、细骨料均能实现预冷，将混凝土出机口温度控制在较低水平，对工程施工质量带来保障。

3 混凝土细骨料间接预冷技术应用

3.1 混凝土原材料预冷（包含水、粗骨料）

在控制混凝土温度这一工序中，其关键节点包括：从拌和机出料前的温度控制、运输过程温度控制、混凝土浇筑温度控制以及成型养护期间的温度控制，从而实现混凝土温度有效控制[3]。对于上述节点中，在运输、浇筑以及成型过程中，混凝土温度一旦升高是不可逆转的，只能通过干预措施避免其温度提升过快。可见，将水利工程混凝土出机口温度控制在较低水平就实现了混凝土温度的有效控制。为实现这一目的，就需从原材料入手对其实施预冷。

混凝土是由水、水泥、粗骨料、细骨料混合并加入适量外加剂以及粉煤灰等原材料拌和而成。通常情况下，在混凝土预冷拌制过程中，对粗骨料进行风冷加水冷水进行拌和，同时向其中加入片冰进行降温处理。

混凝土粗骨料的风冷预冷工艺将一次风预冷和二次风预冷充分运用起来，前者制冷系统温度能够达到-15℃，后者制冷系统温度能够达到-25℃。在应用过程中，粗骨料温度和冷风温度的温差明显，有效加快高低热量交换进程，使粗骨料预冷效率更高。但由于系统蒸发温度处于较低水平，制冷系统运行过程中会产生较大的能源消耗，工作效率较低[4]。因此，在应用风冷制冷的同时配备冷水机组制备冷水，片冰机组制备片冰，致使整个混凝土拌和系统过于复杂，运行管理难度较大。

3.2 细骨料预冷

若能够实现细骨料预冷，就能够实现粗细骨料的全面预冷，避免粗细骨料温差较大，降低能源消耗，从而降低混凝土骨料拌和系统的运行、管理难度。

3.2.1 预冷难题

在混凝土中粗细骨料相当与混凝土的骨架，其在混凝土中同时能够起到填充作用。粒径在5mm以内的为细骨料，粒径在5mm以上的为粗骨料。在混凝土中细骨料能够对大颗粒空隙进行填补，和水泥混合形成砂浆，提升混凝土拌和过程的和易性。但由于细骨料有着较低的空隙率，在预冷处理时面临着以下几点难题：

（1）在自然状态下，细骨料有着较高的致密性和较低的空隙率，难以对其内部进行预冷降温。通过低温环境对细骨料预冷时只能有效降低其外表面温度，而内部温度却很难有效预冷。利用风冷技术对细骨料预冷处理，在细骨料中预埋的管道出风口会被细骨料堵塞，难以实现整体预冷[5]。

（2）在混凝土拌和时其细骨料的含水率通常为4%～6%，表面含水率也在6%以下。若以过低温度进行预冷，将致使细骨料结冰，出现板结现象。

（3）若通过浸泡冷水进行降温，在降温后细骨料还需进行脱水方能应用在拌和中。

3.2.2 细骨料预冷工艺

使混凝土细骨料做到间接预冷主要是发挥冷却水的作用。在一套密闭的管路系统中，冷却水在热交换板中流动后，细骨料和热交换板温度实现冷热交换，继而实现细骨料的预冷。

（1）明确细骨料预冷介质

研究表明，在骨料温度不变情况下，细骨料降温速度与预冷介质温度存在直接关联。但细骨料的含水率通常为4%～6%，表面含水率也在6%以下。若以过低温度进行预冷，将致使细骨料结冰，出现板结现象。为避免这一现象发生，将冷媒温度控制在水的冰点温度以上。同时应保证冷媒有着较为稳定的性能且安全性较高不会对环境产生污染。可选择低成本介质作为冷媒，实现预冷成本的有效控制。分析不同冷媒的优缺点和细骨料预冷对冷媒的要求[6]。选择低温冷水作为细骨料预冷时的冷媒，预冷时细骨料和冷水不发生直接接触，在预冷工序结束后水源还能再次应用到施工中。

（2）高温细骨料和低温冷媒间的冷热交换

在自然堆积状态下，细骨料具有高致密性的特征。传统的预冷技术不能够实现细骨料内外部的均衡制冷。因此，在对细骨料进行预冷处理的降温仓内，均匀地设置多张换热板，使细骨料在将换热板包裹时能够最大程度增加换热面积。换热板在布置时，使其保持相对平行。将板间距控制在70mm左右为宜。为保证均衡换热，应保证在单位空间换热板间的细骨料量相同。将换热板均匀布置在降温仓内部的同时，冷却水在换热板流道的循环管路中循环流动，细骨料应与换热板充分间接接触。

3.2.3 流水线式制备预冷细骨料

将筛分和摊铺装置设置在细骨料预冷处理的入料口位置，能够实现细骨料在准备仓中的均匀摊铺，同时将杂物和大粒径骨料筛分出来。在筛分装置和摊铺装置作用下能够实现有效过滤出细骨料中杂物，避免入料口堵塞。

特制换热板是细骨料预冷处理降温仓内的关键组成部件，若直接将细骨料倒入降温仓，重力作用下会损坏特制换热板。为避免这一问题发生，在准备仓设置能够快速转动的装置，使细骨料可以均匀散落在降温仓内。

从入料口注入细集料后，首先会在准备仓中被均匀摊铺，若准备仓中的骨料量达到设计标准，则关闭入料口，开启准备仓出料口，随即细集料从出料口进入到降温仓，降温仓骨料量达到设计标准，将准备仓的卸料口关闭，将入料口开启，如此反复，形成循环。细骨料进入到降温仓后，能够和特制换热板充分接触，达到冷热交换的目的。降温仓中细骨料温度达标后，细骨料从降温仓出料口流出进入到存储仓，卸料完成后，关闭降温仓出料口，进入下一循环，实现流水线式制备预冷细骨料。