雷暢 劉盟盟 李倩 嚴君漢 卞小草

摘要：為解決全級配預冷混凝土生產中預冷砂的問題，定量分析了砂溫與混凝土出機口溫度、片冰用量的關系，以及生產7℃，9℃，11℃全級配預冷混凝土的砂溫適用范圍;提出了用冷水與砂混合，再經二次機械振動脫水的冷砂方法，并進行了關鍵工藝試驗。結果表明：該方法可有效降低砂溫且保證砂含水率穩(wěn)定，實現(xiàn)全級配預冷混凝土生產。

關鍵詞：全級配預冷混凝土;水冷砂;砂溫; 混凝土溫度

中圖法分類號：TV431文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.010

文章編號：1006 - 0081（2021）09 - 0060 - 04

0引 言

水利工程大體積混凝土應用廣泛，為了防止溫度裂縫的產生，必須控制混凝土成型最高溫度在允許范圍內?；炷吝\輸、澆筑、成型階段，其溫度處于單向不可逆升溫狀態(tài)，采取工程技術均只能減緩溫度回升速度，關鍵在于控制混凝土出機口溫度，對原材料進行預冷[1]。葛洲壩工程中采用皮帶機廊道內對骨料灑冷水、拌和樓料倉通冷風連續(xù)冷卻粗骨料及加片冰攪拌混凝土綜合預冷措施，使夏季混凝土出機口溫度控制在7℃[2];二灘工程中采用隧道內皮帶機噴淋冷水、附壁式冷風機保溫、粗砂加冰屑在豎洞中存料3 d后分離脫水、加片冰等措施，控制混凝土出機口溫度在9℃[3];三峽工程中采用二次風冷工藝，即在粗骨料進入拌和樓前一次冷風預冷，該方法較常規(guī)水冷為主的預冷方法而言，可保證混凝土溫度穩(wěn)定達到7℃且經濟和節(jié)能效益顯著[4];此外，冷砂取代加冰的預冷思路被提出，并在分析現(xiàn)有導熱法、強制對流法和真空汽化法的局限性基礎上，提出的螺旋輸送換熱器冷砂方法，可解決二級配混凝土無法達到出機口7℃溫控的難題以及可在三、四級配混凝土生產中替代加冰系統(tǒng)，節(jié)約投資[5];雙江口工程中采用冷卻水作為冷媒，在特質換熱板流道中循環(huán)流動，形成低溫場，使砂在低溫場內交換熱量預冷，預冷效果得到了工藝試驗和工程實踐驗證[1]，首次實現(xiàn)了工程化應用，但產量較低，如想提高產量，特制換熱板投資較大。

在混凝土各原材料中，砂的用量比例較大，表1為大崗山水電站大壩每立方米混凝土典型級配配合比，四級配至一級配砂率依次為24.0%，27.0%，35.5%，40.5%。目前國內外預冷混凝土生產的成熟技術中，僅限于對粗骨料進行預冷，當環(huán)境溫度較低時，三、四級配混凝土出機口溫度較容易達到7℃，而當環(huán)境溫度較高或者需要生產低級配混凝土時，粗骨料用量少，僅依靠目前的預冷粗骨料和加冷水、加冰拌和等措施，對混凝土出機口溫度控制效果有限，很難達到7℃。因此，改進混凝土生產方法，研究砂的預冷技術，在預冷混凝土領域是必要的，尤其是對低級配預冷混凝土的生產意義重大。因此，本文定量分析了砂溫與混凝土出機口溫度、片冰用量的關系，以及生產7℃，9℃，11℃全級配預冷混凝土的適用砂溫范圍，并提出用冷水與砂混合，再經二次機械振動脫水的冷砂方法，研究了預冷砂的問題。

1冷砂效果分析

根據(jù)混凝土熱平衡原理，并統(tǒng)計國內外大型水電工程生產預冷混凝土時骨料溫度和級配與混凝土出機口溫度的變化關系，推導出新拌和混凝土的出機口溫度T0 計算公式如下：

T0 =[i=1nmiciTii=1nmici]

式中：mi為每方混凝土中第i種原材料的質量;ci為第i種原材料的比熱容;Ti為第i種原材料的溫度。

考慮骨料含水與拌和產生的機械熱，經熱平衡計算發(fā)現(xiàn)：砂的發(fā)熱量占所有原材料發(fā)熱量的23%～31%，僅次于水泥發(fā)熱量。表2為大崗山水電站四級配混凝土在不加冰情況下的出機口溫度計算過程。從表2可看出：將砂預冷至10℃，出機口溫度可降至6.85℃。

圖1反映了不加片冰，且骨料含水率、其他原材料溫度和機械熱不變的情況下，大崗山水電站四級配與三級配混凝土出機口溫度與砂溫的變化關系，可以看出：①砂溫每降低2℃，四級配出機口溫度降低0.52℃左右，三級配出機口溫度降低0.57℃左右;②將砂預冷至8℃，三級配出機口溫度可降至6.89℃。

圖2反映了生產每立方米混凝土，加片冰16 kg且骨料含水率、其他原材料溫度和機械熱不變的情況下，大崗山水電站各級配混凝土出機口溫度與砂溫的變化關系，可以看出：①砂溫每降低2℃，四級配至一級配混凝土出機口溫度依次降低0.53℃，0.57℃，0.71℃，0.75℃;②要滿足7℃混凝土生產要求，四級配至一級配砂溫需依次降至18℃，15℃，9℃，3℃。

表3反映了骨料含水率、其他原材料（砂除外）溫度和機械熱不變的情況下，大崗山水電站各級配混凝土出機口溫度分別為7℃，9℃，11℃時砂溫與片冰用量的關系，可以看出：①砂溫每降低2℃，四級配至一級配每立方米混凝土拌和片冰可依次減少約4.3，4.8，6.5 kg;②生產全級配7℃，9℃，11℃混凝土的砂溫范圍依次為4℃～18℃，4℃～22℃，8℃～28℃;③無片冰條件下生產二級配7℃，9℃，11℃混凝土，砂溫需依次降至3℃，8℃，14℃;④無片冰條件下生產一級配9℃，11℃混凝土，砂溫需依次降至4℃，8℃。

2 水冷砂方法研究

砂的孔隙率低、導熱性能差，外部低溫環(huán)境或局部熱交換難以將砂冷透，若減小單位堆存預冷，降溫效果雖有所提升但效率大為降低，影響預冷混凝土連續(xù)生產。利用風冷技術預冷砂，存在無法冷透、回溫快的問題，且砂的密度較粗骨料小，在強制對流情況下容易堵塞出風口，不利于預冷設備的運行維護。真空氣化法通過在真空環(huán)境中蒸發(fā)砂表面的水份吸收熱量而降溫，但是真空罐內壓力控制復雜，且此過程會排出大量水蒸氣，需冷凝處理后再排出罐外，運行維護難度和成本高。

水冷砂法使砂與冷水充分接觸，可以實現(xiàn)全面降溫，且連續(xù)預冷，設備運行維護難度和成本也較低，但需避免含水率過高或溫度過低板結成塊而影響預冷混凝土質量。對不同溫度的水和砂按照一定比例進行摻和試驗，及時記錄摻和后的溫度，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。初始砂溫受環(huán)境影響較大，基本與環(huán)境溫度相同，摻和冷水后降溫明顯;砂含水率為20%時出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象，需考慮脫水處理措施，砂含水率為10%以下較為理想，基本不需要進行脫水處理。

環(huán)境溫度升高時，為了將砂溫降至目標值，需要加大冷水用量，使含水率升高。若在自然堆存條件下脫水，脫水時間較長，降至含水率9.2%需要2 d，如圖3所示，難以滿足預冷混凝土連續(xù)生產要求。因此，在濕法制砂工藝流程中取消第2篩分、第3篩分和棒磨洗砂機出口的各小型脫水篩，增設頻率為960 Hz的直線振動篩和1 468 Hz的圓振動篩，對混合砂料進行二次振動脫水試驗，含水率和脫水時間如圖4所示。經一次脫水后，含水率由20%～23%降至10%～11%，經二次脫水后，含水率由10%～11%降至8%～9%，脫水效率大幅提高，可滿足連續(xù)生產要求。水冷砂試驗驗證了冷水與砂拌和降低砂溫的可行性以及通過二次振動脫水可快速降低砂含水率至10%以下的有效性。

3 全級配預冷混凝土生產方法

全級配預冷混凝土生產方法就是在預冷粗骨料的同時，增加對砂的預冷，即在原有混凝土生產工藝基礎上，增加砂的水冷工藝，如圖5所示。

（1）生產準備。根據(jù)廠家提供的冷水機組型號及各項參數(shù)介紹，并結合混凝土拌和樓的生產能力，選用合適型號的冷水機組。目前，國內冷水機組可生產1℃～10℃的冷水，生產能力達到300 t/h;定制具有保溫、抗凍等特殊性能的預冷砂罐或洗砂機，亦可對已有設備進行再加工，作為對砂進行預冷的主要設備;將預冷設備布置在儲砂罐與混凝土拌和樓之間，靠近拌和樓的位置。

（2）取消濕法制砂工藝流程中的第2篩分、第3篩分和棒磨洗砂機出口的各小型脫水篩，增設機械振動篩1和機械振動篩2。機械振動篩的類型和工作頻率根據(jù)預冷砂的生產能力需求選用。

（3）砂從儲砂罐經皮帶機運輸至預冷砂罐（洗砂機），冷水機組生產的冷水由水泵送入預冷砂罐（洗砂機），罐內的旋轉葉片將砂和水攪拌均勻，使砂粒與冷水充分接觸降溫至目標值。

（4）水冷后的砂經保溫皮帶機運輸至機械振動篩1進行一次脫水，然后經保溫皮帶機運輸至機械振動篩2進行二次脫水，含水率穩(wěn)定后經保溫皮帶機運輸至混凝土拌和樓使用。皮帶機的保溫罩可采用雙層材料制作，并在夾層中敷設錫紙，增強保溫效果。在此過程中產生的廢水經沉淀后可循環(huán)使用。

全級配預冷混凝土生產方法具有以下效果：①可在高溫環(huán)境下，使低級配預冷混凝土出機口溫度降至7℃，實現(xiàn)各種環(huán)境溫度下的全級配預冷混凝土生產;②生產四級配、三級配7℃混凝土時，無需加片冰，可取消運行維護復雜、成本高的制冰、儲冰和輸冰工藝流程及設備;③砂脫水效率高，既達到預冷砂的目的，又解決砂含水率過高影響預冷混凝土質量的問題;同時，相比非接觸式冷砂方法中砂在預冷前需經自然堆存脫水，可減小儲砂罐或砂倉容量，易于布置;④預冷砂罐（洗砂機）、機械脫水篩、保溫皮帶機等預冷砂設備較為成熟，工藝簡單，運行維護成本較低。

4結 論

（1）基于熱平衡原理，選用大崗山水電站各級配混凝土典型配合比，定量分析了混凝土出機口溫度與砂溫的關系，給出了生產全級配7℃，9℃，11℃混凝土的砂溫目標值。

（2）提出了砂與冷水拌和降溫，再經二次機械振動脫水的冷砂方法，并進行了水砂拌和與脫水試驗，驗證了該方法的有效性。

（3）改進了傳統(tǒng)混凝土生產工藝，取消了濕法制砂工藝中的小型脫水設備。砂在預冷砂罐或洗砂機內與冷水充分拌和降溫后，經兩道機械振動篩集中脫水，可實現(xiàn)全級配預冷混凝土的生產。相關研究成果已獲得多項專利授權。

參考文獻：

[1] 李新明. 水利工程混凝土細骨料間接預冷技術研究與應用[J].紅水河，2020，39（2）：45-48.

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[3] 俞勤泰，吳燕明. 水利水電工程中的混凝土三大預冷技術[J].建筑機械，2001（4）：25-28.

[4] 龍慧文，李紅麗，羅清. “砼預冷二次風冷骨料”專利技術及其節(jié)能減排效應[C]// 全國工程設計技術創(chuàng)新大會.全國工程設計技術創(chuàng)新大會論文集.北京：中國勘察設計協(xié)會，2011.

[5] 羅清，龍慧文. 冷砂技術在水利水電工程中的應用前景[J].人民長江，2000，31（9）：15-16.

（編輯：江 文）

Production method of full-graded precooled concrete

LEI Chang， LIU Mengmeng， LI Qian， YAN Junhan，BIAN Xiaocao

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： To solve the problem of sand precooling in the production of full-graded precooling concrete， we quantitatively analyzed the relationship between sand temperature and concrete temperature out of mixers， flake ice amount， as well as the suitable sand temperature range for the production of 7℃，9℃，11℃ full-graded precooling concrete. We proposed a cooling sand method that mixing the sand with cold water then secondary dehydrating by mechanical vibration， and carried out the key technological tests. The results showed that the method can reduce the sand temperature and ensure stable moisture content， so realize production of full-graded precooling concrete.

Key words： full-graded precooling concrete; mixing the sand with cold water;sand temperature;concrete temperature