二次风冷工艺

1、三峡工程首创二次风冷骨料新工艺谢修发编者按采用温控措施浇筑大体积混凝土可防止裂缝，对提高坝体的整体性和耐久性具有重要意义。长江委设计院在葛洲坝工程中曾创造性地研究采用了“水冷+风冷+冰冷”骨料新工艺，使夏季出机口混凝土的温度达到了7。在三峡工程建设中，他们又将此工艺进一步创新，研究了“二次风冷”骨料的新工艺，可将夏季出机口混凝土的温度降至7以下，并具有运行操作简单、冷耗小、效率高、使用灵活、系统布置紧凑、安装拆除方便、重复利用率高等优点。经专家评审，该技术已达到世界领先水平。现将该成果介绍给读者，以便应用于我国低温混凝土的生产和其它工程中。摘要为了减少大体积混凝土在凝固过程中散发大量水化热，防

2、止裂缝出现或控制裂缝扩展，在混凝土生产时必须采取温控措施。长江委设计院在三峡工程中首次采用的二次风冷骨料新工艺，是以单一的大自然的空气作为冷却骨料的介质，利用地面上的骨料调节料仓，用0-5的冷风，将骨料从自然温度28.4降至810，再送入拌和楼骨料储仓，以-13-17冷风进行二次冷却，将骨料冷至0-6，并以冰代水拌制混凝土，使其达到出机口温度小于7的要求。该技术成果可以普遍推广应用到水工低温混凝土的生产和其它工程中。主题词砼冷却砼温度控制骨料新方法三峡水利枢纽Application of new technology ofsecondary air-cooling aggregate in T

3、GPXie XiufaAbstract In order to decrease large amount of hydration heat emerging in setting process of mass concrete and control the development of cracks,temperature control measures must be taken in the process of concrete production.New technology of secondary air-cooling aggregate is firstly ado

4、pted by Design Institution of Changjiang Water Resources Commission in TGP.Its procedure is as follows:lowering natural temperature of aggregate from 28.4 to 810 by 0-5 cooling air in aggregate regulation silo on the ground and then transporting it into aggregate storage silo of batching plant for s

5、econdary cooling,lowering the temperature of aggregate to 0-6 by -13-17 cooling air,in addition,substituting ice for water to make concrete,to meet the requirement of concrete temperature lower than 7 at outlet.This technology achievement can be universely applicated in low temperature concrete prod

6、uction for hydraulic structures and other projects.Subject wordsConcrete coolingConcrete temperature controlAggregateNew methodSanxia Multipurpose Project大体积混凝土浇筑后，由于水泥水化凝固过程散发大量水化热，使混凝土温度升高，体积膨胀，而当达到最高温度后，其热量又向外部散发，出现温度降低，体积收缩，最终达到稳定的环境温度。由于混凝土随自身温度升降，体积产生胀、缩，使其在基岩约束下产生压应力和拉应力，特别是因混凝土收缩而产生的拉应力，使混凝土

7、易产生裂缝，最可怕的是早期的表面裂缝在继续降温过程中，可能发展为基础贯穿裂缝或深层裂缝，对建筑物具有严重的破坏性。因此必须采取温度控制措施以防止裂缝的出现或控制裂缝的扩展。我国从60年代初开始骨料预冷和加冰拌和混凝土技术的研究。主要方法有真空气冷、水冷、风冷和以冰代水拌和混凝土等。在工程实践中，采用过浸泡式水冷、喷淋式水冷。70年代初，风冷骨料技术在葛洲坝一期工程中应用成功并广泛应用于各水电工程中。葛洲坝二期工程成功地采用喷淋式水冷、风冷、以冰代水拌和的7低温混凝土，达到国际低温混凝土生产水平，并获部科技进步二等奖。1三峡工程首创采用二次风冷骨料新技术80年代以后，低温混凝土生产技术形成先水冷

8、后风冷骨料，并以冰代水拌和混凝土的生产工艺模式，并普遍认为是水冷为主，风冷仅起保温作用。因此，当三峡工程首次采用二次风冷骨料和加冰拌和生产7低温混凝土生产工艺时，许多人存在疑虑。实际上从制冷理论来说，骨料预冷就是对骨料进行冷热交换，其实质也属于能量的转换，其转换形式往往是通过介质来完成的，水冷或风冷的区别在于采用介质不同，不同介质有不同的比热和导热系数，但从能量守恒理论而言，相同的物质(骨料)需转换的能量是一致的，但不同介质和温差值对骨料进行冷却所需介质的量和冷却时间是不同的，不同粒径的骨料，需要冷热交换的时间也不同。被冷却物质与介质之间，随时间的推移，二者温差逐渐缩小，其冷却效果也逐渐降低，

9、只有经过相当的时间才能达到相近或相同的温度，这是冷却工艺设计所难于接受的。因此在冷却工艺中，往往以冷透程度来形容(即骨料要求的冷却终温与冷却介质温度之比)，并取一定的比值，一般为60%70%，以求得良好、经济的冷却效果。1.1水 冷水冷，即以水为介质，对骨料进行冷却。水的比热大，并具有较强的渗透性，冷却时间短等优点。因此水冷方式被普遍采用，主要有浸泡式水冷和喷淋式水冷。但水冷存在一定的局限性，即水有0结冰的特点，一般只能生产0以上的冷水，再按一定的冷透程度取值(60%70%)。用24冷水喷淋78 min的骨料，不同粒径骨料的温度一般在613。如不采取其它措施，根据湖北地区的气温情况，夏季只能生

10、产出机口20左右的混凝土；经水冷的骨料，如不采用其他措施，进入拌和楼储仓备用时，骨料温度不断回升，其混凝土出机口温度不能保证，当达不到温控标准要求时，已入仓骨料难于处理；经水冷后的骨料，虽经脱水，但其表水难于脱净，特别是小骨料表面含水率高，受水灰比限制，加水量减少；当采用冷风继续降温时，由于含水率高，易于冻仓，特别是中、小石仓，影响系统正常运行；采用水冷需先设冷水厂制备一定数量冷水，通过保温的冷水输水管道送入保温的淋水廊道内慢速皮带喷淋，骨料经过脱水后进入拌和楼储料仓备用，回收的冷水需经集水、除石、沉淀、补水掺合、再冷却达要求温度，循环使用。其工艺流程复杂，生产环节多，占地面积大，冷耗高，系统

11、操作运行、管理复杂。1.2风 冷风冷骨料是以大自然的空气为介质，对骨料进行冷却。空气的比热小，需要冷却骨料的时间长。但在70年代初，葛洲坝工程经过风冷试验并应用于工程后，风冷骨料被广泛推广使用。风冷的特点是骨料可在拌和楼储料仓进行连续冷却，冷风自下而上(或水平方向)而骨料按用料速度自上而下流动，边进料、边冷却、边出料，工艺简单，操作和控制方便。当达到预期冷却温度时，可控制风温和风量，起保温作用，而当骨料温度达不到预期温度时，可适当降低风温，加大风量和延长冷却时间，使混凝土出机口温度达到要求温度。特别是经研制成功的高效空气冷却器，体积小，重量轻，可直接扶于骨料仓仓壁(称扶壁式空气冷却器)，与冷却

12、骨料仓形成密闭的循环系统，达到冷耗小和少占地的目的。1.3先水冷后风冷骨料方式传统的先水冷后风冷骨料，以葛洲坝工程喷淋式水冷为例，该方法需设保温冷却廊道，廊道内安装2条带宽1 400 mm的带式输送机，带速0.35 m/s，坡度3%，淋水段长135 m，脱水段长15 m，坡度5%，设2条I250 mm保温管，输送34冷水，并在每条带式输送机上用I100 mm淋水管喷淋，冷水从带式输送机两侧溢出，经集水槽、除石斗、沉砂池进行水处理后，再冷却使用。每小时冷却骨料量2×216 t，最大淋水量460 t/h，可将初始温度(当骨料堆场堆置高度经常保持在6 m以上时，其骨料廊道出料温度可以保持在

13、月平均气温的温度，宜昌地区7、8月份多年平均气温为28.4)28.4时的特大石、大石、中石、小石分别冷却到13、8、7、6。骨料经直线振动筛脱水后，经保温廊道用胶带输送机送入拌和楼储料仓，再以-13-17冷风，继续将骨料冷却到0-6，并以片冰代水拌和混凝土(一般加冰量为5070 kg/m3)，使其达到出机口温度小于7的标准(以四级配混凝土为准)，其混凝土温度较夏季自然拌和混凝土降幅达23，其中冷水制备采用8台LZC-320型、总蒸发面积2 460 m2的蒸发器，在2个容积为138 m3的冷水池内将平均12.5的循环回收水温冷却至7和2。1.4二次风冷骨料方式二次风冷骨料是以单一的大自然的空气作

14、为冷却骨料的介质，利用地面上的骨料调节料仓，用0-5的冷风，将骨料从自然温度28.4降至810；再送入拌和楼骨料储仓，以-13-17冷风进行二次冷却，将骨料冷至0-6，并以冰代水拌制混凝土，达到出机口温度小于7的要求，见图1。图1二次风冷系统平面布置鉴于我们在多个工程实践中对水冷、风冷的认识，同时结合三峡工程工程量大、施工强度高、系统规模大、技术要求高、各生产混凝土系统(含制冷)布置受场地限制的特点，必须改变传统的先水冷后风冷的模式，而采用二次风冷新工艺，达到少占用地和布置紧凑的目的。并率先在一期工程左岸98.7 m高程系统中采用。2二次风冷骨料在三峡工程中的应用2.1一期混凝土(含制冷)生产

15、系统三峡工程分三期施工，一期(19931997年)工程完成主体工程混凝土348万m3，其中右岸完成247万m3，左岸101万m3。一期混凝土生产系统设备配置如表1。表1一期混凝土(含制冷)生产系统设备配置系统名称系统供应部位供应总量(万m3)拌和楼规模型号铭牌生产能力(m3/h)低温混凝土配置能力(m3/h)夏季低温混凝土生 产 标 准()生产工艺制冷容量配置(104 kcal/h)系统投产时间(年.月)85 m高程系统右岸一期工程250郑州楼4×3(2座)2×2402×15014一次风冷+冰350×21994.121995.498.7 m高程系统左岸一

16、期工程600日本楼2×4.5(1座)3202507二次风冷+冰1 1001996.31996.5二期永久船闸600郑州楼4×3(1座)2402507二次风冷+冰1 1001996.31996.52.1.1右岸85 m高程系统右岸85 m高程系统布置在右坝肩坝轴线下游约600 m处，高程8595 m。供右岸导流明渠、混凝土纵向围堰和三期RCC围堰基础混凝土，因夏季高温月不能浇筑RCC混凝土，仅要求系统夏季生产小于14的低温混凝土。其生产工艺采用一次风冷和加冰拌和。系统首次采用长江委试验工厂生产的扶壁式高效空气冷却器，风冷效果明显提高，生产的低温混凝土均低于14，一般可达101

17、2，最低出现9。2.1.2左岸98.7 m高程系统系统布置于左岸坝轴线下游约1 040 m，永久船闸6闸首及下游引航道轴线300 m台地上。在一期承担左岸混凝土生产任务，二期承担永久船闸混凝土。系统配备日本石川岛公司2×4.5双卧轴强制式拌和楼和郑州水工机械厂4×3自落式拌和楼各1座。2×4.5强制式拌和楼铭牌生产能力320 m3/h，配置夏季低温混凝土生产能力250 m3/h，出机口混凝土温度小于7，首次采用二次风冷及以冰代水拌和混凝土生产工艺，配置制冷容量1 100×104 kcal/h。系统于1995年6月初开工，其中2×4.5拌和楼10

18、月投产，1996年3月一次风冷投入试运行，二次风冷骨料和制冰系统分别于4月、5月投入，同时生产出小于7的低温混凝土，系统运行情况良好，但由于混凝土施工进度安排的原因，全年系统仅完成23.19万m3混凝土，夏季强度为每月1.772.32万m3，生产强度低。因此，有些不明情况同志存在疑虑，为摸清二次风冷的效果，为二期工程夏季低温混凝土生产工艺选择提供可靠依据，1997年夏季，由三峡总公司建设部、长江委设计院、三七八联营总公司等单位对系统组织联合测试，采取组织连续生产测试和模拟产量测试，分别于1996年5月31日、6月1日、8月15日进行3.55.5 h的连续生产测试，其低温混凝土生产强度为1511

19、71 m3/h，模拟生产强度250285 m3/h(加大放料)，其实测混凝土出机口温度为3.77.3，实际平均出机口温度为：5月31日5.5，6月1日6.2，8月15日6.02。通过试验，确认系统生产能力可以达到设计强度250 m3/h和出机口平均温度小于7的标准。1997年12月1617日，由三峡工程开发总公司建设部召开三峡大坝低温混凝土二次连续风冷骨料新技术评审会，专家们一致认为：“98.7 m混凝土生产系统经过1996、1997两年的运行，满足低温混凝土生产要求。至1997年8月共生产低温混凝土62 000 m3，在日平均气温2930(最高温度38)情况下，混凝土出机口温度经过390次测

20、试，平均出机口温度为6.8，8月份实测生产强度151171 m3/h，模拟试验强度达到250285 m3/h，均能达到预定出机口温度7以下，由此可以说明，98.7 m混凝土生产系统二次风冷骨料工艺设计是成功的，运行是良好的，设备选型基本是合理的”。“采用二次风冷新工艺与以往的先水冷后风冷工艺相比，具有工艺简单，温控调幅大，冷量利用率高，占地面积小，施工期短，便于安装拆除，运行操作简便，可节省设备和土建费用等优点，其生产工艺可以在三峡二期工程中推广应用”。2.2二期工程低温混凝土生产系统的建设和运行2.2.1三峡二期工程混凝土生产任务三峡二期(19982003年)工程，共需完成混凝土浇筑量约1

21、860万m3，分年计划如表2。表2二期工程混凝土分年计划进度万m3年份计划工程量年份计划工程量19981182002114199944820031842000560199820031 8602001436注：1998年为实际完成量。 2.2.2系统布置和建议二期工程混凝土总量约1 860万m3，其中左岸需完成约1 686万m3，右岸174万m3。左岸混凝土(含制冷)系统设备配置见表3，系统生产能力核算见表4。表3二期工程左岸混凝土(含制冷)系统设备配置系统名称系统承担部位工程量(万m3)拌和楼型 号拌和楼数 量(座)铭牌生产能 力(m3/h)低温混凝土生产能力(m3/h)制冷容量(104 kc

22、al/h)各系统投产时间(年.月)拌和楼制 冷79 m高程系统泄洪525号坝段，左导墙坝段及护坦混凝土4604×4.526805002150含制冷水1501999.101999.490 m高程系统左厂1114号坝段，左导墙坝段，泄洪14号坝段3094×64×316001998.101999.4120 m高程系统左非1216号坝段，左厂110号坝段3104×324803601500含制冷水2001998.41998.682 m高程系统电站厂房1604×31240180750含制冷水1001998.41998.598.7

23、m高程系统永久船闸及一期续建4472×4.54×31，1320(180)240250(300)1 1001996.31996.5合计1 68692 520(2 380)1 720(1 770)7 000表4系统生产能力核算系统名称系统小时生产能力(m3/h)系统月生产能力(万m3/月)高峰月浇筑强度(万m3/月)系统保证系数常 温混凝土低 温混凝土常 温混凝土低 温混凝土常 温混凝土低 温混凝土常 温混凝土低 温混凝土79 m高程系统68050023.8017.5015.1811.461.571.5390 m高程系统60043021.0015.059.459.232.221

24、.63120 m高程系统48036016.8012.6011.779.561.431.3282 m高程系统2401808.406.305.114.961.641.2798.7 m高程系统42030014.7010.5014.548.921.001.18合 计2 3801 77084.7061.9556.6544.131.511.402.2.31999年夏季高温月各生产系统运行情况(1) 三峡地区气温特点。根据19521982年资料，三峡地区夏季月平均气温见表5。 表5宜昌站气温统计()月 份多年月平均气温月 份多年月平均气温416.9827.6521.5923.2625.61018.4728.

25、2(2) 夏季高温月各系统低温混凝土生产。1999年，三峡工程建设进入二期混凝土施工高峰，全年计划完成混凝土总量448万m3。一季度因处于开挖交面阶段，混凝土浇筑手段尚未形成，79、90 m高程系统刚陆续投入，一季度仅完成混凝土量46.15万m3，二、三季度已进入夏季施工，大量基础约束区混凝土在夏季浇筑，这对低温混凝土生产提出了严格要求，1999年68月为夏季高温月，68月份各系统混凝土生产实测资料统计见表6。 表61999年夏季68月份低温混凝土生产机口温度统计施工项目及部位系统名称拌和楼规格型号6 月7 月8 月生产量(m3)机口温度()生产量(m3)机口温度()生产量(m3)机口温度()

26、714714714泄洪123号79 m高程系统郑州楼4×4.5CIFA楼4×4.5144 543.57.10144 8437.00158 835左导墙及左厂111490 m高程系统郑州楼4×3江申楼4×665 274.66.5082 008.97.2099 611.2I&B标段79、90 m高程系统209 818.16.918.00226 851.97.1010.50258 446.26.778.97左非1218左厂110120 m高程系统郑州楼4×3二座74 8006.048.6775 0006.409.9083 065.56.009

27、.30电站厂房82 m高程系统郑州楼4×344 619.853 726.16.4011.666 837.56.7010.8混凝土合计329 237.9355 578408 349.2永久船闸98.7 m高程系统IHI楼2×4.5郑州楼4×374 7447.3772 5097.4071 873.5各系统合计生产量403 981.96.848.18428 0876.938.75480 186.76.609.35浇筑验收方量395 600418 500451 800(3) 系统生产能力。表6与表4对比，68月份，各系统生产能力已达到三峡工程夏季高峰生产能力，8月份低温混

28、凝土完成45.18万m3，大于进度安排夏季最高月强度44.13万m3。刚投产的79 m高程系统，68月每月完成14.4515.83万m3，超过夏季计划核定量11.46万m3/月。其中1号楼(郑州楼4×4.5)月产83 626 m3，日产最高(1999年8月25日)4 153.5 m3。2号楼(CIFA4×4.5)最高日产(1999年7月29日)4 241 m3，均超过设计日产3 500 m3的生产能力。(4) 二次风冷骨料冷却效果。根据工程温控需要，系统低温混凝土按出机口温度7和1214两种标准生产，其中7标准混凝土用于基础约束区，脱离约束区部位混凝土用1214标准。表6统

29、计了68月份各生产系统实测近4 000个测次的平均值，其中7标准实测值为1.613,小于7标准的合格率约80%；1214标准混凝土实测值为317，合格率97%以上。98.7 m高程系统合格率较低，分别为50.80%和98.5%。根据规定，要求低温混凝土出机口温度的合格率达85%，与此规定相比，7混凝土生产合格率偏低，其原因主要有： 设计生产工艺规定所有骨料均通过二次风冷，生产不同标准混凝土以片冰量调剂，生产7低温混凝土时，由于细骨料含水率不稳定，为控制水灰比，存在加冰量不足； 系统受运输和仓面影响，生产强度不均匀，生产强度过高或系统停歇过长，均对效果有影响； 系统每班需冲霜，相应需停风； 拌和

30、楼设备故障； 生产成本核算的经济原因，制冷机冷冻容量投入不足，根据有关生产记录统计，7、8月份，制冷容量投入仅约50%。7标准各系统情况不同，79 m高程系统的合格率为83.8%、90 m高程系统为66.5%、120 m高程系统为88.1%、82 m高程系统为86.7%、98.7 m高程系统为50.8%。综上所述表明，各系统二次风冷运行，无论是低温混凝土生产强度和冷却效果，均达到预期目的，与先水冷后风冷比较，优点明显，冷却效率高，运行简单、可靠。 3技术经济比较三峡二期工程低温混凝土生产，为确保工程质量，夏季混凝土全部按出机口温度7配置制冷容量，三峡工程与葛洲坝工程同处一个地区，气温条件一致，可比性强，三峡工程低温混凝土采用二次风冷新工艺与葛洲坝工程采用先水冷后风冷工艺相比，其系统配置的制冷容量