混凝土水管冷却布置方式实验探讨

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(石家庄铁道大学，石家庄 050043)

0 引 言

大型混凝土在现实中的应用越来越广泛，针对混凝土裂缝这个问题，很多专家学者也进行了深入的研究和探索，比如朱伯芳等人。他们不仅在软件方面通过程序模拟混凝土内部的温度场，而且在理论方面也进行了充分的计算，得出了冷却水温，通水流量，水管管径，对混凝土散热的影响规律。但是他们都是从理论的角度进行论证，没有经过实际的实验。文中便通过实验的手段针对冷却水管布置方式进行了验证，而且也进行了添加相变材料的效果比较，并得出了相应的结论。

1 研究背景

水泥水化过程产生大量水化热，同时混凝土导热系数较低，故热量不容易散发，结构内部快速升温后缓慢降温，形成较大的温度梯度，容易产生裂缝。一旦裂缝产生，将严重影响结构的安全、美观、抗渗和耐久性等。基于此，关于大体积混凝土水化热方面的研究一直为工程结构界所关注[1-2]。

对于大体积混凝土结构的研究，在土木工程领域已比较多，而在工业与民用建筑、桥梁工程中，研究较少。在土木工程中混凝土体积相对较小，但是并不代表混凝土的温度应力可以忽略，为了保证结构的安全，有必要对此问题进行研究，从而找出一些可行的方法或措施来解决混凝土水化热过程会存在的问题。水管冷却在施工中已经逐渐使用，但学者们的研究都在理论上分析，本文通过实际的实验和数据来探讨水管布置单管和蛇形管的效果差别[3-4]。

2 实 验

2.1 水泥试件

选取水化热较多的C50型号的混凝土，试件各个原料的配比水泥20.9%，砂30.0%，中石子32.6%，小石子15.9%，水2.6%。添加相变材料试件另加200 g三水合乙酸钠。

2.2 构件型号

采用35×19×19 mm的塑料透明整理箱装混凝土制块进行试验测量，为了模拟大型混凝土内部水化热温度变化情形，在整理箱内侧用橡塑保温，为了试验中进行比较，同时浇注四个混凝土块：第一块混凝土块中在塑料箱中部放一根内径8 mm导热系数为22 J/(m·s·k)的康铜管；第二块混凝土块中放两根相同的康铜管；第三块(1号)在浇筑前在混凝土加入相变材料三水合乙酸钠并混合均匀，第四块(2号)中不加任何其他东西做为对照组。

2.3 测点布置

四组混凝土块在浇筑过程中用内径为10 mm的塑料管布置好测点，每块混凝土块布置两个测点，并且四组的测点位置相同，每块混凝土的第一个测点布置在混凝土的中心，第二个测点布置在距离边10 cm处。3.1.5测量工具

2.4 实验设备

这次试验采用wzp型号pt100的铂热电阻测量混凝土内部的温度变化，用与热电阻相匹配的XMT-102数显调节仪显示温度。

2.5 试验步骤

(1)粘贴保温材料。冷却水管穿插位置打孔。

(2)预连接管路。为保证混凝土浇灌完成后能够尽快进行测量试验，需提前将其他设备准备就绪。恒温水浴：在水浴内注满自来水，调节到设计的温度，并开启电源。循环水泵：在水泵出口处安装阀门管件，使其有两个出口能够同时供水，将水泵浸入恒温水浴中，暂不接电(通电后即运行)。胶管：用胶管连接各个设备，水在胶管中流通，从水泵的两端分别引出一根胶管准备和冷却水管连接，为其通水冷却。

(3)配置混凝土。试验采用C50混凝土，根据计算好的配比，对各种原料称重，并放入混凝土搅拌机中搅拌，将搅好的混凝土灌入保温箱中，送到实验地点。

(4)预埋测温套管。冷却套管为一种空心管，目的为方便测温热电偶插入测温，位置如之前设计点，并用保温材料盖上盖。

(5)连接管路。将双管试件的一段用胶管连接以模仿蛇形布置，另一端为进出水管。循环水泵一端引出管接单管试件的一端，试件另一端出口直接引回恒温水浴循环。循环水泵另一端引出管接双管试件的一端，试件另一端出口直接引回恒温水浴循环。

(6)接通水泵电源，水泵运行，水开始在管内流动。试验正常进行。

(7)数据测量。测量时将热电偶插入测温套管中，观察仪表数值变化，待温度值稳定后记录数据。

(8)每间隔半小时测量一次，对4个试件8个测温点都需测量，持续测量24 h，并依此记录数据。

(9)试验结束后，关闭电源，将设备管件依此拆除，实验试件及设备装好存放。

(10)整理数据，并进行分析。

2.6 实验数据分析

2.6.1 总体分析

将实验数据按照时间温度绘制成图表，变化规律如图1所示。

图1 所有测点温度时间变化图

由图1整体上看，布置单管和布置蛇形双管的试件经历开了一个温度逐渐升高又逐渐降低的过程，大约在16 h的时候温度达到峰值，最后逐渐下降且下降梯度较小。

1号添加相变材料试验块和空白对照试验块在22 h内一直处于上升阶段，但上升速度很慢，可以推测这两个试件也即将达到温度峰值并缓慢降温，且峰值比布置水管时峰值要高。

可以看出布置冷却水管，可以促进混凝土的水化热释放，缩短混凝土的度时级，是混凝土在同一时刻成熟度更高。

添加相变材料的试件在11 h后温度开始明显低于空白对照试件且坡度变缓。

2.6.2 单管和蛇形管的比较

(1)两个试件中间温度的差异

温度时间变化如图2所示。

图2 单管和蛇形管中部温度时间变化图

由图2可以看出在18 h之前。双管中部的温度一直高于单管中部温度，18 h后两个温度基本持平。

对于这个现象是和理论基本一致的，布置蛇形双管中部温度高是由温度测点的布置位置导致的，双管试件的中部测点位置在两管中间而中部单管布置的试件中部温度测点在水管旁边，故单管中部测点距离水管的距离要更近一点，冷却水管可以通过换热降低周围混凝土的温度，所以单管中部的温度会偏低。18 h后，两个温度都下降缓慢基本持平。

(2)两个试件侧边温度的差异

温度时间变化如图3所示。

图3 单管和蛇形管侧边温度时间变化图

由图3可以看出，在温度达到温度峰值之前，双管侧边的温度是高于单管侧边温度的，从测点距离水管的距离来看，双管侧边测点位置距离水管是近的，理论上温度应该低，可是试验数据证明这是错误的，也就是说布置双管试件在侧边体现出的散热效果是不如单管的，可以初步得出结论，蛇形布置双管并不如单管布置效果好。下面进行分析解释。

在相同的实验条件下，单管和蛇形双管有相同的入口温度，但是流体在其中的流程是不同的，一定入口温度的流体进入水管后会吸收混凝土水化热从而自身温度升高，所以流体越往后温度越高，当经过第一根管后到达第二根时流体温度已经上升了，也就降低了其冷却效果，从而导致侧边的温度还要高于单管试件侧边的温度。

以上可以证明，蛇形管布置方式在换热效果上是不如单管布置的。

(3)添加相变材料对混凝土水化热的影响

如图4和图5分别为两个试件中部温度和侧边温度的比较。

图4 相变材料试件中部温度比较图

图5 相变材料试件侧边温度比较图

由图可以看出，1号添加相变材料的试件无论是中部还是侧边的温度基本上是始终低于空白对照试件的，这就说明添加相变材料后对混凝土的凝固起到了一个副作用，它使得同一时刻的混凝土成熟度变低，也是混凝土的度时级变小。而且从我们实验的现象来看，添加相变材料后混凝土时发生了反应的并产生了白色泡沫状物质，这在工程上是绝对不可以的。

得出结论，添加相变材料没有对混凝土水化热散热起到良好的效果，由于实验可能不够完善，但也可以初步得出结论，混凝土如果采用添加相变材料促进散热的话对相变材料的要求也是非常高的。

此外复合相变材料的研究涉及几个方面的问题,相变热的大小,化学及物理稳定性,导热性,制备是否简单易行。这都和相变材料的制取有关,因此如何选取支撑物及相变材料成了日后研究的主题。为此,要注重以下方面的内容:

(1) 相变材料必须具有大的相变热,合成后的相变材料也必须就有可以接受的相变热,即复合相变材料相变热必须能够满足实际应用的要求。

(2) 要具有合适的相变温度,这里的相变温度范围需跟应用要求相一致。

(3) 要具有合适的热导率,即热量能够迅速的传递。

(4) 化学物理性质要稳定,即相变过程中复合相变材料不会分解,也不会发生渗漏等现象。相变材料要过冷度小,相变速度快。

(5) 要易于生产,成本要低。

具体来说,就是要研究出一系列成体系的相变材料,要改善支撑物的力学热学性能,要实现生产工业化,利用大众化。随着社会的进步,人们对环境的要求越来越高,选取适合的相变材料来减小混凝土的水化热并且不影响它的性能必将得到广泛的应用。

3 结 论

通过以上对数据的分析可以大体得到以下结论：

在蛇形管布置和单管布置中，单管布置的效果是好于蛇形管的，考虑到工程中施工问题不宜设置太多入水口，但也要尽量减少蛇形管的长度，从而两者结合达到更好的效果。

添加相变材料并非可以很好的吸收混凝土水化热而不造成其他的影响，实验中就产生了排斥造成了副作用，因此可以证明对于化学变化是非常严谨的，工程中如果要采用相变材料，对材料的要求是极度苛刻的。会超过其成本不会带来好的效益。

[1] 朱伯芳.聚乙烯冷却水管的等效间距[J].水利水电技术，2002．

[2] 马云龙，贾艳敏，严古龙.预应力混凝土T型梁水化热温度测试与分析[J].森林工程，2014，39(2)：130-134.

[3] 朱伯芳.考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程[J].水利学报，1996．

[4] 朱伯芳.大体积混凝土非金属水管冷却的降温计算[J].水利发电，1996．