光纖測(cè)溫在水工大體積混凝土防裂中的應(yīng)用

□熊 偉 □翟春明（河南省水利第二工程局）

□衡銀亮（駐馬店市板橋水庫(kù)管理局）

光纖測(cè)溫在水工大體積混凝土防裂中的應(yīng)用

□熊 偉 □翟春明（河南省水利第二工程局）

□衡銀亮（駐馬店市板橋水庫(kù)管理局）

光纖測(cè)溫技術(shù)利用Stokes光與Anti-Stokes光原理，在大體積混凝土溫控防裂中較電子測(cè)溫儀法、電阻測(cè)溫法、測(cè)溫管法等更能凸顯優(yōu)勢(shì)，通過埋設(shè)在混凝土內(nèi)的測(cè)溫光纖，從混凝土開始澆筑到工程運(yùn)行后的任何時(shí)間都能夠方便地了解混凝土內(nèi)任一點(diǎn)的溫度，測(cè)溫誤差小，使用方便，及時(shí)性好，可廣泛應(yīng)用于大體積混凝土溫控防裂工作中。

光纖測(cè)溫；大體積混凝土；溫控防裂

1 概述

混凝土是一種由膠凝材料把各種骨料凝結(jié)在一起的人造剛性石材，其抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度1/10左右，自身特點(diǎn)決定了其極易產(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生裂縫的原因一般有三種：溫度裂縫、干縮裂縫和碳化裂縫。形象地說，快速往玻璃杯內(nèi)倒熱水，杯子會(huì)因杯壁內(nèi)外溫度不一、膨脹值不等而破裂，這就是溫度裂縫。

實(shí)踐證明，大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因?yàn)槭湛s裂縫。大體積混凝土澆筑后，由于水泥在水化凝結(jié)過程中，要散發(fā)大量的水化熱，使混凝土體積膨脹，此時(shí)，混凝土產(chǎn)生較小壓應(yīng)力。待達(dá)到最高溫度以后，隨著熱量向外部介質(zhì)散發(fā)，溫度將由最高溫度降至一全穩(wěn)定溫度或冷穩(wěn)定溫度場(chǎng)，將產(chǎn)生一個(gè)溫差。如果澆筑溫度大于穩(wěn)定溫度（準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)），該溫差更大。此時(shí)，混凝土因?yàn)榻禍貙l(fā)生體積收縮，由于受周圍約束將出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于此時(shí)混凝土材料本身所能提供的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生了裂縫。

河口村水庫(kù)兩座進(jìn)水塔混凝土工程量共計(jì)15.20萬(wàn)m3，最大倉(cāng)位6500m3，為常態(tài)大體積混凝土，由于環(huán)境、材料和施工設(shè)備的限制，早期防裂能力面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)，這就需要在混凝土開始澆筑之前制定一套行之有效的應(yīng)對(duì)開裂風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)備措施與管理系統(tǒng)，光纖測(cè)溫與防裂系統(tǒng)正是為了應(yīng)對(duì)上述問題而開發(fā)的。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 組成及原理

系統(tǒng)由溫控預(yù)報(bào)、光纖測(cè)溫、抗力評(píng)價(jià)三大部分組成。其原理如下：分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)（又稱DTS）通常由激光光源、傳感光纖（纜）和檢測(cè)單元組成，它是一種自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其溫度測(cè)量是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射原理，即在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生向后散射光波，這些光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而改變，將散射回來的光經(jīng)波分復(fù)用、檢測(cè)解調(diào)后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)，便可將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向回波的時(shí)間可定位這些信息。

由光纖測(cè)溫系統(tǒng)向光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光會(huì)以略低于真空中光速的速度向前傳播，同時(shí)向四周發(fā)射散射光。散射光的一部分又會(huì)沿光纖返回到入射端。

2.2 工作目標(biāo)

上述研究?jī)?nèi)容與開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)施，可以幫助工程建設(shè)者解決以下3個(gè)問題：一是混凝土澆筑前的合理入倉(cāng)溫度在溫控預(yù)報(bào)技術(shù)支持下完成；二是混凝土澆筑完畢后的真實(shí)溫度——在光纖測(cè)溫技術(shù)支持下完成；三是混凝土施工完成后開裂風(fēng)險(xiǎn)度——在開裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)支持下完成。上述3個(gè)子項(xiàng)的落實(shí)，做到“混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)”。

通過以上三項(xiàng)技術(shù)，達(dá)到如下效果：一是沒有危害性裂縫產(chǎn)生；二是迎水面和流道層混凝土表面不產(chǎn)生裂縫；三是非迎水面沒有超過0.50mm的裂縫產(chǎn)生。

3 光纖布設(shè)

以測(cè)溫儀為起點(diǎn)，按光纖在混凝土中的鋪設(shè)順序用圖1所示的反向埋線法進(jìn)行鋪設(shè)。光纖的倉(cāng)面布置分水平和高程兩個(gè)方向，在高程方向上，為使所測(cè)溫控?cái)?shù)值具有代表性，布設(shè)時(shí)距離冷卻水管不短于1.00m；在水平方向上，避開灌漿孔位置，以防鉆孔斷纖。布設(shè)過程中，在老混凝土上鉆孔，支座焊接鋼筋骨架，把光纖固定在骨架上。布設(shè)后，詳細(xì)記錄光纖沿線關(guān)鍵位置，并繪制光纖布置草圖，混凝土澆筑時(shí)自然覆蓋光纖。

圖1 光纖引線方式示意圖

4 光纖固定觀測(cè)

光纖溫度信號(hào)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控室主控微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理與儲(chǔ)存，通過預(yù)設(shè)的代表點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度，當(dāng)混凝土內(nèi)表溫差>25℃時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒工程建設(shè)者及時(shí)采取溫控措施，以防止裂縫的發(fā)生。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 為優(yōu)選水泥品種提供依據(jù)

普通硅酸鹽水泥水化熱高、發(fā)熱速度快，如果溫控措施不到位，極易形成溫度裂縫，給工程帶來不良影響從而耽誤施工進(jìn)度。而中低熱水泥水化熱低，溫度上升相對(duì)緩慢，能很好的實(shí)現(xiàn)水泥性能的低熱高強(qiáng)，有效減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

在施工現(xiàn)場(chǎng)分別用3種水泥拌制并澆筑1.00m的立方體試塊，模板外側(cè)粘貼50mm厚的高密度苯板以保溫，試塊中心埋設(shè)測(cè)溫光纖，澆筑后48h混凝土中心溫度達(dá)到最高，其中采用普通42.50水泥、42.50中熱水泥和42.50低熱水泥的混凝土中心最高溫度分別為52.70℃，48.50℃和46.40℃，中低熱水泥優(yōu)勢(shì)明顯。由于河南不生產(chǎn)低熱水泥，故選用了發(fā)熱量相對(duì)較低的中熱水泥澆筑兩個(gè)進(jìn)水塔，混凝土澆筑后未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。

5.2 為大體積混凝土澆筑溫控措施的采用提供依據(jù)

相對(duì)來說，混凝土入倉(cāng)溫度越高澆筑后中心溫度峰值就越高，當(dāng)中心與表面溫差值超過25℃時(shí)，開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯加大，因此在大體積混凝土開倉(cāng)澆筑前，根據(jù)澆筑計(jì)劃、所用材料和天氣預(yù)報(bào)等，對(duì)澆筑后中心最高溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，采用事前、事中和事后措施控制裂縫的發(fā)生。

就本工程而言，通過溫控預(yù)報(bào)，建設(shè)者事前采取了降低骨料溫度與冷卻水拌和的措施來降低混凝土入倉(cāng)溫度；事中采取了澆筑過程中即通水冷卻的削峰措施；事后采取了覆蓋保溫被以降低中心與表面溫差的措施。這些措施的采用，提高了大體積混凝土抗力，有效地避免了裂縫的產(chǎn)生。

5.3 為優(yōu)化冷卻通水時(shí)間提供依據(jù)

大體積混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，其作用是削減內(nèi)部溫度峰值，內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后沒有回升，說明自然散熱與水泥水化熱在那一刻基本達(dá)到平衡，此后即使不通水，自然降溫速度也會(huì)超過規(guī)范“每天1度”的規(guī)定，如果繼續(xù)通水冷卻，就會(huì)出現(xiàn)“人造高峰降溫”，既不利于工程質(zhì)量，又會(huì)加大施工成本。如圖2。

圖2 發(fā)熱率與散熱率曲線

因此，在混凝土澆筑過程中即開始大流量地通水冷卻，當(dāng)光纖測(cè)溫發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部達(dá)到最高溫度且開始回落時(shí)，及時(shí)通知建設(shè)者停止冷卻水管通水冷卻。

5.4 為導(dǎo)流洞封堵接觸灌漿提供時(shí)機(jī)依據(jù)

設(shè)計(jì)要求，當(dāng)封堵混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到14℃時(shí)，冷卻水管悶水測(cè)溫，以檢驗(yàn)混凝土內(nèi)部是否達(dá)到恒定溫度，達(dá)到后方允許進(jìn)行接觸灌漿。由于封堵混凝土內(nèi)埋設(shè)了測(cè)溫光纖，從封堵混凝土開始澆筑到悶水測(cè)溫結(jié)束，能夠隨時(shí)知道混凝土內(nèi)部溫度，誤差<0.10℃，為導(dǎo)流洞封堵接觸灌漿提供了時(shí)機(jī)依據(jù)。

5.5 為進(jìn)水塔接縫灌漿提供時(shí)機(jī)依據(jù)

河口村水庫(kù)兩座進(jìn)水塔下部各設(shè)置一道豎向結(jié)構(gòu)縫，把進(jìn)水塔劈為兩半，其中1#進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)縫高25m，2#進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)縫高30.50m，設(shè)計(jì)要求灌區(qū)兩側(cè)混凝土齡期≥6個(gè)月,溫度必須達(dá)到穩(wěn)定溫度10℃時(shí)方允許進(jìn)行接縫灌漿，由于在混凝土澆筑過程中埋設(shè)了測(cè)溫光纖，在建設(shè)者對(duì)混凝土進(jìn)行了一期通水冷卻和二期通水冷卻后，灌區(qū)兩側(cè)混凝土溫度是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，通過終端顯示器可以清楚地看到，進(jìn)而為兩座進(jìn)水塔接縫灌漿提供時(shí)機(jī)依據(jù)。

5.6 為混凝土缺陷處理提供時(shí)機(jī)依據(jù)

在骨料沒有風(fēng)冷條件的情況下，高溫季節(jié)澆筑的大體積混凝土不可避免地出現(xiàn)溫度裂縫，其它溫控措施的采用只能相應(yīng)地減少裂縫的發(fā)生。

大體積混凝土裂縫處理，要求混凝土經(jīng)過了一個(gè)冬季，內(nèi)部溫度相對(duì)穩(wěn)定后進(jìn)行。對(duì)于出現(xiàn)裂縫的部位，可通過光纖測(cè)溫觀察其內(nèi)部溫度是否已經(jīng)穩(wěn)定，進(jìn)而確定裂縫處理的時(shí)機(jī)。

5.7 為混凝土裂縫原因提供分析依據(jù)

混凝土發(fā)生裂縫的原因很多，主要由干縮、混凝土自身質(zhì)量、水泥水化熱、溫度、鋼筋銹蝕、地基變形、荷載、堿骨料反應(yīng)、地基凍脹等原因引起。裂縫形式主要有溫度裂縫、干縮裂縫和碳化裂縫，如果混凝土內(nèi)外溫差沒有超過規(guī)范規(guī)定的25℃，則可以判定該裂縫不是水泥水化熱而形成的溫度裂縫，裂縫的形成原因需從其他方面進(jìn)行研究，如果混凝土內(nèi)外溫差超過了規(guī)范規(guī)定的25℃，則可直接判定為溫度裂縫。因此，光纖測(cè)溫為混凝土裂縫形成原因提供了分析依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

光纖測(cè)溫技術(shù)利用Stokes光與Anti-Stokes光原理，在大體積混凝土溫控防裂中較電子測(cè)溫儀法、電阻測(cè)溫法、測(cè)溫管法等更能凸顯優(yōu)勢(shì)，通過埋設(shè)在混凝土內(nèi)的測(cè)溫光纖，從混凝土開始澆筑到工程運(yùn)行后的任何時(shí)間都能夠方便地了解混凝土內(nèi)任一點(diǎn)的溫度，測(cè)溫誤差小，使用方便，及時(shí)性好，可廣泛應(yīng)用于大體積混凝土溫控防裂工作中，對(duì)需進(jìn)行溫度控制的工程項(xiàng)目具有指導(dǎo)意義。

[1]張捷.混凝土施工中裂縫產(chǎn)生原因及預(yù)防措施[J].農(nóng)村科技,2010,(7):114-115.

TQ342+.82TV544+.91

B

1673-8853（2014）06-0024-02

熊 偉（1963-），女，工程師，長(zhǎng)期從事水利水電工程施工管理工作。

2014-01-11

劉長(zhǎng)垠）