基礎(chǔ)大體積混凝土溫度動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

何熊偉

(中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610031)

0 前 言

大體積混凝土澆筑后，水泥水化放出大量的熱量會使混凝土內(nèi)部的溫度升高?；炷帘砻嫔彷^快，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)較厚，且自身導(dǎo)熱性能差，水泥水化的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，使混凝土內(nèi)外溫差大，在大體積內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力足夠大時，會產(chǎn)生貫穿整個界面的溫度裂縫，給結(jié)構(gòu)帶來重大的損傷，嚴重地影響工程結(jié)構(gòu)安全。因此，在大體積混凝土的施工中，對混凝土內(nèi)部的溫度進行動態(tài)監(jiān)控為大體積混凝土采取裂縫控制措施提供依據(jù)，是保證大體積混凝土施工質(zhì)量的重要舉措。

對大體積混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)控，廣大的工程師、學(xué)者進行了大量監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用[1-6]。李東明[3]以地鐵車站工程島式站臺為例，通過現(xiàn)場溫度監(jiān)測點的選取、布置及數(shù)據(jù)采集分析，監(jiān)測了此大體積混凝土峰值溫度，提出對混凝土養(yǎng)護要求。后超等[4]設(shè)計開發(fā)了混凝土監(jiān)測系統(tǒng)，對大體積混凝土施工全過程進行實時的溫度監(jiān)測，實現(xiàn)了智能化的混凝土監(jiān)測方法。段春偉等[5]提出大體積混凝土施工現(xiàn)場溫度監(jiān)測的有效控制措施，針對提高測溫記錄的完整性和真實性，設(shè)計出一種新型測溫保護裝置。侯金波等[6]以天津高銀117大廈筏板基礎(chǔ)為例，進行了大體積混凝土溫度監(jiān)測應(yīng)用實踐，精確掌握該工程混凝土內(nèi)部溫度、各關(guān)鍵部位的溫差等數(shù)據(jù)。但針對基于溫度傳感器和無線采集傳輸平臺的智能測溫系統(tǒng)的研究應(yīng)用相對較少。

本文以某超高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土為背景，采用設(shè)計開發(fā)的DS18B20型溫度傳感器配合自動采集無線傳輸平臺，在保證監(jiān)測精度及數(shù)據(jù)完整的前提下，具備對整個大體積混凝土內(nèi)部溫度的實時采集和無線傳輸?shù)裙δ?，能有效地在大體積混凝土信息化施工中實現(xiàn)及時、有效地傳輸信息，同時不受地域限制。

1 工程概況

某建筑高度為343.255 m，為超高層辦公樓，采用了柱下條基、筏板及抗水板的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，厚度分別為4.0、4.0、0.9 m，筏板區(qū)域局部厚度達6.0 m，基礎(chǔ)平面示意見圖1。

圖1 基礎(chǔ)平面布置示意

基礎(chǔ)混凝土采用C40混凝土，3天抗壓強度f3≥17.0 MPa，28天抗壓強度f60≥42.5 MPa，彈性模量EC=3.25×104MPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2343 kg/m3。整個基礎(chǔ)澆筑方量為8 350 m3，屬于典型的大體積混凝土。

2 監(jiān)測儀器及控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 監(jiān)測儀器

基于DS18B20溫度傳感器的自動采集無線傳輸系統(tǒng)由無線溫度監(jiān)測儀器和無線溫度采集監(jiān)控平臺兩部分組成，見圖2～3。該無線傳輸監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)大體積混凝土測溫數(shù)據(jù)的長距離、異地監(jiān)測采集，可在非工作時段處于休眠狀態(tài)，對供電要求大幅減少，無需另行鋪設(shè)供電線纜，系統(tǒng)設(shè)備體積小，便于安置，且成本大幅降低，監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有實時性、精準(zhǔn)性、完整性。

圖2 無線溫度監(jiān)測儀器

圖3 無線溫度采集監(jiān)控平臺

設(shè)備通電后自動采集數(shù)據(jù)連接至指定服務(wù)器，上傳當(dāng)前實時數(shù)據(jù)，然后進入待機狀態(tài)，等待設(shè)定的時間啟動數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)時按順序采集當(dāng)前探頭的溫度數(shù)據(jù)，將每個探頭的數(shù)據(jù)緩沖至內(nèi)存，然后上傳至服務(wù)器中。

溫度監(jiān)控平臺從服務(wù)器中獲取歷史溫度數(shù)據(jù)進行瀏覽，溫度監(jiān)控軟件開啟時，服務(wù)器新采集的數(shù)據(jù)也會自動推送至溫度監(jiān)控軟件上，即可實時顯示溫度實況。

該溫度監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)特點如下：

1) 實時采集。數(shù)據(jù)采集器可實現(xiàn)每隔一分鐘采集一次溫度數(shù)據(jù)，可實時反應(yīng)溫度數(shù)據(jù)曲線。

2) 低能耗，安裝便捷。采集上報數(shù)據(jù)完成，立即進入待機狀態(tài)，這樣可以采用電池供電，可每周更換一次電池，無需為供電而進行布線，方便工程安裝監(jiān)檢使用。

3)溫度、溫差報警?？稍O(shè)定上、下溫度報警、溫差報警，減少人工干預(yù)。

4) 采集數(shù)據(jù)精確、可靠。采集數(shù)據(jù)精度0.1℃，數(shù)據(jù)精確、穩(wěn)定可靠。

2.2 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

混凝土開始澆筑，即進行測溫監(jiān)測?；炷羷偢采w探頭時，此探頭溫度為混凝土入模溫度，可根據(jù)混凝土入模溫度測算混凝土的最高溫度，及時調(diào)整保溫及降溫措施。

混凝土澆筑完成后，監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

1) 混凝土里表溫差不得大于25℃；

2)混凝土表面與大氣溫差不得大于20℃；

3)混凝土冷卻水管入水溫度與混凝土內(nèi)部最大溫差不得大于25℃。

3 測點布置

根據(jù)對大體積混凝土研究分析[2]及有限元模擬分析，對核心筒筏板基礎(chǔ)管冷采用豎向間距為1.0 m，水平間距為1.5 m，條形基礎(chǔ)冷管按照水平間距1.7 m，豎向間距1.0 m進行布置，布置平面見圖4。整個基礎(chǔ)上表面為覆蓋5 cm的麻袋，并超出筏板基礎(chǔ)邊界1.0 m。根據(jù)有限元模擬結(jié)果在大體積混凝土內(nèi)布置冷管后設(shè)置17個測溫監(jiān)測點，筏板基礎(chǔ)按對稱原則布置11個監(jiān)測點，條形基礎(chǔ)布置6個監(jiān)測點，抗水板因厚度相對較小故未布置監(jiān)測點。由于基礎(chǔ)厚度不一致，同時還需要監(jiān)測大氣及混凝土表面的溫度，故分為A、B兩類測位探頭布設(shè)，見圖5。T7、T8兩個測溫監(jiān)測點厚度達6.0 m，故T7、T8兩測溫監(jiān)測點的測位探頭按照A類測位探頭布設(shè)，其余的均按照B類測位探頭布設(shè)。監(jiān)測大氣溫度的測位探頭距混凝土面300 mm，監(jiān)測混凝土表面溫度的測位探頭置于麻袋覆蓋面下，監(jiān)測混凝土內(nèi)部最上端和最下端的測位探頭距混凝土面距離100 mm，混凝土內(nèi)部其余測位探頭則均勻分布。

圖4 溫度監(jiān)測儀測點布置

(a)A類測位探頭布設(shè)

(b)B類測位探頭布設(shè)

4 監(jiān)測結(jié)果分析及調(diào)整措施

4.1 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)該溫度監(jiān)測系統(tǒng)對大體積混凝土施工過程的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，完全采集到了對應(yīng)17個監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)，限于篇幅的原因，選取核心筒筏板T1測點的監(jiān)測導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行分析，T1測點溫度監(jiān)測時程曲線，見圖6。對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行處理，得到T1測點里表溫差時程曲線、T1測點表面與大氣溫差時程曲線，見圖7～8。

圖6 T1測點溫度監(jiān)測時程曲線

圖7 T1測點里表溫差時程曲線

圖8 T1測點表面與大氣溫差時程曲線

由圖6～8可以看出，該溫度監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有效、完整，同時保證數(shù)據(jù)采集精度。

根據(jù)以上監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)顯示得出以下結(jié)論。

1)核心筒筏板基礎(chǔ)內(nèi)部的最高溫度出現(xiàn)在開始澆筑后的90 h左右，最高溫度數(shù)值為64.2℃，與數(shù)值模擬的溫度數(shù)值接近。

2)最大里表溫差數(shù)值均在規(guī)范要求25℃的控制范圍內(nèi)，且表面與大氣溫差亦在規(guī)范要求20℃的控制范圍內(nèi)。

3)過溫度峰值后，通冷卻水的以上監(jiān)測點的降溫幅度分別為1.47℃/d，滿足規(guī)范要求降溫幅度不宜超過2℃/d。

4.2 監(jiān)測結(jié)果調(diào)整措施

在混凝土澆筑過程中，指定專人負責(zé)掌握基礎(chǔ)內(nèi)部實際溫度變化情況，對布設(shè)點時時進行監(jiān)視溫度及溫差變化情況，以調(diào)整冷管入水溫度及養(yǎng)護措施，調(diào)整措施如下。

1) 當(dāng)混凝土里表溫差超過20℃，接近25℃時應(yīng)加強保溫措施，增加保溫層厚度。

2) 當(dāng)混凝土冷卻水管入水溫度與冷卻水管入水口混凝土溫度差值接近25℃時，應(yīng)提高冷卻水管水溫，保證溫差不大于25℃。

3)當(dāng)混凝土表面與大氣溫差小于20℃時，可拆除保溫層。

4) 當(dāng)混凝土里表溫差小于25℃時，可停止通水。

4.3 應(yīng)力監(jiān)測

混凝土應(yīng)變監(jiān)測點布設(shè)于核心筒筏板基礎(chǔ)的中心點，監(jiān)測點布設(shè)上、中、下共3個測位，每個測位兩個方向，并在混凝土澆筑完成后開始實施數(shù)據(jù)采集，混凝土內(nèi)部的最大應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 混凝土內(nèi)部最大應(yīng)力監(jiān)測

由表1可以看出，混凝土的實測最大應(yīng)力與模擬理論最大應(yīng)力相近，且最大拉壓應(yīng)力均未超出C40混凝土的抗拉、抗壓強度，并由現(xiàn)場抽點檢查，基礎(chǔ)底板未出現(xiàn)裂縫。

5 結(jié) 語

自主設(shè)計開發(fā)的自動采集無線傳輸系統(tǒng)成功應(yīng)用于本工程基礎(chǔ)大體積混凝土的施工，具備的無線傳輸功能完全解決了溫度采集受施工現(xiàn)場的限制，監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、精準(zhǔn)性及完整性為監(jiān)測溫度控制及養(yǎng)護措施提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，同時為本工程基礎(chǔ)大體積混凝土的施工質(zhì)量提供了保障。本次大體積混凝土的溫度自動采集無線傳輸系統(tǒng)為類似的大體積混凝土溫度監(jiān)測提供了寶貴經(jīng)驗。

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