大體積混凝土智能溫控技術(shù)研究

鄧寶銳

（中鐵十八局集團(tuán)北京工程有限公司，北京 大興 100162 ）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)髙速發(fā)展，工程建設(shè)項(xiàng)目中大體量筏板混凝土施工應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相對(duì)于普通混凝土結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于其體積較大、施工過(guò)程工藝復(fù)雜、因此對(duì)其質(zhì)量要求高，必須采取特殊的施工技藝，才能確保工程質(zhì)量[1]。

大體積混凝土由于截面大、水泥用量大，會(huì)使其在硬化過(guò)程初期釋放大量的熱。而混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小，水化產(chǎn)生的熱量不易散失，熱量蓄積內(nèi)部從而使溫度升髙較多?；炷帘砻鏌崃坑捎谂c周?chē)h(huán)境進(jìn)行交換而減少，致使溫度降低，造成混凝土內(nèi)外的溫度梯度大，從而產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力。此時(shí)混凝土的強(qiáng)度較低，還不足以抵抗由于溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，因此會(huì)開(kāi)裂。所以做好大體積混凝土溫控措施設(shè)計(jì)、溫度變化監(jiān)控、測(cè)溫記錄及保溫養(yǎng)護(hù)，是確保大體積混凝土工程質(zhì)量十分重要的措施[2]。

一般大體積混凝土通過(guò)預(yù)埋冷卻水管來(lái)減少內(nèi)部溫升，從而防止其開(kāi)裂，而混凝土表面、內(nèi)部、冷卻水等溫度測(cè)量與控制則是降低混凝土溫度應(yīng)力的關(guān)鍵。隨著傳感技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等在工程建設(shè)領(lǐng)域不斷被應(yīng)用，以及“智慧工地”的建設(shè)需要，建立大體積施工過(guò)程智能溫度控制方法與系統(tǒng)對(duì)防止混凝土開(kāi)裂具有重要意義[3]。

1 工程概況

山西晉中寇村整村改造項(xiàng)目3號(hào)地一期工程位于晉中榆次區(qū)西南、榆次工業(yè)園區(qū)七號(hào)路南側(cè)、環(huán)城西路西側(cè)，總建筑面積35.7311.2萬(wàn)㎡，地上建筑面積29.049213萬(wàn)㎡。其中高層住宅樓14棟（17層/26層/27層），共27.639399萬(wàn)㎡，商業(yè)區(qū)1.409814萬(wàn)㎡。設(shè)計(jì)使用年限為50年，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，樁基采用靜壓高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁徑為500mm。住宅樓基礎(chǔ)采用大體積筏板混凝土一次性澆筑。以下結(jié)合該工程實(shí)例闡述筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 大體積混凝土溫度監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 大體積混凝土施工特點(diǎn)

1）本工程筏板混凝土施工特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)尺寸體積較大，屬大體積混凝土，配筋較密，質(zhì)量及防水要求高，筏板基礎(chǔ)板厚1000mm。2）大體積砼多用于地下或半地下建筑結(jié)構(gòu)，常處于潮濕或與水接觸的環(huán)境下。因此除了需滿(mǎn)足強(qiáng)度外，還必須具有良好的耐久性和抗?jié)B性，有的還要求具有抗沖擊或抗震動(dòng)及耐侵蝕性等性能。本工程基礎(chǔ)采用C40抗?jié)B混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P6。3）大體積砼強(qiáng)度等級(jí)較高，單位水泥用量較大，水化熱和收縮容易造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，需通過(guò)優(yōu)化配合比進(jìn)行混凝土開(kāi)裂的預(yù)控。4）大體積砼由于其水泥水化熱不易快散，蓄熱于內(nèi)部，使溫度升高較大，易產(chǎn)生由溫度引起的裂縫。因此對(duì)溫度進(jìn)行控制是施工最突出問(wèn)題。必須處理由于水泥產(chǎn)生的水化熱引起的砼體積變化問(wèn)題，從而最大限度減少砼裂縫。針對(duì)以上大體積砼特點(diǎn)，本工程采用商品混凝土，并結(jié)合該實(shí)例闡述大體積混凝土施工的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)。溫度監(jiān)控通常采用自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)和人工測(cè)溫相結(jié)合的方法進(jìn)行，以自動(dòng)測(cè)溫為主，同時(shí)結(jié)合人工測(cè)溫比對(duì)。

1.2 大體積混凝土溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)目的

在大體積混凝土施工中，中期澆筑溫度、天氣狀況、外界氣溫及水溫等多種原因?qū)炷翜囟葓?chǎng)變化都有一定影響。降低混凝土內(nèi)外溫差，阻止溫度急劇變化，對(duì)防止?jié)沧⑹┕ぶ谐霈F(xiàn)溫度裂縫至關(guān)重要。因此必須實(shí)時(shí)掌握混凝土溫升峰值及里表溫差的變化情況，以確定對(duì)混凝土構(gòu)件表面采取相應(yīng)的保溫覆蓋措施并隨時(shí)調(diào)整[4]。

1.3 溫控項(xiàng)目

對(duì)大體積混凝土施工時(shí)溫度的測(cè)量與控制標(biāo)準(zhǔn)，可依據(jù)規(guī)范GB50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》嚴(yán)格執(zhí)行，即溫控指標(biāo)必須符合如下規(guī)定和規(guī)范：對(duì)混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度），建議不大于25℃;對(duì)于混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值，建議不超過(guò)50℃;對(duì)于混凝土澆筑體表面與大氣溫差，建議不大于20℃；對(duì)于混凝土澆筑體的降溫速率，建議不大于2.0℃/天。所以大體積混凝土施工，有必要對(duì)氣象溫度、環(huán)境溫度、混凝土出機(jī)溫度、原材料溫度、入模溫度、混凝土內(nèi)部溫度、混凝土表面溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，同步、及時(shí)進(jìn)收集處理相關(guān)數(shù)據(jù)才能更系統(tǒng)地分析影響混凝土內(nèi)部溫度變化的原因，從而針對(duì)各因素變換值及時(shí)、有效調(diào)整溫度控制措施。

1.4 測(cè)溫設(shè)系統(tǒng)

對(duì)大體積混凝土施工測(cè)溫，經(jīng)比選確定使用“MCU自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)0.5℃，監(jiān)測(cè)溫度區(qū)間范圍為+130℃～-20℃，其測(cè)量頻率范圍為600Hz-3500Hz（見(jiàn)圖1）。從層級(jí)分析，可分為感知、傳輸和應(yīng)用三個(gè)層次。感知層一般由溫度傳感器、信息數(shù)據(jù)采集器等組成，可對(duì)大體積混凝土施工溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。無(wú)線(xiàn)收發(fā)儀將溫度傳感器和執(zhí)行器與上位機(jī)進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)、準(zhǔn)確傳遞。上位機(jī)和系統(tǒng)軟件的功能是：匯總數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。

在澆筑混凝土?xí)r按設(shè)計(jì)的測(cè)溫點(diǎn)布置圖將溫度檢測(cè)元件埋設(shè)于混凝土中，并引出測(cè)溫線(xiàn)不小于混凝土面4.5m,在混凝土完全覆溫度檢測(cè)元件l小時(shí)后開(kāi)始測(cè)溫記錄。數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)將MCU采集模塊同時(shí)于32組溫度檢測(cè)元件連接，采集由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊之智能接收MCU采集模塊傳送的數(shù)據(jù)并及時(shí)保存，通過(guò)RS232串口對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和計(jì)算機(jī)進(jìn)行串聯(lián)。對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)儀和無(wú)線(xiàn)采集單元參數(shù)設(shè)置結(jié)束后，讀取由無(wú)線(xiàn)采集單元上傳（無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊內(nèi)保存）的可靠測(cè)量數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)庫(kù)文件及生成EXCEL文檔形式進(jìn)行保存。

人工測(cè)溫利用自動(dòng)測(cè)溫預(yù)埋的傳感器和測(cè)溫線(xiàn)，通過(guò)人工手動(dòng)測(cè)溫儀（型號(hào)SZWT-18）進(jìn)行。數(shù)據(jù)取得后再與自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)自動(dòng)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 MCU自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 大體積混凝土溫度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 通水冷卻管布置

冷卻管采用壁厚1mm、管徑25mm的鋼管。在厚1.0m筏板內(nèi)沿豎向布置水管網(wǎng)1層，距離上下距離均為0.5m，其水平間距為1.0m。

1)用厚1.0m筏板沿豎向布置水管網(wǎng)，水管網(wǎng)豎向布置在筏板中間（呈“弓”字形直線(xiàn)布設(shè)）；冷卻管的進(jìn)出口要相互錯(cuò)開(kāi)，伸出筏板面0.4m。進(jìn)水口要有調(diào)節(jié)流量的水閥及測(cè)流設(shè)備，流量預(yù)設(shè)為0.9m3/h，流速0.51m/s。2)冷卻管與鋼筋綁扎固定牢固，管與管之間的連接采用與之配套的接頭，接頭部分用膠帶纏裹，防止?jié)仓炷習(xí)r破壞冷卻管，發(fā)生漏水現(xiàn)象。3)冷卻管網(wǎng)安裝后接通水管進(jìn)行通水試驗(yàn)，保證水管暢通且不漏水。4)冷卻管使用完即灌漿封孔并切除露出筏板部分。

2.2 測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)

該筏板基礎(chǔ)具有體積巨大、混凝土分層多的特點(diǎn)，建議考慮能真實(shí)反映混凝土澆筑體內(nèi)降溫速率、最高溫升、里表溫差和環(huán)境溫度等因素去合理布設(shè)混凝土澆筑體內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的布設(shè)原則，建議如下：

1） 對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置范圍，應(yīng)將所選混凝土澆筑體平面圖對(duì)稱(chēng)軸的半條軸線(xiàn)作為測(cè)試區(qū)，而在測(cè)試區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則按平面分層布置，可參考下列方式去布置：順著混凝土澆筑體厚度方向去精準(zhǔn)布置外面、中間及底面的溫測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)布置的間距不宜大于600mm。2）對(duì)于混凝土澆筑體底面的溫度，建議選取混凝土澆筑體底面上50mm處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)去測(cè)溫。3）對(duì)于混凝土澆筑體的外表溫度，建議選取混凝土外表以?xún)?nèi)50mm處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)去測(cè)溫。

2.3 測(cè)溫頻率

可安排4名技術(shù)員在試驗(yàn)室專(zhuān)職負(fù)責(zé)項(xiàng)目測(cè)溫工作，針對(duì)不同頻率定時(shí)、定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試；當(dāng)遇暴風(fēng)雨、嚴(yán)寒酷暑等極端天氣時(shí)則加大測(cè)溫頻率。

1）混凝土入模溫度：分別于上、下午及晚上對(duì)每個(gè)震搗層監(jiān)測(cè)1次，直致該次澆筑結(jié)束（建議測(cè)點(diǎn)位于表面下5～10cm位置）。2）混凝土出機(jī)溫度:每隔2小時(shí)測(cè)一次，按上、下午和晚上分別進(jìn)行，直致完成該次澆筑。3）原材料溫度：早、中、晚各一次在混凝土澆筑前測(cè)試，直致完成該次澆筑。4）在混凝土覆蓋溫度檢測(cè)完成l小時(shí)后開(kāi)始混凝土內(nèi)部及表面測(cè)溫工作，直至澆筑完后14天。具體頻率可按此操作：第1～3天，每2小時(shí)測(cè)一次；第4～7天，每4小時(shí)測(cè)一次；第8～14天每8小時(shí)測(cè)一次。

2.4 測(cè)溫記錄與分析

1）按頻率測(cè)試后準(zhǔn)確記錄混凝土原材料溫度、出機(jī)溫度、入模溫度、里表溫度和氣溫。

2）數(shù)據(jù)采集后從四方面分析混凝土里表溫度變化情況（見(jiàn)圖2）：

（1）對(duì)于同一豎直平面內(nèi)數(shù)據(jù)，應(yīng)分析自構(gòu)件中心至邊緣各點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線(xiàn)。此曲線(xiàn)也是最重要的曲線(xiàn)，它主要反映了構(gòu)件某時(shí)點(diǎn)豎向溫度場(chǎng)分布，對(duì)于防裂分析極為必要。大體積混凝土施工中規(guī)范要求的里表溫差不大于20%。（2）空間位置某點(diǎn)（某固定測(cè)溫點(diǎn)）的溫度時(shí)間曲線(xiàn)，反映構(gòu)件內(nèi)部某點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)，是分析溫降速率、散熱時(shí)間的重要曲線(xiàn)。大體積混凝土施工中應(yīng)保證混凝土的降溫速率小于2℃/天。（3）同一平面內(nèi)自構(gòu)件中心至邊緣各點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線(xiàn)，主要反映某時(shí)點(diǎn)的構(gòu)件橫向溫度場(chǎng)分布狀況，構(gòu)件輪廓的差異及澆筑順序不同等均可影響該曲線(xiàn)形態(tài)。大體積混凝土施工規(guī)范要求內(nèi)外溫差不大于20℃。（4）冷卻管旁測(cè)溫點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線(xiàn)主要反映冷卻效果。

圖2 大體積混凝土溫測(cè)記錄

3）根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果分析，若溫差超過(guò)規(guī)范要求及時(shí)調(diào)整“內(nèi)排外保措施”。

2.5 系統(tǒng)使用注意事項(xiàng)

1）傳感器在安裝前必須進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為水下lm處浸泡24小時(shí)不損壞即為合格。2）在混凝土澆筑前進(jìn)行溫度檢測(cè)元件布設(shè)，如在施工段鋼筋綁扎結(jié)束后驗(yàn)收鋼筋，可開(kāi)展布點(diǎn)施工，按照施工方案確定的布點(diǎn)平面位置準(zhǔn)確有效地開(kāi)展布點(diǎn)，其外露長(zhǎng)度為伸出澆筑層面4.5m。3）利用膠布將測(cè)溫線(xiàn)和溫度傳感器固定于鋼筋上不同位置，然后綁扎牢固每根鋼筋與筏板鋼筋和定位角鋼。布點(diǎn)完成后，仔細(xì)檢查各傳感器的完好率，發(fā)現(xiàn)損壞及時(shí)更換。4）開(kāi)始混凝土澆筑后，立即派技術(shù)人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好值班工作；澆筑完成后每天派技術(shù)員24小時(shí)值班，仔細(xì)掌握混凝土溫度動(dòng)態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)溫度梯度接近規(guī)范要求臨界點(diǎn)要立即拉響報(bào)警并及時(shí)采取措施，努力降低溫度梯度。5）根據(jù)混凝土溫度降低情況，確定監(jiān)測(cè)時(shí)間，在確?；炷敛灰驕囟仍虍a(chǎn)生裂縫時(shí)才能告一段落。6）提醒相關(guān)技術(shù)人員在混凝土澆筑時(shí)盡量避開(kāi)溫度傳感器；想方設(shè)法在振搗混凝土?xí)r，距傳感器距離應(yīng)在25cm以上，如此才能有效保護(hù)傳感器；同時(shí)要保護(hù)導(dǎo)線(xiàn)，避免將其拉斷。

3 結(jié)論

通過(guò)建立MCU自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土溫度檢測(cè)方法的缺陷，提髙了溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土施工溫度監(jiān)測(cè)、分析、控制與預(yù)警智能化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性髙、成本低等特點(diǎn)。同時(shí)其監(jiān)控溫度的范圍廣、精度髙，操作簡(jiǎn)單，對(duì)大體積混凝土施工的溫度監(jiān)控具有較好效果，可廣泛應(yīng)用于混凝土的溫度監(jiān)測(cè)。