基于無線測溫技術(shù)的超大直徑盾構(gòu)管片裂縫控制研究

張益翔，楊松強

(1.中交裝配式建筑科技有限公司，北京 100024； 2.北京東六環(huán)管片預(yù)制廠，河北 廊坊 065906)

0 引言

盾構(gòu)管片的裂縫控制是影響成品質(zhì)量的關(guān)鍵，而溫度則是引起管片開裂的主要原因之一。設(shè)計要求在各個養(yǎng)護階段，管片自身溫度與環(huán)境溫差不得超過20℃。因此，其生產(chǎn)過程中各個養(yǎng)護階段的溫度如何控制就顯得尤為重要。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，學術(shù)界對于盾構(gòu)管片生產(chǎn)的溫度控制持有不同觀點。謝鴻飛[1]研究了不同靜養(yǎng)時間、升溫速率、恒溫溫度、恒溫時間和降溫速率對盾構(gòu)管片高性能混凝土的影響。試驗結(jié)果表明：靜養(yǎng)時間不小于2 h，升溫速率不宜超過15℃/h，恒溫時間宜控制在2～4 h且不宜超過50℃，降溫速率不超過20℃/h。齊莉莉等[2]認為，管片靜養(yǎng)4 h，升溫速率控制在20℃/h，恒溫控制在60℃養(yǎng)護8 h，管片出窯溫度控制在20℃，脫模后立即進行水養(yǎng)，水養(yǎng)7 d后的管片抗?jié)B性能最佳。

綜上，為了探究盾構(gòu)管片在全生產(chǎn)周期的溫度變化，進而控制養(yǎng)護溫度減少裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，本文采用了無線測溫技術(shù)對管片的全生產(chǎn)周期進行了溫度數(shù)據(jù)采集，同時提出了相關(guān)裂縫防治措施，以期為管片的生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

北京某工程盾構(gòu)管片由高性能混凝土澆筑而成，強度等級C60，抗?jié)B等級P12，襯砌環(huán)設(shè)計直徑15.4 m，環(huán)寬2 m，壁厚0.65 m。

2 管片裂縫分析

盾構(gòu)管片預(yù)制生產(chǎn)過程中在自身混凝土材料或骨架應(yīng)力反應(yīng)、環(huán)境溫度、濕度或者澆筑操作工藝等分別作用或者同時作用下產(chǎn)生裂紋。超大直徑管片對管片成品外觀質(zhì)量要求為：內(nèi)弧面禁止出現(xiàn)任何裂縫，在拼接面裂縫深度不得超過止水密封槽，外弧面允許出現(xiàn)裂縫但寬度不得大于0.2 mm且不得出現(xiàn)貫穿裂縫。

2.1 外弧面裂縫

管片外弧面裂紋常見形式有網(wǎng)狀式龜裂、斷續(xù)式長條波紋狀裂紋、弧面漿體過厚振搗中造成骨架反力式裂紋。主要原因有管片外弧面混凝土水分散失太快，未充分進行保溫保濕，引起干裂。

管片內(nèi)部混凝土水化熱溫度太高，表面溫度與環(huán)境溫差較大，同時在管片澆筑混凝土過程中由于振搗表面漿體超過1.5 cm以上，內(nèi)部石子與表面距離太大，無法對外弧面形成支撐作用；與內(nèi)弧面相比，表面混凝土處于散射松弛狀態(tài)，雖表觀密實無異常，但受外界溫差及內(nèi)部水化熱引起溫度張裂。

2.2 定位桿槽裂縫

定位桿槽位于管片端面兩側(cè)中間位置，一側(cè)為貫通定位桿槽，另一端為斷續(xù)式定位桿槽，位于端面中心位置，距內(nèi)外弧面距離32.5 cm。

從成品管片可以觀察出上下兩層管片僅在定位桿槽上下形成色差，而在側(cè)面未見色差情況，往往這種有輕微色差的情形同時附帶裂紋的出現(xiàn)。為了驗證上述裂縫缺陷是否因管片溫度與環(huán)境溫差大于20℃所致，基于無線測溫技術(shù)，進行了管片全生產(chǎn)周期的溫度采集試驗。

3 無線測溫試驗

3.1 試驗方法

采用無線測溫和分布式應(yīng)變采集的形式，獲取結(jié)構(gòu)物的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過在管片內(nèi)預(yù)埋溫度傳感計與采集箱主機相連接，進而采集管片溫度。溫度數(shù)據(jù)可實時傳送至數(shù)據(jù)后臺終端，通過云端實現(xiàn)遠程無線狀態(tài)監(jiān)控。

3.2 試驗設(shè)備

本次試驗所需設(shè)備由傳感器采集箱、溫度傳感計等部分組成。①傳感器采集箱:所用設(shè)備包含智能型振弦式傳感器采集箱，該采集箱內(nèi)含16個溫度測量通道，數(shù)據(jù)可以方便且安全地存儲在采集箱的內(nèi)存中。②溫度傳感計:該傳感計一端連接采集箱通道，一端埋入混凝土中，可對管片溫度實施監(jiān)測。當試驗結(jié)束后，須對管片外弧面外露部分進行切除。

3.3 測點布設(shè)

取標準塊B2為試驗塊，管片寬為2 000 mm，厚度為650 mm，外弧面弦長為5 086.3 mm，內(nèi)弧面為4 656.9 mm，混凝土體積為6.45 m3。測點以能反映整個管片溫度場變化，同時兼顧布點少、具有代表性為原則布設(shè)，沿管片長度、寬度、厚度方向分別取1/2尺寸標量。即試驗塊1/8體積，布置P1～P7共7個測點，每個測點沿厚度方向設(shè)置“上、中”2點，其中，“上”距外弧面20 mm，“中”距外弧面325 mm。如圖1所示。

圖1 測點布設(shè)示意圖

試驗塊共布設(shè)14個測點，分布于管片約1/8體積。附加一個測點位于大氣中，隨管片模具移動，記為環(huán)境測溫點。

3.4 數(shù)據(jù)讀取

澆筑完成后立即打開采集箱蓄電池開關(guān)，開始溫度數(shù)據(jù)采集。設(shè)置采集時間間隔10 min，可隨時登錄云平臺實時獲取溫度數(shù)據(jù)，同時支持云端下載。

3.5 試驗結(jié)果與分析

3.5.1 全生產(chǎn)周期溫度變化趨勢

P1-1測點作為表面溫度，P1-2測點作為核心溫度，試驗管片自澆筑至水養(yǎng)池的全生產(chǎn)周期溫度變化如圖2所示。

試驗管片自澆筑起共經(jīng)歷89 h，其中蒸養(yǎng)階段由于處于蒸養(yǎng)窯高溫、高濕的環(huán)境，設(shè)備無法采集數(shù)據(jù)。

管片靜養(yǎng)、脫模、水養(yǎng)等階段的溫度數(shù)據(jù)，仍可為生產(chǎn)提供參考。管片自澆筑至入窯，共經(jīng)歷6 h，此階段內(nèi)，管片的表面溫度和核心溫度變化在±1℃以內(nèi)，因此并未發(fā)生水化熱反應(yīng)。

由圖2可以看到，管片在脫模時(22 h)表面溫度53℃的條件下，自然冷卻至滿足入池條件時(65 h)需要經(jīng)歷43 h，降溫速率0.65℃/h，此階段靜停時間較長，會影響車間內(nèi)生產(chǎn)空間。因此綜合來看，可以考慮采取控制降溫區(qū)溫度的措施，使管片脫模后的溫度控制在約30℃，既滿足設(shè)計溫差要求，又不會占用車間內(nèi)生產(chǎn)空間影響生產(chǎn)進度。

圖2 試驗管片全生產(chǎn)周期溫度變化曲線

3.5.2 溫度場分布

為了探究管片溫度場的分布規(guī)律，分別沿管片弧長方向、寬度方向和對角線方向，對相應(yīng)測點進行溫度采集，結(jié)果如圖3所示。

圖3 管片溫度隨結(jié)構(gòu)變化趨勢

由圖3可以看出，無論是表面溫度還是核心溫度，管片溫度沿弧長方向、寬度方向和對角線方向均呈現(xiàn)從外側(cè)向內(nèi)側(cè)遞增趨勢。

4 管片裂縫防治

經(jīng)試驗研究分析，項目部采取如下措施減少或避免管片裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，并取得良好效果。

一是降低管片生產(chǎn)流水節(jié)拍，改雙班作業(yè)為單班作業(yè)，選擇在白天氣溫較高時間段進行生產(chǎn)；二是在蒸養(yǎng)窯降溫區(qū)開模散熱，盡快讓管片表面溫度降低至30℃以內(nèi)。此時可保證管片溫度與環(huán)境溫差不高于20℃；三是脫模后的管片立即噴涂養(yǎng)護劑，之后將管片置于室內(nèi)保溫棚降溫，待24 h后再轉(zhuǎn)運至堆場存放。堆場存放采用保溫棉被覆蓋管片，避免表面降溫過快造成裂縫發(fā)展。

5 結(jié)論

本文借助無線測溫傳感器設(shè)備及云平臺數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對盾構(gòu)管片的全生產(chǎn)周期進行了溫度數(shù)據(jù)采集，同時對管片裂縫成因進行了相關(guān)分析并提出了防治措施，得到的主要結(jié)論如下。

1)盾構(gòu)管片溫度無論沿弧長方向、寬度方向還是對角線方向，均呈現(xiàn)外側(cè)向內(nèi)側(cè)遞增趨勢，即管片結(jié)構(gòu)幾何中心處溫度最高。

2)當環(huán)境溫度過低時，由于溫差所致，管片外弧面及定位棒榫槽處易出現(xiàn)開裂，可采取降低流水節(jié)拍、提前在降溫區(qū)開模散熱、室內(nèi)增設(shè)保溫棚及室外覆蓋保溫棉被等措施加以防治以減少或避免裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。