光纖測溫在水工大體積混凝土防裂中的應用

□熊 偉 □翟春明（河南省水利第二工程局）

□衡銀亮（駐馬店市板橋水庫管理局）

光纖測溫在水工大體積混凝土防裂中的應用

□熊 偉 □翟春明（河南省水利第二工程局）

□衡銀亮（駐馬店市板橋水庫管理局）

光纖測溫技術利用Stokes光與Anti-Stokes光原理，在大體積混凝土溫控防裂中較電子測溫儀法、電阻測溫法、測溫管法等更能凸顯優勢，通過埋設在混凝土內的測溫光纖，從混凝土開始澆筑到工程運行后的任何時間都能夠方便地了解混凝土內任一點的溫度，測溫誤差小，使用方便，及時性好，可廣泛應用于大體積混凝土溫控防裂工作中。

光纖測溫；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在一起的人造剛性石材，其抗拉強度是抗壓強度1/10左右，自身特點決定了其極易產生裂縫，產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，快速往玻璃杯內倒熱水，杯子會因杯壁內外溫度不一、膨脹值不等而破裂，這就是溫度裂縫。

實踐證明，大體積混凝土產生裂縫的主要原因為收縮裂縫。大體積混凝土澆筑后，由于水泥在水化凝結過程中，要散發大量的水化熱，使混凝土體積膨脹，此時，混凝土產生較小壓應力。待達到最高溫度以后，隨著熱量向外部介質散發，溫度將由最高溫度降至一全穩定溫度或冷穩定溫度場，將產生一個溫差。如果澆筑溫度大于穩定溫度（準穩定溫度場），該溫差更大。此時，混凝土因為降溫將發生體積收縮，由于受周圍約束將出現拉應力，當產生的拉應力大于此時混凝土材料本身所能提供的抗拉強度時，就產生了裂縫。

河口村水庫兩座進水塔混凝土工程量共計15.20萬m3，最大倉位6500m3，為常態大體積混凝土，由于環境、材料和施工設備的限制，早期防裂能力面臨著嚴重挑戰，這就需要在混凝土開始澆筑之前制定一套行之有效的應對開裂風險的預備措施與管理系統，光纖測溫與防裂系統正是為了應對上述問題而開發的。

2 系統簡介

2.1 組成及原理

系統由溫控預報、光纖測溫、抗力評價三大部分組成。其原理如下：分布式光纖測溫系統（又稱DTS）通常由激光光源、傳感光纖（纜）和檢測單元組成，它是一種自動化的監測系統。其溫度測量是利用光在光纖中傳輸能夠產生后向散射原理，即在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸的同時不斷產生向后散射光波，這些光波的狀態受到所在光纖散射點的溫度影響而改變，將散射回來的光經波分復用、檢測解調后，送入信號處理系統，便可將溫度信號實時顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向回波的時間可定位這些信息。

由光纖測溫系統向光纖發射一束脈沖光，該脈沖光會以略低于真空中光速的速度向前傳播，同時向四周發射散射光。散射光的一部分又會沿光纖返回到入射端。

2.2 工作目標

上述研究內容與開發系統的實施，可以幫助工程建設者解決以下3個問題：一是混凝土澆筑前的合理入倉溫度在溫控預報技術支持下完成；二是混凝土澆筑完畢后的真實溫度——在光纖測溫技術支持下完成；三是混凝土施工完成后開裂風險度——在開裂風險預報支持下完成。上述3個子項的落實，做到“混凝土開裂風險預報”。

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

3 光纖布設

以測溫儀為起點，按光纖在混凝土中的鋪設順序用圖1所示的反向埋線法進行鋪設。光纖的倉面布置分水平和高程兩個方向，在高程方向上，為使所測溫控數值具有代表性，布設時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。布設后，詳細記錄光纖沿線關鍵位置，并繪制光纖布置草圖，混凝土澆筑時自然覆蓋光纖。

圖1 光纖引線方式示意圖

4 光纖固定觀測

光纖溫度信號傳遞給現場監控室主控微機進行數據采集、分析、處理與儲存，通過預設的代表點實時監控混凝土內部溫度，當混凝土內表溫差>25℃時發出報警，提醒工程建設者及時采取溫控措施，以防止裂縫的發生。

5 系統應用

5.1 為優選水泥品種提供依據

普通硅酸鹽水泥水化熱高、發熱速度快，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度。而中低熱水泥水化熱低，溫度上升相對緩慢，能很好的實現水泥性能的低熱高強，有效減少溫度裂縫的產生。

在施工現場分別用3種水泥拌制并澆筑1.00m的立方體試塊，模板外側粘貼50mm厚的高密度苯板以保溫，試塊中心埋設測溫光纖，澆筑后48h混凝土中心溫度達到最高，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℃，中低熱水泥優勢明顯。由于河南不生產低熱水泥，故選用了發熱量相對較低的中熱水泥澆筑兩個進水塔，混凝土澆筑后未發現溫度裂縫。

5.2 為大體積混凝土澆筑溫控措施的采用提供依據

相對來說，混凝土入倉溫度越高澆筑后中心溫度峰值就越高，當中心與表面溫差值超過25℃時，開裂風險明顯加大，因此在大體積混凝土開倉澆筑前，根據澆筑計劃、所用材料和天氣預報等，對澆筑后中心最高溫度進行預報，采用事前、事中和事后措施控制裂縫的發生。

就本工程而言，通過溫控預報，建設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生。

5.3 為優化冷卻通水時間提供依據

大體積混凝土內部埋設冷卻水管，其作用是削減內部溫度峰值，內部溫度達到峰值后沒有回升，說明自然散熱與水泥水化熱在那一刻基本達到平衡，此后即使不通水，自然降溫速度也會超過規范“每天1度”的規定，如果繼續通水冷卻，就會出現“人造高峰降溫”，既不利于工程質量，又會加大施工成本。如圖2。

圖2 發熱率與散熱率曲線

因此，在混凝土澆筑過程中即開始大流量地通水冷卻，當光纖測溫發現混凝土內部達到最高溫度且開始回落時，及時通知建設者停止冷卻水管通水冷卻。

5.4 為導流洞封堵接觸灌漿提供時機依據

設計要求，當封堵混凝土內部溫度達到14℃時，冷卻水管悶水測溫，以檢驗混凝土內部是否達到恒定溫度，達到后方允許進行接觸灌漿。由于封堵混凝土內埋設了測溫光纖，從封堵混凝土開始澆筑到悶水測溫結束，能夠隨時知道混凝土內部溫度，誤差<0.10℃，為導流洞封堵接觸灌漿提供了時機依據。

5.5 為進水塔接縫灌漿提供時機依據

河口村水庫兩座進水塔下部各設置一道豎向結構縫，把進水塔劈為兩半，其中1#進水塔結構縫高25m，2#進水塔結構縫高30.50m，設計要求灌區兩側混凝土齡期≥6個月,溫度必須達到穩定溫度10℃時方允許進行接縫灌漿，由于在混凝土澆筑過程中埋設了測溫光纖，在建設者對混凝土進行了一期通水冷卻和二期通水冷卻后，灌區兩側混凝土溫度是否達到了設計要求，通過終端顯示器可以清楚地看到，進而為兩座進水塔接縫灌漿提供時機依據。

5.6 為混凝土缺陷處理提供時機依據

在骨料沒有風冷條件的情況下，高溫季節澆筑的大體積混凝土不可避免地出現溫度裂縫，其它溫控措施的采用只能相應地減少裂縫的發生。

大體積混凝土裂縫處理，要求混凝土經過了一個冬季，內部溫度相對穩定后進行。對于出現裂縫的部位，可通過光纖測溫觀察其內部溫度是否已經穩定，進而確定裂縫處理的時機。

5.7 為混凝土裂縫原因提供分析依據

混凝土發生裂縫的原因很多，主要由干縮、混凝土自身質量、水泥水化熱、溫度、鋼筋銹蝕、地基變形、荷載、堿骨料反應、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，如果混凝土內外溫差沒有超過規范規定的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行研究，如果混凝土內外溫差超過了規范規定的25℃，則可直接判定為溫度裂縫。因此，光纖測溫為混凝土裂縫形成原因提供了分析依據。

6 結語

光纖測溫技術利用Stokes光與Anti-Stokes光原理，在大體積混凝土溫控防裂中較電子測溫儀法、電阻測溫法、測溫管法等更能凸顯優勢，通過埋設在混凝土內的測溫光纖，從混凝土開始澆筑到工程運行后的任何時間都能夠方便地了解混凝土內任一點的溫度，測溫誤差小，使用方便，及時性好，可廣泛應用于大體積混凝土溫控防裂工作中，對需進行溫度控制的工程項目具有指導意義。

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

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1673-8853（2014）06-0024-02

熊 偉（1963-），女，工程師，長期從事水利水電工程施工管理工作。

2014-01-11

劉長垠）