基礎大體積混凝土溫度動態監測技術

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部的溫度升高。混凝土表面散熱較快，而大體積混凝土結構較厚，且自身導熱性能差，水泥水化的熱量聚集在結構內部不易散失，使混凝土內外溫差大，在大體積內部產生溫度應力。當溫度應力足夠大時，會產生貫穿整個界面的溫度裂縫，給結構帶來重大的損傷，嚴重地影響工程結構安全。因此，在大體積混凝土的施工中，對混凝土內部的溫度進行動態監控為大體積混凝土采取裂縫控制措施提供依據，是保證大體積混凝土施工質量的重要舉措。

對大體積混凝土內部溫度的監控，廣大的工程師、學者進行了大量監測技術的研究與應用[1-6]。李東明[3]以地鐵車站工程島式站臺為例，通過現場溫度監測點的選取、布置及數據采集分析，監測了此大體積混凝土峰值溫度，提出對混凝土養護要求。后超等[4]設計開發了混凝土監測系統，對大體積混凝土施工全過程進行實時的溫度監測，實現了智能化的混凝土監測方法。段春偉等[5]提出大體積混凝土施工現場溫度監測的有效控制措施，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大廈筏板基礎為例，進行了大體積混凝土溫度監測應用實踐，精確掌握該工程混凝土內部溫度、各關鍵部位的溫差等數據。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的研究應用相對較少。

本文以某超高層建筑基礎大體積混凝土為背景，采用設計開發的DS18B20型溫度傳感器配合自動采集無線傳輸平臺，在保證監測精度及數據完整的前提下，具備對整個大體積混凝土內部溫度的實時采集和無線傳輸等功能，能有效地在大體積混凝土信息化施工中實現及時、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結構形式，厚度分別為4.0、4.0、0.9 m，筏板區域局部厚度達6.0 m，基礎平面示意見圖1。

圖1 基礎平面布置示意

基礎混凝土采用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。整個基礎澆筑方量為8 350 m3，屬于典型的大體積混凝土。

2 監測儀器及控制標準

2.1 監測儀器

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

圖2 無線溫度監測儀器

圖3 無線溫度采集監控平臺

設備通電后自動采集數據連接至指定服務器，上傳當前實時數據，然后進入待機狀態，等待設定的時間啟動數據采集。采集數據時按順序采集當前探頭的溫度數據，將每個探頭的數據緩沖至內存，然后上傳至服務器中。

溫度監控平臺從服務器中獲取歷史溫度數據進行瀏覽，溫度監控軟件開啟時，服務器新采集的數據也會自動推送至溫度監控軟件上，即可實時顯示溫度實況。

該溫度監測系統的技術特點如下：

1) 實時采集。數據采集器可實現每隔一分鐘采集一次溫度數據，可實時反應溫度數據曲線。

2) 低能耗，安裝便捷。采集上報數據完成，立即進入待機狀態，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，方便工程安裝監檢使用。

3)溫度、溫差報警。可設定上、下溫度報警、溫差報警，減少人工干預。

4) 采集數據精確、可靠。采集數據精度0.1℃，數據精確、穩定可靠。

2.2 監測控制標準

混凝土開始澆筑，即進行測溫監測。混凝土剛覆蓋探頭時，此探頭溫度為混凝土入模溫度，可根據混凝土入模溫度測算混凝土的最高溫度，及時調整保溫及降溫措施。

混凝土澆筑完成后，監測控制標準如下：

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部最大溫差不得大于25℃。

3 測點布置

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

圖4 溫度監測儀測點布置

(a)A類測位探頭布設

(b)B類測位探頭布設

4 監測結果分析及調整措施

4.1 監測結果分析

根據該溫度監測系統對大體積混凝土施工過程的溫度監測數據，完全采集到了對應17個監測點的溫度數據，限于篇幅的原因，選取核心筒筏板T1測點的監測導出數據進行分析，T1測點溫度監測時程曲線，見圖6。對相應數據進行處理，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，該溫度監測系統能實現采集數據的有效、完整，同時保證數據采集精度。

根據以上監測點采集數據顯示得出以下結論。

1)核心筒筏板基礎內部的最高溫度出現在開始澆筑后的90 h左右，最高溫度數值為64.2℃，與數值模擬的溫度數值接近。

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

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

4.2 監測結果調整措施

在混凝土澆筑過程中，指定專人負責掌握基礎內部實際溫度變化情況，對布設點時時進行監視溫度及溫差變化情況，以調整冷管入水溫度及養護措施，調整措施如下。

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

2) 當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，應提高冷卻水管水溫，保證溫差不大于25℃。

3)當混凝土表面與大氣溫差小于20℃時，可拆除保溫層。

4) 當混凝土里表溫差小于25℃時，可停止通水。

4.3 應力監測

混凝土應變監測點布設于核心筒筏板基礎的中心點，監測點布設上、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據采集，混凝土內部的最大應力監測結果見表1。

表1 混凝土內部最大應力監測

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

5 結 語

自主設計開發的自動采集無線傳輸系統成功應用于本工程基礎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場的限制，監測數據的實時性、精準性及完整性為監測溫度控制及養護措施提供了有力的數據支撐，同時為本工程基礎大體積混凝土的施工質量提供了保障。本次大體積混凝土的溫度自動采集無線傳輸系統為類似的大體積混凝土溫度監測提供了寶貴經驗。

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