大體積混凝土智能溫控技術研究

鄧寶銳

（中鐵十八局集團北京工程有限公司，北京 大興 100162 ）

隨著我國經濟髙速發展，工程建設項目中大體量筏板混凝土施工應用越來越廣泛。相對于普通混凝土結構具有很多優點，但由于其體積較大、施工過程工藝復雜、因此對其質量要求高，必須采取特殊的施工技藝，才能確保工程質量[1]。

大體積混凝土由于截面大、水泥用量大，會使其在硬化過程初期釋放大量的熱。而混凝土導熱系數相對較小，水化產生的熱量不易散失，熱量蓄積內部從而使溫度升髙較多。混凝土表面熱量由于與周圍環境進行交換而減少，致使溫度降低，造成混凝土內外的溫度梯度大，從而產生很大的溫度應力。此時混凝土的強度較低，還不足以抵抗由于溫差產生的溫度應力，因此會開裂。所以做好大體積混凝土溫控措施設計、溫度變化監控、測溫記錄及保溫養護，是確保大體積混凝土工程質量十分重要的措施[2]。

一般大體積混凝土通過預埋冷卻水管來減少內部溫升，從而防止其開裂，而混凝土表面、內部、冷卻水等溫度測量與控制則是降低混凝土溫度應力的關鍵。隨著傳感技術、無線通信技術、計算機技術等在工程建設領域不斷被應用，以及“智慧工地”的建設需要，建立大體積施工過程智能溫度控制方法與系統對防止混凝土開裂具有重要意義[3]。

1 工程概況

山西晉中寇村整村改造項目3號地一期工程位于晉中榆次區西南、榆次工業園區七號路南側、環城西路西側，總建筑面積35.7311.2萬㎡，地上建筑面積29.049213萬㎡。其中高層住宅樓14棟（17層/26層/27層），共27.639399萬㎡，商業區1.409814萬㎡。設計使用年限為50年，本地區抗震設防烈度為8度，樁基采用靜壓高強預應力混凝土管樁，樁徑為500mm。住宅樓基礎采用大體積筏板混凝土一次性澆筑。以下結合該工程實例闡述筏板基礎大體積混凝土施工溫度監測技術。

1 大體積混凝土溫度監控系統

1.1 大體積混凝土施工特點

1）本工程筏板混凝土施工特點：結構尺寸體積較大，屬大體積混凝土，配筋較密，質量及防水要求高，筏板基礎板厚1000mm。2）大體積砼多用于地下或半地下建筑結構，常處于潮濕或與水接觸的環境下。因此除了需滿足強度外，還必須具有良好的耐久性和抗滲性，有的還要求具有抗沖擊或抗震動及耐侵蝕性等性能。本工程基礎采用C40抗滲混凝土，抗滲等級為P6。3）大體積砼強度等級較高，單位水泥用量較大，水化熱和收縮容易造成結構開裂，需通過優化配合比進行混凝土開裂的預控。4）大體積砼由于其水泥水化熱不易快散，蓄熱于內部，使溫度升高較大，易產生由溫度引起的裂縫。因此對溫度進行控制是施工最突出問題。必須處理由于水泥產生的水化熱引起的砼體積變化問題，從而最大限度減少砼裂縫。針對以上大體積砼特點，本工程采用商品混凝土，并結合該實例闡述大體積混凝土施工的溫度監測技術。溫度監控通常采用自動測溫系統和人工測溫相結合的方法進行，以自動測溫為主，同時結合人工測溫比對。

1.2 大體積混凝土溫度場監測目的

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對混凝土溫度場變化都有一定影響。降低混凝土內外溫差，阻止溫度急劇變化，對防止澆注施工中出現溫度裂縫至關重要。因此必須實時掌握混凝土溫升峰值及里表溫差的變化情況，以確定對混凝土構件表面采取相應的保溫覆蓋措施并隨時調整[4]。

1.3 溫控項目

對大體積混凝土施工時溫度的測量與控制標準，可依據規范GB50496-2009《大體積混凝土施工規范》嚴格執行，即溫控指標必須符合如下規定和規范：對混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度），建議不大于25℃;對于混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值，建議不超過50℃;對于混凝土澆筑體表面與大氣溫差，建議不大于20℃；對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，有必要對氣象溫度、環境溫度、混凝土出機溫度、原材料溫度、入模溫度、混凝土內部溫度、混凝土表面溫度等進行實時溫度監測，同步、及時進收集處理相關數據才能更系統地分析影響混凝土內部溫度變化的原因，從而針對各因素變換值及時、有效調整溫度控制措施。

1.4 測溫設系統

對大體積混凝土施工測溫，經比選確定使用“MCU自動遠程監測系統”。該系統檢測精度可達0.5℃，監測溫度區間范圍為+130℃～-20℃，其測量頻率范圍為600Hz-3500Hz（見圖1）。從層級分析，可分為感知、傳輸和應用三個層次。感知層一般由溫度傳感器、信息數據采集器等組成，可對大體積混凝土施工溫度進行實時采集。無線收發儀將溫度傳感器和執行器與上位機進行連接，可實現信息及時、準確傳遞。上位機和系統軟件的功能是：匯總數據、分析數據、轉換數據、處理數據。

在澆筑混凝土時按設計的測溫點布置圖將溫度檢測元件埋設于混凝土中，并引出測溫線不小于混凝土面4.5m,在混凝土完全覆溫度檢測元件l小時后開始測溫記錄。數據采集時應將MCU采集模塊同時于32組溫度檢測元件連接，采集由無線收發模塊之智能接收MCU采集模塊傳送的數據并及時保存，通過RS232串口對無線收發模塊和計算機進行串聯。對無線收發儀和無線采集單元參數設置結束后，讀取由無線采集單元上傳（無線收發模塊內保存）的可靠測量數據，然后以數據庫文件及生成EXCEL文檔形式進行保存。

人工測溫利用自動測溫預埋的傳感器和測溫線，通過人工手動測溫儀（型號SZWT-18）進行。數據取得后再與自動測溫系統自動保存的數據進行對比分析。

圖1 MCU自動遠程監測系統

2 大體積混凝土溫度監控系統應用

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筏板內沿豎向布置水管網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，水管網豎向布置在筏板中間（呈“弓”字形直線布設）；冷卻管的進出口要相互錯開，伸出筏板面0.4m。進水口要有調節流量的水閥及測流設備，流量預設為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，防止澆筑混凝土時破壞冷卻管，發生漏水現象。3)冷卻管網安裝后接通水管進行通水試驗，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 測溫點布設

該筏板基礎具有體積巨大、混凝土分層多的特點，建議考慮能真實反映混凝土澆筑體內降溫速率、最高溫升、里表溫差和環境溫度等因素去合理布設混凝土澆筑體內監測點。對測溫點的布設原則，建議如下：

1） 對于監測點的布置范圍，應將所選混凝土澆筑體平面圖對稱軸的半條軸線作為測試區，而在測試區內的監測點，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布置外面、中間及底面的溫測點，其余測點布置的間距不宜大于600mm。2）對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處的監測點去測溫。3）對于混凝土澆筑體的外表溫度，建議選取混凝土外表以內50mm處的監測點去測溫。

2.3 測溫頻率

可安排4名技術員在試驗室專職負責項目測溫工作，針對不同頻率定時、定點進行測試；當遇暴風雨、嚴寒酷暑等極端天氣時則加大測溫頻率。

1）混凝土入模溫度：分別于上、下午及晚上對每個震搗層監測1次，直致該次澆筑結束（建議測點位于表面下5～10cm位置）。2）混凝土出機溫度:每隔2小時測一次，按上、下午和晚上分別進行，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試，直致完成該次澆筑。4）在混凝土覆蓋溫度檢測完成l小時后開始混凝土內部及表面測溫工作，直至澆筑完后14天。具體頻率可按此操作：第1～3天，每2小時測一次；第4～7天，每4小時測一次；第8～14天每8小時測一次。

2.4 測溫記錄與分析

1）按頻率測試后準確記錄混凝土原材料溫度、出機溫度、入模溫度、里表溫度和氣溫。

2）數據采集后從四方面分析混凝土里表溫度變化情況（見圖2）：

（1）對于同一豎直平面內數據，應分析自構件中心至邊緣各點的溫度時間曲線。此曲線也是最重要的曲線，它主要反映了構件某時點豎向溫度場分布，對于防裂分析極為必要。大體積混凝土施工中規范要求的里表溫差不大于20%。（2）空間位置某點（某固定測溫點）的溫度時間曲線，反映構件內部某點的溫度變化趨勢，是分析溫降速率、散熱時間的重要曲線。大體積混凝土施工中應保證混凝土的降溫速率小于2℃/天。（3）同一平面內自構件中心至邊緣各點的溫度時間曲線，主要反映某時點的構件橫向溫度場分布狀況，構件輪廓的差異及澆筑順序不同等均可影響該曲線形態。大體積混凝土施工規范要求內外溫差不大于20℃。（4）冷卻管旁測溫點的溫度時間曲線主要反映冷卻效果。

圖2 大體積混凝土溫測記錄

3）根據溫度測量結果分析，若溫差超過規范要求及時調整“內排外保措施”。

2.5 系統使用注意事項

1）傳感器在安裝前必須進行檢測，檢測標準為水下lm處浸泡24小時不損壞即為合格。2）在混凝土澆筑前進行溫度檢測元件布設，如在施工段鋼筋綁扎結束后驗收鋼筋，可開展布點施工，按照施工方案確定的布點平面位置準確有效地開展布點，其外露長度為伸出澆筑層面4.5m。3）利用膠布將測溫線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。布點完成后，仔細檢查各傳感器的完好率，發現損壞及時更換。4）開始混凝土澆筑后，立即派技術人員進行監測，并做好值班工作；澆筑完成后每天派技術員24小時值班，仔細掌握混凝土溫度動態，一旦發現溫度梯度接近規范要求臨界點要立即拉響報警并及時采取措施，努力降低溫度梯度。5）根據混凝土溫度降低情況，確定監測時間，在確保混凝土不因溫度原因產生裂縫時才能告一段落。6）提醒相關技術人員在混凝土澆筑時盡量避開溫度傳感器；想方設法在振搗混凝土時，距傳感器距離應在25cm以上，如此才能有效保護傳感器；同時要保護導線，避免將其拉斷。

3 結論

通過建立MCU自動遠程監測系統，彌補了傳統混凝土溫度檢測方法的缺陷，提髙了溫度檢測的準確性、及時性，實現了大體積混凝土施工溫度監測、分析、控制與預警智能化，具有結構簡單、可靠性髙、成本低等特點。同時其監控溫度的范圍廣、精度髙，操作簡單，對大體積混凝土施工的溫度監控具有較好效果，可廣泛應用于混凝土的溫度監測。