大體積混凝土智能溫控技術探討

■林 茂

（福建省交建集團工程檢測有限公司，廈門 361012）

1 工程概況及需要解決的技術問題

杏林灣排澇泵站位于集杏海堤水閘內，利用集杏海堤布置的22 孔自排閘中左側3 孔作為排澇泵站排水孔，將攔蓄在閘內側水庫后溪河水排到集杏海堤水閘外側。 排澇泵站為單向泵站，泵站內安裝7臺流量為40 m3/s 的單向豎井貫流泵機組，單臺電機功率為2 500 kW，總排澇能力為280 m3/s 。 泵站主要構（建）筑物由排澇主泵房、操作間、變配電樓、防汛調度用房組成。

該泵站不同于傳統泵站，由于位于海邊，混凝土耐久性要求高，泵站底板設計采用常態C40 混凝土，混凝土溫控難度大[1]。 大體積混凝土澆筑產生溫度裂縫會對工程的使用造成極大影響。 進水閘、泵房、出水閘9 塊底板（最大尺寸為17 m×17 m×5 m，體積1 445 m3）都是大體積混凝土，在混凝土硬化初期， 因為水泥水化過程會產生大量的水化熱，從而讓澆筑之后最初混凝土內溫度驟然抬升，導致混凝土出現膨脹變形，而這個時候混凝土的彈性模量非常小，所以，溫度抬升導致受到基礎制約的膨脹變形出現的壓應力很小。 伴隨溫度漸趨下降，混凝土出現收縮變形，混凝土彈性模量很大，溫度降低導致受到基礎制約的變形會出現大的拉應力， 當拉應力比混凝土抗拉強度大的時候，會出現溫度裂縫。 除此之外，在混凝土內部溫度非常高、外界溫度非常低或者溫度驟然下降階段，內表溫度差太大，在混凝土表層也會出現很大的拉應力，從而發生表層裂縫。 所以，在大體積混凝土施工過程中，要充分考慮溫差及溫度應力導致的不均勻的收縮應力。 而溫差應力及溫度應力狀況，又關乎構造的平面尺寸大小、構造厚度、配筋率、混凝土組成的各種原材料的特性，以及形成的混凝土的物理力學性能、現場施工工藝水平等多種影響因素[2]。

大體積混凝土溫度應力導致的混凝土裂縫，直接影響混凝土的外觀質量， 同時影響主體構造的壽命周期， 因此應對大體積混凝土布置冷卻系統，實時掌握混凝土各部位溫度變化情況。 通過建立數字模型，進行建模計算，制定初步溫控系統布置參數， 尋找最優的常態大體積混凝土溫控系統布置參數。

2 執行的技術依據及溫控指標

2.1 執行技術依據

技術依據有：GB/T 51028-2015《大體積混凝土溫度測控技術規范》、GB 50496-2018《大體積混凝土施工規范》、《建筑施工手冊 第4 版》。

2.2 溫控指標

（1）在保證入模溫度前提下，混凝土澆筑體的溫度上升值不該超過50℃；（2）混凝土澆筑塊體里表溫度差不應超過25℃， 下降溫度速度不應超過2.0℃/d，表層同大氣溫度差不應超過20℃。

3 溫控數字模擬建模計算

對于該工程的底板大體積混凝土展開應力場及溫度場仿真運算， 依照運算結論確立承臺不發生有害溫度裂縫的溫度控制準則， 且制定對應的溫度控制舉措。 溫度控制運算采取有限元特用程序邁達斯Midas/GEN 的水化熱運算單元展開，該軟件程序應用在溫度控制運算有下列重要特征[3]：（1）能夠對施工階段大體積混凝土的應力場及溫度場展開仿真模態研究；（2）可以充分考慮混凝土分層澆筑形式、澆筑層實際厚度、冷卻水、入模溫度、混凝土的彈模發展曲線，以及強度、水泥絕熱溫度提升、 混凝土本身的收縮徐變等一系列參數，同時承臺表面的對流邊際、地基現狀溫度、樁基制約等施工邊界條件也在該軟件建模計算中進行考慮。

絕熱溫升計算結果如表1 所示，混凝土內部中心溫度計算結果如表2 所示，混凝土溫度計算結果如表3 所示。采用邁達斯Midas/GEN 建立了底板大體積混凝土溫度場分析模型如圖1 所示，混凝土中心點與表面點溫度變化曲線如圖2 所示。

表1 絕熱溫升計算結果

表2 混凝土內部中心溫度計算結果

表3 混凝土溫度計算結果

圖1 底板大體積混凝土溫度場分析模型

圖2 混凝土中心點與表面點溫度變化曲線

4 溫控系統布設及監測

通過數字模擬建模計算，泵站底板混凝土工程冷卻水管采用DN40 鍍鋅管， 設計冷卻水通水流速1.0 m/s，主管外徑40 mm，壁厚4 mm。 借助混凝土無線測量溫度儀器對這項目大體積混凝土展開溫度的監控量測， 利用測溫數據軟件自動控制變頻水泵。 控制通水水溫與混凝土內部溫差在25℃以內， 預埋DN40 冷卻水管與供水管路設置快速接頭，每24 h 改變1 次通水方向。冷卻水管布設示意圖見圖3。

圖3 冷卻水管布設示意

溫度監測采用混凝土無線測溫儀XC/HCTW80，精度為0.5℃；測溫線精度為0.3℃。布點方案如下：大體積混凝土承臺在測溫點的布置時，平面上的溫度測點沿中心和對角線方向布置，著重考慮預計會出現較大溫差和較大溫升的位置； 具體點位可根據實際情況按照最能體現溫度變化的部位現場進行微調。 溫度測點按承臺平面尺寸沿中心和對角線方向分3 層測點錯層布置， 監測點布置見圖4。

圖4 監測點布置示意圖

自澆注混凝土到實現其終凝的過程（一般是6～9 h），應測量溫度并記錄養護情況，養護時間不應少于14 d。

（1）在整個混凝土水化熱溫度測量歷程中，每次測量溫度間隔時間是2～6 h， 測量溫度間隔早期是2 h，溫度達到峰值并逐步穩定后，測溫間隔可改為4 h，測溫后期溫度平穩下降后，測溫間隔可改為6 h，當中央溫度臨近峰值或者混凝土之內溫度差太大的時候，可以依照現實需求加大測量溫度頻率。

（2）測量溫度歷程長期延續至混凝土不會造成裂縫影響的安全溫度，也就是混凝土表層溫度與外界的環境溫度差不超過20℃，混凝土內部的溫度同表層溫度差不超過25℃。

5 智能溫控系統設計

本智能溫控體系屬于綜合性的監測、控制運用體系，在本體系中實現各部位溫度測量、訊號輸入處理、計算至輸出從而實現智能控制變頻水泵運轉等動作，達到大體積混凝土溫控的整個過程。

（1）系統組成。本系統的設置是以MSP430 單片機為掌控主體的溫度控制體系，能夠實現人為控制溫度參數， 采取DS18B20 當做溫度傳感器， 以MSP430 單片機當做處理器， 使用LCD12864 液晶當做數據顯示單元。 本系統應具有以下基本功能：（1）可以實時顯示各溫度點實測值；（2）隨時能夠調節設置的參數，符合溫控的功能需要；（3）可以進行溫度超限和溫升速率控制并自動調節水流速度；（4）存在警報功用（超出設計范疇，亮起指示燈，響起蜂鳴器）。

（2）系統總體設計過程見圖5。

圖5 系統總體設計過程

（3）系統電路見圖6。

圖6 系統電路

（4）軟件設計。 本系統的軟件系統主要可分為主程序、DS18B20 獲取溫度程序、LCD12864 顯示程序三大模塊。主程序流程見圖7、DS18B20 獲取溫度程序流程見圖8、LCD12864 顯示程序流程見圖9。

圖7 主程序流程

圖8 DS18B20 獲取溫度程序流程

圖9 LCD12864 顯示程序流程

6 監測成果

通過監測混凝土澆筑后對監測溫度變化情況，及時啟用智能溫控系統， 采取有效的溫控措施，1#底板的溫度監測曲線見圖10，測溫結束后仔細檢查整體結構發現僅局部有水平向淺表細微裂縫，未有貫穿性的裂縫，說明控溫效果良好。

圖10 1# 底板溫控曲線

7 溫控監測總結

（1）通過數字建模確定溫控管路布置的最佳方案，獲得在有效溫控條件下的溫控周期，根據實測的數據情況通過智能化軟件系統調整管路的水流流速等參數，確保溫差控制在有效范圍內。

（2）在升溫階段可采取降溫措施以降低混凝土的最大溫升值。 在此期間，有效促進混凝土內部熱量的散失，可取得較好的控溫效果，避免溫升過快導致混凝土開裂。 采取預埋鋼管，澆筑后在管內持續注入冷卻水的方式散熱，通水應及早、持續，不可等混凝土溫度大幅上升后再通水， 在通水期間，應增加測溫頻率， 當混凝土內部溫度達到峰值后，應停止通水，以免降溫過快出現收縮裂縫，讓混凝土自然冷卻。

（3）建議在混凝土中摻適量的鎂質抗裂劑，從而發揮補償收縮和控制溫度收縮產生裂縫的效果，在混凝土內部不同部位產生一定的微小應變膨脹，更有效地解決混凝土后期干燥收縮、溫差收縮及自身收縮等內部應力產生的裂縫。