大体积混凝土冬季施工智能温控及养护

2019-12-03余以明刘建军高凡周俊宏徐霁

中国港湾建设 2019年11期

余以明，刘建军，高凡，周俊宏，徐霁

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430040；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；4.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波 315000）

0 引言

采用传统混凝土养护工艺，在环境温度较低条件下，难以保证混凝土中水泥的水化速率，养护效率低，强度发展慢，且在混凝土拆模后，混凝土容易受到冻害。因此，传统养护工艺使大体积混凝土强度发展缓慢影响施工进度的同时[1]，其结构抗裂性能也难以保证。

若采用蒸汽养护的方法，一方面，可以显著加快水泥水化的速率，提升混凝土强度发展速率；另一方面，还可以减小混凝土的内表温差，并通过智能降温控制，降低混凝土表面与外环境温差，保障其结构抗裂性能[2-3]。

1 智能温控及养护系统

智能温控及养护系统组成主要包括功能模板、智能养护系统、控制系统三部分。

1.1 功能模板

功能模板主要由外模板、电加热带、保温材料以及温度控制器组成。在原模板表面的沟槽内粘贴电热带，然后在电热带外侧覆盖保温材料保证其热转换效率。功能模板的示意图如图1所示。

图1 功能模板Fig.1 Function template

将功能模板运输至现场，吊装、拼装完毕，再用活动接头将每块功能模板预留的电热带接头连接，形成回路，连接电源即可运行养护模式。养护完毕后，功能模板移至下一个养护段拼装成形进行养护，该功能模板安装方便快捷，工厂化水平高。

1.2 智能养护系统

智能养护系统主要包括智能养护机、养护棚两部分。

1.2.1 智能养护机

智能养护机主要组成为蒸汽发生装置、无线接收装置和自动控制装置[4]。无线接收装置可实时接收控制系统发出的指令，自动控制装置根据指令控制蒸汽发生装置，使得养护区域内的温湿度和混凝土的内表温差维持在设计要求的范围内。

1.2.2 养护棚

在明挖基坑两侧坚硬地面上，沿隧道行进方向铺设钢轨，在钢轨上架设可移动有盖刚性养护棚[5]，有盖刚性养护棚可将所施工的整段衬砌混凝土罩住，养护棚两端采用加厚防雨保温篷布分隔密封，使得外模养护区域基本达到密封效果，并可方便施工人员进出，待养护结束，可将养护棚移至下一段施工部位。

1.3 控制系统

控制系统主要由前端数据采集、终端数据接收处理控制和远端工况查询监控等组成[6]，控制系统示意图如图2所示。

图2 控制系统示意图Fig.2 Control system schematic diagram

控制系统的具体功能有：1）实时采集。通过前段传感器采集混凝土的内部温度、养护温度以及周围环境的温度，并将数据实时传输至现场控制软件和远端监控平台；2）数据分析。现场控制软件对采集的数据进行处理分析，根据预先设定的处理规则，判断混凝土所处的养护阶段；3）智能控制。系统根据混凝土所处的养护阶段，向功能模板的控制器发送对应指令，启动对应养护模式；4）存储查询。远端可将接收到的工况信息存储下来，后台根据需要设置不同权限的账号，并可设置多平台查询访问，如通过PC端或者微信公众号登录查询。

2 模型试验

对比小尺寸混凝土模型在普通养护和智能养护条件下，混凝土强度、内部最高温度、内表温差等变化规律，验证智能养护系统的养护效率。

2.1 试验设计

成形两组混凝土结构模型，标号为C35，尺寸为1.0 m伊1.0 m伊1.0 m，周围环境温度-4~8益，带模分别放置于标准养护条件和全自动智能养护系统内，标准养护条件为温度20益依2益，湿度不小于95%，智能养护条件为温度55益依5益，湿度不小于95%。将智能养护机的程序设置为养护环境温度低于50益启动加热程序，温度为55益依5益时启动保温程序，温度大于60益时停止供蒸汽。

在2个养护系统中分别放置抗压强度标准试块，通过温度传感器监测小尺寸模型内部最高温度和内表温差变化情况，分别在龄期为1 d、2 d、3 d、5 d、7 d时，测试混凝土标准试块的抗压强度，对比分析2个养护系统条件下混凝土强度的变化规律。

2.2 结果与分析

在模型试验过程中，智能养护系统可以对养护环境的温度进行自动控制。分别对比了混凝土在智能养护和标准养护条件下，1 d、2 d、3 d、5 d、7 d的抗压强度和混凝土温度变化数据，如表1所示。

表1 不同养护条件下混凝土抗压强度及温度变化Table 1 Compressive strength and temperature change of concrete in different curing conditions

从表1的试验结果可知，不同养护条件下，试件抗压强度随养护龄期的延长而增大。智能养护条件下混凝土5 d龄期的抗压强度可达到设计强度的104%，而标准养护条件下混凝土7 d龄期的抗压强度仅为设计强度的82%。因此，混凝土在智能养护条件下其早期强度发展迅速，且同龄期的混凝土抗压强度值也明显高于标准养护试件的抗压强度值。

由温度监控数据可知，智能养护条件下混凝土内部最高约63益，满足设计要求（<65益），标准养护条件下混凝土内部最高约41益，虽然智能养护条件下混凝土内部温度较高，但混凝土结构的内表温差仅为5益，温度梯度小，减少了混凝土结构因内表温差导致的开裂风险。

3 智能养护系统实施效果

该智能养护系统于2018年10月—2019年1月在项目现场实施应用，其中，1月份夜间气温在零下10益左右，伴有2~3级微风，衬砌混凝土采用一次浇筑施工工艺，衬砌拱墙最小厚度为0.85 m，衬砌拱顶厚度0.9 m，隧道分段施工长度为9 m。

衬砌混凝土浇筑前，启动拱顶外模上的功能模板及衬砌内智能养护机的加热功能，以提高养护棚内的环境温度，待智能养护机监测温度达到设计要求的浇筑温度时，打开养护棚顶盖浇筑混凝土，混凝土浇筑完毕立即关闭养护棚顶盖。

混凝土浇筑完毕后，衬砌外表面上的功能模板继续加热以提高衬砌混凝土早期水化速率，通过对拱顶外表面进行温度监测，待其达到设定的温度后，可自动关闭功能模板的加热功能，此后功能模板仅起保温作用；与此同时，开启布置于衬砌内空间的智能养护机的喷雾加热功能，通过手机APP或电脑可实时监测衬砌内环境的温度及湿度，达到设定的温度、湿度控制点后，智能养护机可自动开启或关闭。

隧道衬砌温度监控测点布设及其名称如图3所示。

图3 测点名称及埋设位置Fig.3 Gauging point and embedding location

其中表面温度有：拱顶外表面温度T1、拱顶内表面温度T2、拱脚外表面温度T3、侧墙根部内表面温度T4、拱顶端模表面温度T5；内部温度有：拱顶内部温度T6、拱顶端模内部温度T7、拱脚内部温度T8、侧墙根部内部温度T9、拱顶与拱脚间内部温度T10、侧墙中部内部温度T11；内表温差有：拱顶外模内表温差驻T1=T6-T1、拱顶内模内表温差驻T2=T6-T2、拱脚内表温差驻T3=T8-T3、拱顶端模内表温差驻T4=T7-T5、侧墙根部内表温差驻T5=T9-T4；内部最高温度Tmax=T6~T11中的最大值，环境温度为T12。

衬砌混凝土温度监测数据详见表2。衬砌混凝土入模温度约为12.1~15.7益，符合入模温度为5益臆T臆30益的设计及规范要求[7-8]。

表2 混凝土温控监测数据Table 2 Temperature monitoring data of concrete

由表2可知，采用智能养护系统养护后，衬砌1~3的内部最高温度、拱顶外模最大内表温差、拱顶内模最大内表温差、拱顶端模最大内表温差、拱脚最大内表温差及侧墙根部最大内表温差均满足设计及规范要求，但衬砌2与衬砌3的最大表面与内环境温差均超过规范和设计要求，主要原因是第6天养护龄期时，混凝土拱顶内模及侧墙根部内表面的温度远高于内养护环境温度，故应控制衬砌混凝土的内养护温度。

衬砌混凝土采用刚性养护棚罩住，拱顶外模采用功能模板保温养护，降低内养护环境温度对外模养护影响不大，因衬砌整体内表温差均较小，可在第4天龄期时适当降低内养护环境温度，加快衬砌混凝土降温，以免智能养护系统拆除后，混凝土表面与外界环境温差过大，衬砌混凝土因急冷收缩而开裂。

经过后期不断调整验证，为保证移除模板台车后，衬砌混凝土表面温度与外界环境温度差值不大于20益的设计要求。衬砌混凝土7 d龄期的内养护环境温度控制范围如表3所示。