大体积混凝土智能温控技术研究

邓宝锐

（中铁十八局集团北京工程有限公司，北京 大兴 100162 ）

随着我国经济髙速发展，工程建设项目中大体量筏板混凝土施工应用越来越广泛。相对于普通混凝土结构具有很多优点，但由于其体积较大、施工过程工艺复杂、因此对其质量要求高，必须采取特殊的施工技艺，才能确保工程质量[1]。

大体积混凝土由于截面大、水泥用量大，会使其在硬化过程初期释放大量的热。而混凝土导热系数相对较小，水化产生的热量不易散失，热量蓄积内部从而使温度升髙较多。混凝土表面热量由于与周围环境进行交换而减少，致使温度降低，造成混凝土内外的温度梯度大，从而产生很大的温度应力。此时混凝土的强度较低，还不足以抵抗由于温差产生的温度应力，因此会开裂。所以做好大体积混凝土温控措施设计、温度变化监控、测温记录及保温养护，是确保大体积混凝土工程质量十分重要的措施[2]。

一般大体积混凝土通过预埋冷却水管来减少内部温升，从而防止其开裂，而混凝土表面、内部、冷却水等温度测量与控制则是降低混凝土温度应力的关键。随着传感技术、无线通信技术、计算机技术等在工程建设领域不断被应用，以及“智慧工地”的建设需要，建立大体积施工过程智能温度控制方法与系统对防止混凝土开裂具有重要意义[3]。

1 工程概况

山西晋中寇村整村改造项目3号地一期工程位于晋中榆次区西南、榆次工业园区七号路南侧、环城西路西侧，总建筑面积35.7311.2万㎡，地上建筑面积29.049213万㎡。其中高层住宅楼14栋（17层/26层/27层），共27.639399万㎡，商业区1.409814万㎡。设计使用年限为50年，本地区抗震设防烈度为8度，桩基采用静压高强预应力混凝土管桩，桩径为500mm。住宅楼基础采用大体积筏板混凝土一次性浇筑。以下结合该工程实例阐述筏板基础大体积混凝土施工温度监测技术。

1 大体积混凝土温度监控系统

1.1 大体积混凝土施工特点

1）本工程筏板混凝土施工特点：结构尺寸体积较大，属大体积混凝土，配筋较密，质量及防水要求高，筏板基础板厚1000mm。2）大体积砼多用于地下或半地下建筑结构，常处于潮湿或与水接触的环境下。因此除了需满足强度外，还必须具有良好的耐久性和抗渗性，有的还要求具有抗冲击或抗震动及耐侵蚀性等性能。本工程基础采用C40抗渗混凝土，抗渗等级为P6。3）大体积砼强度等级较高，单位水泥用量较大，水化热和收缩容易造成结构开裂，需通过优化配合比进行混凝土开裂的预控。4）大体积砼由于其水泥水化热不易快散，蓄热于内部，使温度升高较大，易产生由温度引起的裂缝。因此对温度进行控制是施工最突出问题。必须处理由于水泥产生的水化热引起的砼体积变化问题，从而最大限度减少砼裂缝。针对以上大体积砼特点，本工程采用商品混凝土，并结合该实例阐述大体积混凝土施工的温度监测技术。温度监控通常采用自动测温系统和人工测温相结合的方法进行，以自动测温为主，同时结合人工测温比对。

1.2 大体积混凝土温度场监测目的

在大体积混凝土施工中，中期浇筑温度、天气状况、外界气温及水温等多种原因对混凝土温度场变化都有一定影响。降低混凝土内外温差，阻止温度急剧变化，对防止浇注施工中出现温度裂缝至关重要。因此必须实时掌握混凝土温升峰值及里表温差的变化情况，以确定对混凝土构件表面采取相应的保温覆盖措施并随时调整[4]。

1.3 温控项目

对大体积混凝土施工时温度的测量与控制标准，可依据规范GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》严格执行，即温控指标必须符合如下规定和规范：对混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度），建议不大于25℃;对于混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值，建议不超过50℃;对于混凝土浇筑体表面与大气温差，建议不大于20℃；对于混凝土浇筑体的降温速率，建议不大于2.0℃/天。所以大体积混凝土施工，有必要对气象温度、环境温度、混凝土出机温度、原材料温度、入模温度、混凝土内部温度、混凝土表面温度等进行实时温度监测，同步、及时进收集处理相关数据才能更系统地分析影响混凝土内部温度变化的原因，从而针对各因素变换值及时、有效调整温度控制措施。

1.4 测温设系统

对大体积混凝土施工测温，经比选确定使用“MCU自动远程监测系统”。该系统检测精度可达0.5℃，监测温度区间范围为+130℃～-20℃，其测量频率范围为600Hz-3500Hz（见图1）。从层级分析，可分为感知、传输和应用三个层次。感知层一般由温度传感器、信息数据采集器等组成，可对大体积混凝土施工温度进行实时采集。无线收发仪将温度传感器和执行器与上位机进行连接，可实现信息及时、准确传递。上位机和系统软件的功能是：汇总数据、分析数据、转换数据、处理数据。

在浇筑混凝土时按设计的测温点布置图将温度检测元件埋设于混凝土中，并引出测温线不小于混凝土面4.5m,在混凝土完全覆温度检测元件l小时后开始测温记录。数据采集时应将MCU采集模块同时于32组温度检测元件连接，采集由无线收发模块之智能接收MCU采集模块传送的数据并及时保存，通过RS232串口对无线收发模块和计算机进行串联。对无线收发仪和无线采集单元参数设置结束后，读取由无线采集单元上传（无线收发模块内保存）的可靠测量数据，然后以数据库文件及生成EXCEL文档形式进行保存。

人工测温利用自动测温预埋的传感器和测温线，通过人工手动测温仪（型号SZWT-18）进行。数据取得后再与自动测温系统自动保存的数据进行对比分析。

图1 MCU自动远程监测系统

2 大体积混凝土温度监控系统应用

2.1 通水冷却管布置

冷却管采用壁厚1mm、管径25mm的钢管。在厚1.0m筏板内沿竖向布置水管网1层，距离上下距离均为0.5m，其水平间距为1.0m。

1)用厚1.0m筏板沿竖向布置水管网，水管网竖向布置在筏板中间（呈“弓”字形直线布设）；冷却管的进出口要相互错开，伸出筏板面0.4m。进水口要有调节流量的水阀及测流设备，流量预设为0.9m3/h，流速0.51m/s。2)冷却管与钢筋绑扎固定牢固，管与管之间的连接采用与之配套的接头，接头部分用胶带缠裹，防止浇筑混凝土时破坏冷却管，发生漏水现象。3)冷却管网安装后接通水管进行通水试验，保证水管畅通且不漏水。4)冷却管使用完即灌浆封孔并切除露出筏板部分。

2.2 测温点布设

该筏板基础具有体积巨大、混凝土分层多的特点，建议考虑能真实反映混凝土浇筑体内降温速率、最高温升、里表温差和环境温度等因素去合理布设混凝土浇筑体内监测点。对测温点的布设原则，建议如下：

1） 对于监测点的布置范围，应将所选混凝土浇筑体平面图对称轴的半条轴线作为测试区，而在测试区内的监测点，则按平面分层布置，可参考下列方式去布置：顺着混凝土浇筑体厚度方向去精准布置外面、中间及底面的温测点，其余测点布置的间距不宜大于600mm。2）对于混凝土浇筑体底面的温度，建议选取混凝土浇筑体底面上50mm处的监测点去测温。3）对于混凝土浇筑体的外表温度，建议选取混凝土外表以内50mm处的监测点去测温。

2.3 测温频率

可安排4名技术员在试验室专职负责项目测温工作，针对不同频率定时、定点进行测试；当遇暴风雨、严寒酷暑等极端天气时则加大测温频率。

1）混凝土入模温度：分别于上、下午及晚上对每个震捣层监测1次，直致该次浇筑结束（建议测点位于表面下5～10cm位置）。2）混凝土出机温度:每隔2小时测一次，按上、下午和晚上分别进行，直致完成该次浇筑。3）原材料温度：早、中、晚各一次在混凝土浇筑前测试，直致完成该次浇筑。4）在混凝土覆盖温度检测完成l小时后开始混凝土内部及表面测温工作，直至浇筑完后14天。具体频率可按此操作：第1～3天，每2小时测一次；第4～7天，每4小时测一次；第8～14天每8小时测一次。

2.4 测温记录与分析

1）按频率测试后准确记录混凝土原材料温度、出机温度、入模温度、里表温度和气温。

2）数据采集后从四方面分析混凝土里表温度变化情况（见图2）：

（1）对于同一竖直平面内数据，应分析自构件中心至边缘各点的温度时间曲线。此曲线也是最重要的曲线，它主要反映了构件某时点竖向温度场分布，对于防裂分析极为必要。大体积混凝土施工中规范要求的里表温差不大于20%。（2）空间位置某点（某固定测温点）的温度时间曲线，反映构件内部某点的温度变化趋势，是分析温降速率、散热时间的重要曲线。大体积混凝土施工中应保证混凝土的降温速率小于2℃/天。（3）同一平面内自构件中心至边缘各点的温度时间曲线，主要反映某时点的构件横向温度场分布状况，构件轮廓的差异及浇筑顺序不同等均可影响该曲线形态。大体积混凝土施工规范要求内外温差不大于20℃。（4）冷却管旁测温点的温度时间曲线主要反映冷却效果。

图2 大体积混凝土温测记录

3）根据温度测量结果分析，若温差超过规范要求及时调整“内排外保措施”。

2.5 系统使用注意事项

1）传感器在安装前必须进行检测，检测标准为水下lm处浸泡24小时不损坏即为合格。2）在混凝土浇筑前进行温度检测元件布设，如在施工段钢筋绑扎结束后验收钢筋，可开展布点施工，按照施工方案确定的布点平面位置准确有效地开展布点，其外露长度为伸出浇筑层面4.5m。3）利用胶布将测温线和温度传感器固定于钢筋上不同位置，然后绑扎牢固每根钢筋与筏板钢筋和定位角钢。布点完成后，仔细检查各传感器的完好率，发现损坏及时更换。4）开始混凝土浇筑后，立即派技术人员进行监测，并做好值班工作；浇筑完成后每天派技术员24小时值班，仔细掌握混凝土温度动态，一旦发现温度梯度接近规范要求临界点要立即拉响报警并及时采取措施，努力降低温度梯度。5）根据混凝土温度降低情况，确定监测时间，在确保混凝土不因温度原因产生裂缝时才能告一段落。6）提醒相关技术人员在混凝土浇筑时尽量避开温度传感器；想方设法在振捣混凝土时，距传感器距离应在25cm以上，如此才能有效保护传感器；同时要保护导线，避免将其拉断。

3 结论

通过建立MCU自动远程监测系统，弥补了传统混凝土温度检测方法的缺陷，提髙了温度检测的准确性、及时性，实现了大体积混凝土施工温度监测、分析、控制与预警智能化，具有结构简单、可靠性髙、成本低等特点。同时其监控温度的范围广、精度髙，操作简单，对大体积混凝土施工的温度监控具有较好效果，可广泛应用于混凝土的温度监测。