造塔机智能养护系统对高塔混凝土性能的影响

2022-02-24吴柯惠晓亮张思

中国港湾建设 2022年1期

吴柯，惠晓亮*，张思

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040；2.中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北武汉 430040；3.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）

0 引言

高塔混凝土结构在施工期，由于温度过高以及干燥收缩造成混凝土开裂的现象比较普遍。为减少水化热造成的裂缝，通常在混凝土内部布置冷却水管，降低混凝土内部温度。高塔混凝土施工环境使现场水源和电源的使用受到限制，冷却水管降温方式难以满足现场的实际要求。并且高塔现场施工环境复杂，工作人员素质不一，造成养护效率低、不能实时掌握养护温湿度数据，且养护过程中造成大量养护水及人力物力的消耗[1-4]。

依托深中通道S04 标塔柱混凝土养护难题，开发造塔机智能养护系统[5-9]，可实时监控混凝土内部温度、养护区域的温湿度以及周围环境温度，并根据其变化动态调整养护工艺参数，能够伴随高塔爬模设备同步向上爬升，实现混凝土养护及仓面喷雾的功能，大大提高施工效率，缩短工期。

1 工程概况

深中通道S04 标东主塔索塔为门式塔，由两根塔柱和下、中、上三道横梁组成，全高270 m，含混凝土塔柱（262.5 m）和不锈钢塔冠（7.5 m），混凝土强度等级为C55，属大体积混凝土。为防止构件产生裂缝缩短桥梁寿命，需对高塔混凝土进行合理的温控设计与控制，以保证混凝土的使用寿命和运行安全。

造塔机智能养护系统技术于2020 年10 月在深中通道S04 标东主塔进行现场试验使用，如图1 所示，高塔养护单元可以伴随高塔爬模设备同步向上爬升，实现混凝土养护机仓面喷雾功能，提高养护效率，保障工程质量。

图1 深中通道S04 标东主塔一体化智能造塔机Fig.1 The integrated intelligent tower crane for the east main tower of S04 bid section of Shenzhen-Zhongshan Link

2 工作原理

造塔机智能养护系统主要包括无线智能化控制模块、雾化模块、蒸汽输送管路及包裹在高塔混凝土外围、可自动化升降卷叠的隔热保温材料。

无线智能化控制模块包括：远程开关养护设备功能、接收本地温湿度测温数据功能、4G 无线传输数据功能以及水箱水位预警功能。智能控制模块通过布置在混凝土内部及养护环境的传感器获取相关的温湿度数据，通过预定规则判断后，可智能调节蒸汽机的开闭及蒸汽温度，保证养护温湿度满足要求。

热雾输送管路包括从高处延伸至低处的主管道，此管道由具有伸缩性能的耐热软管组成；分管道以及与蒸汽出口管道由固定在可移动支架上的PVC 硬管组成。通过管路的导引将适宜温度的蒸汽导入养护区域及施工仓面，智能调节养护区域的温湿度，提高浇筑仓面的舒适度。

保温材料布置在模板支架下方，根据塔身尺寸定制不同大小保温篷布，混凝土养护时保温膜布下放后通过两侧设置的魔术贴和卡扣连成整体，同时下口利用限位装置紧贴混凝土，形成相对封闭的养护小区域，热蒸汽通入养护区域完成新浇筑混凝土养护。

造塔机智能养护系统工作原理见图2。

图2 造塔机智能养护系统工作原理Fig.2 The working principle of the intelligent maintenance system of tower crane

3 工艺试验研究

3.1 原材料

1）水泥：中材亨达水泥有限公司P.Ⅱ42.5 水泥。

2）粉煤灰：中国国电集团公司谏壁发电厂Ⅰ级粉煤灰。

3）矿粉：唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司S95 矿粉。

4）石粉：广东强大新材料科技有限公司。

5）硅灰：埃肯国际贸易（上海有限公司）。

6）细骨料：北江砂厂，细度模数2.8。

7）粗骨料：深中通道专5～10 mm、10～25 mm碎石。

8）减水剂：中交二航武汉港湾新材料有限公司聚羧酸系高性能减水剂。

3.2 混凝土配合比及性能参数

采用与深中通道S04 标塔柱混凝土结构相同的原材料配制混凝土，配合比见表1。混凝土物理热学参数见表2。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratiokg/m3

表2 混凝土物理热学参数Table 2 Physical and thermal parameters of concrete

3.3 试验参数及设备仪器

1）标准养护条件温度为（20±2）℃，湿度不小于85%。

2）造塔机养护过程中需要在混凝土内部、表面和养护层布置相应的传感器，传感器分为温度传感器和温湿度传感器两种。

3）各测点的布置如图3 所示。图3 中，T1、T2分别为横桥向和顺桥向混凝土表面温度；T3、T4分别为顺桥向和横桥向混凝土内部温度；H1、H2分别为顺桥向和横桥向混凝土表面养护层湿度。

图3 造塔机智能养护监控测点布置图Fig.3 Layout of monitoring points for intelligent maintenance of tower crane

4）控制指标：横桥向内表温差ΔT1=T4-T1；顺桥向内表温差ΔT2=T3-T2。

5）控制逻辑：当max（ΔT1，ΔT2）＞20 ℃时，水箱加热器关闭；当max（ΔT1，ΔT2）＜15 ℃时，水箱加热器启动，提高水温；当min（H1，H2）＜80%时，开启高压喷雾设备；当min（H1，H2）≥95%时，关闭高压喷雾设备。当min（H1，H2）＜90%时，开启雾化喷雾设备；当min（H1，H2）≥90%时，关闭雾化喷雾设备。

6）控制目标：max（ΔT1，ΔT2）≤20 ℃，即最大内表温差不高于20 ℃；min（H5，H6）≥80%，即养护湿度不低于80%，H5、H6为养护区域湿度。

7）试验使用的仪器设备包括智能养护机2台、无线温湿度数据采集仪、DTU、无线接收装置。

3.4 试验方法

混凝土浇筑后立即智能养护，每隔1 min无线温度传感器采集1 次混凝土表面温度、混凝土内部温度及养护区域湿度等数据，通过数据接收处理控制形成数据报表与变化曲线图，并选用与工程养护构件相同的原材料成型2 组混凝土结构模型，尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m，将同条件成型试块带模置于标准养护系统和智能养护系统内，养护至规定龄期后进行力学性能和耐久性测试。

混凝土力学性能试验按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的相关规定进行。混凝土氯离子扩散系数试验、电通量试验按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的相关规定进行。

4 试验结果与分析

4.1 不同养护方式对混凝土温湿度的影响

智能养护过程中，智能养护系统可以对养护环境的温湿度进行自动控制，系统自动记录养护周期内衬砌混凝土养护湿度、环境湿度变化数据，数据每1 min 进行更新，数据统计曲线见图4。

图4 养护过程湿度变化曲线Fig.4 Humidity change curve during maintenance

从图4 可以看出，智能养护系统的应用能够保证混凝土在养护过程中养护湿度在15 min 左右上升到95%RH，较传统的养护，在保湿效果上具有明显的作用。

4.2 不同养护方式对混凝土力学性能的影响

智能养护与传统养护的抗压强度数据见表3。

表3 不同养护方式抗压强度的对比Table 3 Comparison of compressive strength of different maintenance methods

从表3 的试验结果可以明显看出，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7 d 抗压强度较标准养护从58.4 MPa 提高到60.9 MPa，提高了4%；智能养护28 d 抗压强度较标准养护提高了20%；56 d 提高了26%。可见智能养护相同龄期的强度值明显高于标准养护试件的强度值。

4.3 不同养护方式对混凝土耐久性能的影响

不同养护方式试块的氯离子扩散试验结果见表4。

表4 养护方式对混凝土抗渗性的影响Table 4 Effect of maintenance method on concrete impermeability

从表4 可以看出，与标准混凝土养护对比，智能养护28 d 氯离子扩散系数较标准养护从3.8×10-12m2/s 减少至3.0×10-12m2/s，氯离子扩散系数降低了21%，56 d 降低了37%，说明智能养护在一定程度上可以提高混凝土的耐久性能。

4.4 不同养护方式对混凝土收缩性能的影响

智能养护与标准养护对混凝土收缩性能的影响如图5 所示。

图5 不同养护方式对混凝土收缩性能的影响Fig.5 Effect of different maintenance methods on concrete shrinkage performance

由图5 可以看出，标准养护条件下混凝土早期的收缩速率比较快，试件在60 d 时收缩率为320×10-6，比28 d 龄期提高了12.9%，而且曲线有持续上升的趋势。智能养护条件下的试件在60 d时收缩率为118×10-6，仅比28 d 龄期提高了3%，相比标准养护减少66.3%，而且曲线之后基本处于平缓状态不再上升。通过两种养护方式的对比说明采取智能养护的方式可以明显降低混凝土的收缩效率，进一步有效阻止混凝土裂缝的产生。