大體積混凝土智能溫控技術(shù)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(shù)問題

杏林灣排澇泵站位于集杏海堤水閘內(nèi)，利用集杏海堤布置的22 孔自排閘中左側(cè)3 孔作為排澇泵站排水孔，將攔蓄在閘內(nèi)側(cè)水庫后溪河水排到集杏海堤水閘外側(cè)。 排澇泵站為單向泵站，泵站內(nèi)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(gòu)（建）筑物由排澇主泵房、操作間、變配電樓、防汛調(diào)度用房組成。

該泵站不同于傳統(tǒng)泵站，由于位于海邊，混凝土耐久性要求高，泵站底板設(shè)計采用常態(tài)C40 混凝土，混凝土溫控難度大[1]。 大體積混凝土澆筑產(chǎn)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(chǎn)生大量的水化熱，從而讓澆筑之后最初混凝土內(nèi)溫度驟然抬升，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)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(dǎo)致受到基礎(chǔ)制約的膨脹變形出現(xiàn)的壓應(yīng)力很小。 伴隨溫度漸趨下降，混凝土出現(xiàn)收縮變形，混凝土彈性模量很大，溫度降低導(dǎo)致受到基礎(chǔ)制約的變形會出現(xiàn)大的拉應(yīng)力， 當(dāng)拉應(yīng)力比混凝土抗拉強度大的時候，會出現(xiàn)溫度裂縫。 除此之外，在混凝土內(nèi)部溫度非常高、外界溫度非常低或者溫度驟然下降階段，內(nèi)表溫度差太大，在混凝土表層也會出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力，從而發(fā)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(yīng)力導(dǎo)致的不均勻的收縮應(yīng)力。 而溫差應(yīng)力及溫度應(yīng)力狀況，又關(guān)乎構(gòu)造的平面尺寸大小、構(gòu)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(xué)性能、現(xiàn)場施工工藝水平等多種影響因素[2]。

大體積混凝土溫度應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土裂縫，直接影響混凝土的外觀質(zhì)量， 同時影響主體構(gòu)造的壽命周期， 因此應(yīng)對大體積混凝土布置冷卻系統(tǒng)，實時掌握混凝土各部位溫度變化情況。 通過建立數(shù)字模型，進行建模計算，制定初步溫控系統(tǒng)布置參數(shù)， 尋找最優(yōu)的常態(tài)大體積混凝土溫控系統(tǒng)布置參數(shù)。

2 執(zhí)行的技術(shù)依據(jù)及溫控指標(biāo)

2.1 執(zhí)行技術(shù)依據(jù)

技術(shù)依據(jù)有：GB/T 51028-2015《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》、GB 50496-2018《大體積混凝土施工規(guī)范》、《建筑施工手冊 第4 版》。

2.2 溫控指標(biāo)

（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(yīng)超過25℃， 下降溫度速度不應(yīng)超過2.0℃/d，表層同大氣溫度差不應(yīng)超過20℃。

3 溫控數(shù)字模擬建模計算

對于該工程的底板大體積混凝土展開應(yīng)力場及溫度場仿真運算， 依照運算結(jié)論確立承臺不發(fā)生有害溫度裂縫的溫度控制準(zhǔn)則， 且制定對應(yīng)的溫度控制舉措。 溫度控制運算采取有限元特用程序邁達(dá)斯Midas/GEN 的水化熱運算單元展開，該軟件程序應(yīng)用在溫度控制運算有下列重要特征[3]：（1）能夠?qū)κ┕るA段大體積混凝土的應(yīng)力場及溫度場展開仿真模態(tài)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(fā)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(shù)，同時承臺表面的對流邊際、地基現(xiàn)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(jié)果如表1 所示，混凝土內(nèi)部中心溫度計算結(jié)果如表2 所示，混凝土溫度計算結(jié)果如表3 所示。采用邁達(dá)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(jié)果

表2 混凝土內(nèi)部中心溫度計算結(jié)果

表3 混凝土溫度計算結(jié)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(tǒng)布設(shè)及監(jiān)測

通過數(shù)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(shè)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(jiān)控量測， 利用測溫數(shù)據(jù)軟件自動控制變頻水泵。 控制通水水溫與混凝土內(nèi)部溫差在25℃以內(nèi)， 預(yù)埋DN40 冷卻水管與供水管路設(shè)置快速接頭，每24 h 改變1 次通水方向。冷卻水管布設(shè)示意圖見圖3。

圖3 冷卻水管布設(shè)示意

溫度監(jiān)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(yù)計會出現(xiàn)較大溫差和較大溫升的位置； 具體點位可根據(jù)實際情況按照最能體現(xiàn)溫度變化的部位現(xiàn)場進行微調(diào)。 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(jiān)測點布置見圖4。

圖4 監(jiān)測點布置示意圖

自澆注混凝土到實現(xiàn)其終凝的過程（一般是6～9 h），應(yīng)測量溫度并記錄養(yǎng)護情況，養(yǎng)護時間不應(yīng)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(dá)到峰值并逐步穩(wěn)定后，測溫間隔可改為4 h，測溫后期溫度平穩(wěn)下降后，測溫間隔可改為6 h，當(dāng)中央溫度臨近峰值或者混凝土之內(nèi)溫度差太大的時候，可以依照現(xiàn)實需求加大測量溫度頻率。

（2）測量溫度歷程長期延續(xù)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(huán)境溫度差不超過20℃，混凝土內(nèi)部的溫度同表層溫度差不超過25℃。

5 智能溫控系統(tǒng)設(shè)計

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

（1）系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)的設(shè)置是以MSP430 單片機為掌控主體的溫度控制體系，能夠?qū)崿F(xiàn)人為控制溫度參數(shù)， 采取DS18B20 當(dāng)做溫度傳感器， 以MSP430 單片機當(dāng)做處理器， 使用LCD12864 液晶當(dāng)做數(shù)據(jù)顯示單元。 本系統(tǒng)應(yīng)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(diào)節(jié)設(shè)置的參數(shù)，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(diào)節(jié)水流速度；（4）存在警報功用（超出設(shè)計范疇，亮起指示燈，響起蜂鳴器）。

（2）系統(tǒng)總體設(shè)計過程見圖5。

圖5 系統(tǒng)總體設(shè)計過程

（3）系統(tǒng)電路見圖6。

圖6 系統(tǒng)電路

（4）軟件設(shè)計。 本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)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(jiān)測成果

通過監(jiān)測混凝土澆筑后對監(jiān)測溫度變化情況，及時啟用智能溫控系統(tǒng)， 采取有效的溫控措施，1#底板的溫度監(jiān)測曲線見圖10，測溫結(jié)束后仔細(xì)檢查整體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)僅局部有水平向淺表細(xì)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(jiān)測總結(jié)

（1）通過數(shù)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(jù)實測的數(shù)據(jù)情況通過智能化軟件系統(tǒng)調(diào)整管路的水流流速等參數(shù)，確保溫差控制在有效范圍內(nèi)。

（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(nèi)部熱量的散失，可取得較好的控溫效果，避免溫升過快導(dǎo)致混凝土開裂。 采取預(yù)埋鋼管，澆筑后在管內(nèi)持續(xù)注入冷卻水的方式散熱，通水應(yīng)及早、持續(xù)，不可等混凝土溫度大幅上升后再通水， 在通水期間，應(yīng)增加測溫頻率， 當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后，應(yīng)停止通水，以免降溫過快出現(xiàn)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(zhì)抗裂劑，從而發(fā)揮補償收縮和控制溫度收縮產(chǎn)生裂縫的效果，在混凝土內(nèi)部不同部位產(chǎn)生一定的微小應(yīng)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(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。