◎肖詩廉 中交四航局第三工程有限公司

船閘閘首作為典型的大體積構(gòu)件，由水泥水化熱產(chǎn)生的熱量容易導(dǎo)致混凝土開裂，因而監(jiān)測其溫度變化是施工過程中一道重要環(huán)節(jié)。溫度場仿真模擬受熱參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值、邊界條件不確定性等元素影響，很難準(zhǔn)確預(yù)測混凝土內(nèi)部實(shí)際變化情況。因此，必須對(duì)施工期大體積混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)測。目前，傳統(tǒng)溫度測量方法多以人工為主，定期去現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，具有效率低、實(shí)時(shí)性不高缺點(diǎn)，不能及時(shí)掌握大體積混凝土內(nèi)部溫度場變化。采用溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，便于及時(shí)掌握大體積混凝土內(nèi)部中心溫度、內(nèi)表溫差、降溫速率變化，從而指導(dǎo)溫控措施的實(shí)施或調(diào)整，使溫控指標(biāo)滿足要求。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)原理圖 (單位:mm)

1.溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

大體積混凝土實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集單元和云平臺(tái)兩部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站連接的溫度傳感器，且數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站通過第一數(shù)據(jù)傳輸單元與云平臺(tái)連接。根據(jù)云端服務(wù)器的嵌入式程序，對(duì)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最終將溫度信息匯總給監(jiān)控平臺(tái)。

1.1 硬件設(shè)備

無線溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土的溫度采集、無線發(fā)送，每一個(gè)無線溫度傳感器由MCU控制，定時(shí)休眠喚醒，在喚醒期間讀取DS18B20測溫電纜探頭的溫度數(shù)據(jù)，打包數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)無線射頻電路將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)。2min后采集系統(tǒng)再次讀取溫度，讀取電池電壓，打包數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)Si4463發(fā)送數(shù)據(jù)。

前端數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，是現(xiàn)場無線通信、數(shù)據(jù)接收和上傳后臺(tái)軟件的核心設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)接收無線溫度數(shù)據(jù)，以LCD形式顯示，并存儲(chǔ)在RAM;

表1 溫控預(yù)設(shè)指標(biāo)

DTU終端具備數(shù)據(jù)通信中斷判斷功能，通過UART和485接口芯片連接GPRS DTU，實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)系統(tǒng)軟件通信。

1.2 系統(tǒng)軟件

溫控系統(tǒng)軟件采用C 等語言編寫，硬件采用陣列服務(wù)器實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多線程、多用戶功能。工作原理主要是無線采集器將各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由無線數(shù)據(jù)中繼器匯總，然后發(fā)射至Internet云服務(wù)器，系統(tǒng)對(duì)云服務(wù)器中混凝土溫度、監(jiān)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、分析，最終可以在聯(lián)網(wǎng)的電腦或手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)查看溫度數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示

在大體積混凝土溫控系統(tǒng)中，通過編制現(xiàn)場溫度信息實(shí)時(shí)顯示程序模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)云服務(wù)器中混凝土各溫度監(jiān)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的檢索、分析、處理，并將現(xiàn)場環(huán)境溫度、混凝土各測點(diǎn)溫度等指標(biāo)實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)頁端和手機(jī)微信小程序APP中。同時(shí)，在頁面中可以設(shè)置大體積混凝土任何一個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，來查看該溫度監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)、歷史溫度數(shù)據(jù)及溫度隨時(shí)間變化曲線。該系統(tǒng)簡潔高效，避免了人工讀取、分析溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的各種誤差。

2.工程案列

西津二線船閘位于廣西南寧市橫州市上游約5km的郁江干流河段，布置于樞紐右岸、現(xiàn)有一線船閘右側(cè)120m處。該船閘主體水工建筑物混凝土約37萬m，均屬于大體積混凝土。本文選取西津二線船閘閘首為例，閘首總長62m，寬17m，分段進(jìn)行澆筑施工。為了預(yù)防強(qiáng)約束區(qū)混凝土水泥水化熱溫升及溫度裂縫的產(chǎn)生，因此必要進(jìn)行混凝土溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 溫度監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)大體積混凝土內(nèi)部溫度場的分布特征，合理布置一定數(shù)量的溫度傳感器，開展大體積混凝土施工期溫度場監(jiān)測和環(huán)境體系溫度監(jiān)測，主要包括混凝土內(nèi)部的澆筑溫度、內(nèi)部溫度、表面溫度、大氣溫度等溫度變化情況。當(dāng)溫度數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，及時(shí)調(diào)整混凝土養(yǎng)護(hù)措施，確保溫控指標(biāo)不超過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

2.2 溫度傳感器測點(diǎn)布置及要求

由于上閘首右邊墩下段第一層為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取底板的1/4布置溫度傳感器。在混凝土構(gòu)件縱、橫向兩個(gè)中心斷面布置4支溫度傳感器，以及1支環(huán)境溫度傳感器，共計(jì)5個(gè)溫度測點(diǎn)。混凝土內(nèi)部溫度傳感器平面布置圖、立面布置圖分別如圖2和圖3所示。其中，距離底板上表面、側(cè)表面5 cm處的溫度作為混凝土的外表溫度;以底板高度中心點(diǎn)作為混凝土的內(nèi)部最高溫度。

圖2 溫度傳感器平面布置圖 (單位:mm)

圖3 溫度傳感器立面布置圖 (單位:mm)

溫度傳感器緊貼鋼筋下表面布設(shè)，在豎直方向綁扎在鋼筋側(cè)面，避免在混凝土振搗過程中，傳感器被人為損壞。同時(shí)，應(yīng)盡量選用截面較粗的導(dǎo)線，避免混凝土在溫升膨脹變形過程中導(dǎo)線截面積較小而被拉斷。

2.3 監(jiān)測頻率

大體積混凝土升溫期，內(nèi)部升溫較快，一般在混凝土澆筑完2～3d達(dá)到溫峰；混凝土降溫期，降溫速率較慢。因此，設(shè)置混凝土溫度采集頻率：溫升階段每2～4小時(shí)監(jiān)測一次，降溫期間每天6～8h次。由于上下層混凝土澆筑間隔較短，溫度采集從澆筑混凝土開始，直至鋪設(shè)上層混凝土模板停止監(jiān)測。

2.4 溫度預(yù)警

混凝土內(nèi)部溫度場變化主要受入模溫度、水泥水化熱影響，同時(shí)大氣環(huán)境對(duì)混凝土溫度場也會(huì)造成較大影響。比如暴雨、高溫、寒潮都有可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度場出現(xiàn)異常。通過編制溫度預(yù)警及溫控自動(dòng)條件模塊，預(yù)先設(shè)定溫度控制指標(biāo)，對(duì)云服務(wù)器中混凝土各溫度監(jiān)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、分析、判斷，對(duì)于超出溫控指標(biāo)的溫度監(jiān)測點(diǎn)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，并提示應(yīng)采取的溫度控制技術(shù)措施。

3.現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果及分析

圖4為大體積混凝土內(nèi)部各測點(diǎn)溫度變化隨時(shí)間變化的曲線圖?；炷寥肽囟葹?2.4℃，為混凝土溫度控制提供了有利的條件?；炷羶?nèi)部中心溫度最高，依次向兩端遞減。其中，混凝土在澆筑 62h后，中心溫度達(dá)到最大值，為46.7℃，滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 202-1不高于70℃的規(guī)定要求。上表面測點(diǎn)在混凝土澆筑 35h后，溫度達(dá)到最大值，為39.9℃。底板兩側(cè)端部溫度測點(diǎn)在42h后，溫度達(dá)到最大值，分別為44.7℃、41.4℃。

圖4 溫度發(fā)展歷程

圖5是大體積混凝土內(nèi)表溫差隨時(shí)間的變化曲線。頂面溫度與中心溫度之差在澆筑完74h，達(dá)到最大值，10.5℃。縱、橫向端部表面溫度與中心溫度之差在澆筑完98h，達(dá)到最大值，分別為6.2℃和4.9℃，滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 202-1不高于25℃的規(guī)定要求。

圖5 內(nèi)表溫差發(fā)展歷程

4.結(jié)論

由于大體積混凝土施工過程中，混凝土內(nèi)部溫度場受外部環(huán)境影響導(dǎo)致混凝土邊界條件不可控，以及混凝土澆筑溫度等因素的不確定性。目前，通過有限元計(jì)算也無法準(zhǔn)確模擬混凝土內(nèi)部溫度的發(fā)展趨勢(shì)。因此，開展施工期大體積混凝土溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測顯得尤為重要。西津二線船閘基礎(chǔ)施工通過制定合理的澆筑工藝，以及合理的溫控措施，結(jié)合溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得到如下結(jié)論：

（1）大體積混凝土溫度控制主要是針對(duì)混凝土的澆筑溫度和混凝土內(nèi)部的最高溫度進(jìn)行的控制。大體積混凝土入模溫度為僅為22.4℃，為降低混凝土內(nèi)部最高溫度提供了最佳條件。

（2）根據(jù)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果，閘首底板混凝土在澆筑 62h后，中心溫度達(dá)到最大值，為46.7℃;頂面溫度與中心溫度之差在澆筑完74h達(dá)到最大值，10.5℃，均沒有超過現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)J TS 202-1分別不高于70℃、25℃的規(guī)定要求，有效緩解大體積混凝土構(gòu)件由水泥水化熱引起溫度變形裂縫的出現(xiàn)。