混凝土冬季施工溫濕度智能監(jiān)測設(shè)備探究

常偉學(xué)

（1.甘肅公交建集團(tuán) 康略項(xiàng)目分公司，甘肅隴南 746500；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 743300）

0 引言

隨著“質(zhì)量強(qiáng)國”“交通強(qiáng)國”建設(shè)步伐的不斷推進(jìn)，工程建設(shè)的規(guī)模、難度也日益加大，而工期緊、任務(wù)重、標(biāo)準(zhǔn)高成為工程建設(shè)新的重難點(diǎn)，尤其對于多雨、高寒地區(qū)，有效工期短暫，冬季施工的情況屢見不鮮。而在低溫環(huán)境下澆筑混凝土?xí)r，若溫度控制不到位，不僅會影響混凝土工作性能，導(dǎo)致施工難度的增加，甚至?xí)?yán)重影響其早期強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，從而降低混凝土的服役壽命，為此，如何確保冬季混凝土施工質(zhì)量是工程項(xiàng)目建設(shè)亟待解決的一個(gè)重要問題。

解決冬季混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵就是溫濕度控制，傳統(tǒng)混凝土冬季施工保溫措施相對粗放，無精確的數(shù)據(jù)支撐，受人為因素影響較大，存在溫濕度檢測滯后，保溫跟進(jìn)不及時(shí)等眾多問題，雖可通過在混凝土施工過程中調(diào)整水灰比、添加摻和料來保證混凝土抗壓強(qiáng)度[1]，但以上措施都存在著一定的弊端，如：施工成本高、混凝土強(qiáng)度一致性差等，未能徹底解決混凝土冬季施工質(zhì)量問題。

為積極響應(yīng)交通部平安百年品質(zhì)工程示范創(chuàng)建工作，打造經(jīng)久、耐用的百年品質(zhì)工程，本文以某在建項(xiàng)目為依托，以提高工程實(shí)體耐久性為抓手，積極探索質(zhì)量管理新模式，通過采用信息化手段開展冬季施工智能溫濕度監(jiān)測設(shè)備研究工作，確保冬季施工從原材料測溫到混凝土保溫養(yǎng)生全過程控制，切實(shí)保障冬季施工工程實(shí)體質(zhì)量。

1 混凝土養(yǎng)護(hù)的目的

混凝土澆筑后，之所以能逐漸凝結(jié)硬化，主要是因?yàn)樗嗨饔茫饔眯枰m當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件，因此為了保證混凝土有適宜的硬化條件，使其強(qiáng)度不斷增長，必須對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。混凝土澆筑后，若氣候炎熱、空氣干燥，養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，混凝土中的水分會蒸發(fā)過快，形成脫水現(xiàn)象，會使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，不能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)晶，缺乏足夠的黏結(jié)力，混凝土表面會出現(xiàn)片狀或粉狀脫落。在混凝土尚未具備足夠的強(qiáng)度時(shí)，水分過早的蒸發(fā)還會產(chǎn)生較大的收縮變形，出現(xiàn)干縮裂紋，影響其耐久性和整體性。

冬季施工時(shí)，由于環(huán)境溫度較低，使水泥水化過程變慢，當(dāng)氣溫低于0 ℃時(shí)，拌合水結(jié)冰膨脹，不僅水泥水化停止，還可能會由于自由水結(jié)晶膨脹，使混凝土破壞，產(chǎn)生凍脹裂縫。凍脹裂縫多表現(xiàn)為在結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面沿主筋、箍筋方向出現(xiàn)寬窄不一的裂縫，裂縫深度一般到達(dá)主筋表面，主筋周圍混凝土酥松、剝落。另外，由于水泥水化是一個(gè)放熱過程，該過程會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高，而周圍環(huán)境溫度過低容易造成混凝土構(gòu)件內(nèi)外溫差，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使得處于低溫的混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起表面溫度裂縫。而當(dāng)來自外部的自由水，如自然降水或混凝土養(yǎng)護(hù)噴淋用水流入到裂縫中，經(jīng)歷晝夜溫度變化，形成凍融循環(huán)過程，則容易引起混凝土的剝落和開裂，對混凝土構(gòu)件耐久性產(chǎn)生極大影響。

綜上所述，確保冬季施工的混凝土養(yǎng)護(hù)溫濕度，顯得尤為重要，同時(shí)良好的混凝土養(yǎng)護(hù)，可以避免很多混凝土的“先天病”，從而真正提高混凝土的耐久性。

2 冬季混凝土病害預(yù)防措施

2.1 調(diào)整混凝土配合比

a）早期增強(qiáng)措施 主要通過提高混凝土早期強(qiáng)度，使新澆筑的混凝土盡快達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度。通常采用提高混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級、使用早強(qiáng)水泥、摻加混凝土早強(qiáng)劑或早強(qiáng)型減水劑、早期保溫蓄熱等方法。

b）使用防凍劑，降低混凝土的冰點(diǎn)溫度 為保證混凝土在負(fù)溫下不受凍，在混凝土內(nèi)加入具有減水、增強(qiáng)、防凍功能且滿足泵送要求的復(fù)合型防凍劑。可以減少混凝土拌合物的用水量，減少凍害程度，增加混凝土的密實(shí)度，并且可以降低水的冰點(diǎn)，以使水泥在負(fù)溫下可以繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)。

2.2 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

2.2.1 傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式簡述

目前，工程建設(shè)項(xiàng)目冬季施工保障措施各不相同，常見冬季混凝土施工養(yǎng)護(hù)方法主要有：加入防凍劑、材料預(yù)加熱法、蓄熱養(yǎng)護(hù)法[2-3]、電加熱法[4]、蒸汽保溫法、內(nèi)置電加熱養(yǎng)護(hù)等[5-6]，其基本原理均為通過對混凝土預(yù)加熱確保混凝土各項(xiàng)性能正常發(fā)育。

2.2.2 混凝土養(yǎng)護(hù)存在的問題

混凝土養(yǎng)護(hù)的核心是混凝土所處環(huán)境溫濕度的控制，而傳統(tǒng)方式的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集主要通過現(xiàn)場人工進(jìn)行，現(xiàn)場人員根據(jù)隨機(jī)觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場保溫保濕措施，同時(shí)，管理人員只能通過該數(shù)據(jù)對下一步冬季施工措施進(jìn)行決策部署，但在物聯(lián)網(wǎng)及智慧化集成的今天，該方法存在著眾多弊端，主要表現(xiàn)在：

a）無法準(zhǔn)確有效地進(jìn)行混凝土環(huán)境溫濕度采集和上傳，傳統(tǒng)采集方式人工成本投入大，需要人工多次檢測，投入人力多，并受檢測人員責(zé)任心影響較大，不可控因素較多。

b）數(shù)據(jù)上傳遲緩，使得數(shù)據(jù)不具有時(shí)效性，導(dǎo)致混凝土養(yǎng)護(hù)不能及時(shí)跟進(jìn)，混凝土施工質(zhì)量難以精準(zhǔn)管控。另外，采用人工采集環(huán)境溫濕度，可能存在夜間數(shù)據(jù)采集不及時(shí)甚至失真情況的發(fā)生，從而導(dǎo)致管理層無法準(zhǔn)確進(jìn)行冬季施工決策，極有可能會因混凝土養(yǎng)護(hù)跟進(jìn)不及時(shí)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不可逆的質(zhì)量缺陷，為后續(xù)運(yùn)營埋下了一定的質(zhì)量隱患，造成工程返工返修，資源的巨大浪費(fèi)。

通過調(diào)整混凝土配合比，一定程度上可以減少冬季施工混凝土病害的發(fā)生，但因其需要提高水泥等級或添加特殊外加劑，使得混凝土造價(jià)提高；相對于調(diào)整混凝土配合比，提高混凝土養(yǎng)護(hù)措施其可操作性更強(qiáng)，投入低廉，具有高性價(jià)比和可操作性。

3 冬季混凝土施工智能溫濕度監(jiān)測養(yǎng)護(hù)方式

冬季施工混凝土養(yǎng)護(hù)主要目的是對其發(fā)育溫度的控制以及對熱量損失的及時(shí)補(bǔ)給，由于傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式人工投入成本高、養(yǎng)生環(huán)境條件監(jiān)測不及時(shí)，導(dǎo)致混凝土發(fā)育所需熱量不能及時(shí)補(bǔ)給[7-8]。為此，本文通過借鑒生物養(yǎng)殖領(lǐng)域溫濕度變送器，通過創(chuàng)新改進(jìn)，探索切實(shí)有效的混凝土保溫養(yǎng)生、拌合站料倉溫濕度自動采集預(yù)警設(shè)備及混凝土拌合水智能控溫系統(tǒng)，為冬季混凝土施工保駕護(hù)航。

3.1 混凝土拌合水智能控溫系統(tǒng)

混凝土拌合水智能控溫系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)置施工需要的拌合水溫度，低于設(shè)置溫度即可自動加熱，待加熱至設(shè)定溫度后，開始恒溫加熱，保證拌合用水溫度穩(wěn)定[9]。該系統(tǒng)主要采用熱敏電探測溫度式加熱棒加熱，工作原理為溫控系統(tǒng)在缸外通過缸內(nèi)水中的熱敏電阻探頭來控制缸內(nèi)水溫，溫控系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)分開進(jìn)行加熱，并可通過總開關(guān)設(shè)置施工所需拌合水溫度（通常為60～80 ℃），當(dāng)拌合水溫度低于設(shè)置溫度時(shí)即可自動加熱，待加熱至設(shè)定溫度后，自動開始恒溫加熱，保證拌合用水溫度穩(wěn)定（見圖1）。

圖1 混凝土拌合水智能控溫系統(tǒng)

3.2 溫濕度自動采集預(yù)警系統(tǒng)

通過采用溫濕度自動采集預(yù)警系統(tǒng)對料倉及混凝土保溫養(yǎng)生環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保料倉集料無結(jié)塊，現(xiàn)場墩柱、擋墻、涵洞等混凝土結(jié)構(gòu)物養(yǎng)生條件時(shí)刻預(yù)警，當(dāng)溫度降低時(shí)可第一時(shí)間預(yù)警現(xiàn)場工人及時(shí)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)生保溫措施，確保養(yǎng)生環(huán)境時(shí)刻滿足混凝土發(fā)育要求。

溫濕度自動采集預(yù)警系統(tǒng)主要由LED 顯示屏、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)線、發(fā)射器組成，每5 min 自動采集環(huán)境溫濕度，并通過手機(jī)App 對異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。該系統(tǒng)供電采用常規(guī)充電電池，采集信號通過發(fā)射器內(nèi)的流量卡將采集結(jié)果發(fā)送到云端，管理人員通過App 查看歷史數(shù)據(jù)；同時(shí)，為更好地服務(wù)于冬季施工，建立了冬季施工所需環(huán)境溫濕度預(yù)警區(qū)間及預(yù)警閉合流程，若環(huán)境條件超出預(yù)設(shè)范圍即可報(bào)警，報(bào)警信息可實(shí)時(shí)通知至各級管理人員，只有現(xiàn)場人員通過加強(qiáng)現(xiàn)場溫度管理并將相關(guān)處理結(jié)果上傳至App 閉合報(bào)警信息，現(xiàn)場溫濕度滿足預(yù)設(shè)區(qū)間時(shí)報(bào)警自動停止，有效提高了冬季施工管理效率。同時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)有效指導(dǎo)冬季施工混凝土施工工序的調(diào)整，確保冬季施工從原材料測溫到混凝土保溫養(yǎng)生全過程控制，并針對氣溫環(huán)境制定切實(shí)可行的冬季養(yǎng)生措施，對冬季施工具有很好的指導(dǎo)意義，部分應(yīng)用場景如圖2所示。

圖2 溫濕度自動采集預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用部分場景

3.3 冬季施工溫濕度智能監(jiān)測集成系統(tǒng)

為確保混凝土冬季施工溫濕度智能監(jiān)測設(shè)備更好地服務(wù)于項(xiàng)目建設(shè)，建立了冬季施工溫濕度智能監(jiān)測集成系統(tǒng)，該集成系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析和管理。通過在各施工作業(yè)面布設(shè)智能采集終端，當(dāng)養(yǎng)生環(huán)境溫濕度采集完成后，數(shù)據(jù)將通過終端網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器及手機(jī)端，整個(gè)過程無法人為對數(shù)據(jù)做任何編輯。在遠(yuǎn)程管理端，系統(tǒng)為施工現(xiàn)場管理人員及項(xiàng)目管理人員提供基于網(wǎng)頁數(shù)據(jù)展示平臺（圖3），并提供報(bào)警短信設(shè)置，通過使用該系統(tǒng)大幅提升了冬季施工養(yǎng)生環(huán)境管理效率。

圖3 冬季施工溫濕度智能監(jiān)測集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

4 結(jié)語

通過積極探索應(yīng)用5G+、數(shù)字孿生等信息化手段，應(yīng)用冬季施工拌合水加熱溫控系統(tǒng)、料倉及混凝土保溫養(yǎng)生溫濕度智能預(yù)警裝置，建立了冬季施工溫濕度智能監(jiān)測集成系統(tǒng)等方式，全面提升了冬季混凝土施工養(yǎng)生條件管理水平。拌合水加熱溫控系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)置施工需要的拌合水溫度，低于設(shè)置溫度即可自動加熱，待加熱至設(shè)定溫度后，則開始恒溫加熱，保證拌合用水溫度穩(wěn)定；料倉及混凝土保溫養(yǎng)生溫濕度智能預(yù)警裝置可每5 min 自動采集監(jiān)測溫濕度，并利用手機(jī)App 對異常情況實(shí)時(shí)預(yù)警，確保冬季施工從原材料測溫到混凝土保溫養(yǎng)生全過程控制，保障了冬季施工工程實(shí)體質(zhì)量及結(jié)構(gòu)物耐久性，為冬季施工保駕護(hù)航。