混凝土冬季施工溫濕度智能監測設備探究

常偉學

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

0 引言

隨著“質量強國”“交通強國”建設步伐的不斷推進，工程建設的規模、難度也日益加大，而工期緊、任務重、標準高成為工程建設新的重難點，尤其對于多雨、高寒地區，有效工期短暫，冬季施工的情況屢見不鮮。而在低溫環境下澆筑混凝土時，若溫度控制不到位，不僅會影響混凝土工作性能，導致施工難度的增加，甚至會嚴重影響其早期強度，導致混凝土出現裂縫，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量是工程項目建設亟待解決的一個重要問題。

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

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

1 混凝土養護的目的

混凝土澆筑后，之所以能逐漸凝結硬化，主要是因為水泥水化作用，而水化作用需要適當的溫度和濕度條件，因此為了保證混凝土有適宜的硬化條件，使其強度不斷增長，必須對混凝土進行養護?；炷翝仓?，若氣候炎熱、空氣干燥，養護不及時，混凝土中的水分會蒸發過快，形成脫水現象，會使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，不能轉化為穩定的結晶，缺乏足夠的黏結力，混凝土表面會出現片狀或粉狀脫落。在混凝土尚未具備足夠的強度時，水分過早的蒸發還會產生較大的收縮變形，出現干縮裂紋，影響其耐久性和整體性。

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

綜上所述，確保冬季施工的混凝土養護溫濕度，顯得尤為重要，同時良好的混凝土養護，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 冬季混凝土病害預防措施

2.1 調整混凝土配合比

a）早期增強措施 主要通過提高混凝土早期強度，使新澆筑的混凝土盡快達到受凍臨界強度。通常采用提高混凝土設計強度等級、使用早強水泥、摻加混凝土早強劑或早強型減水劑、早期保溫蓄熱等方法。

b）使用防凍劑，降低混凝土的冰點溫度 為保證混凝土在負溫下不受凍，在混凝土內加入具有減水、增強、防凍功能且滿足泵送要求的復合型防凍劑?？梢詼p少混凝土拌合物的用水量，減少凍害程度，增加混凝土的密實度，并且可以降低水的冰點，以使水泥在負溫下可以繼續進行水化反應。

2.2 加強混凝土養護

2.2.1 傳統養護方式簡述

目前，工程建設項目冬季施工保障措施各不相同，常見冬季混凝土施工養護方法主要有：加入防凍劑、材料預加熱法、蓄熱養護法[2-3]、電加熱法[4]、蒸汽保溫法、內置電加熱養護等[5-6]，其基本原理均為通過對混凝土預加熱確?；炷粮黜椥阅苷０l育。

2.2.2 混凝土養護存在的問題

混凝土養護的核心是混凝土所處環境溫濕度的控制，而傳統方式的環境溫濕度數據采集主要通過現場人工進行，現場人員根據隨機觀察數據進行現場保溫保濕措施，同時，管理人員只能通過該數據對下一步冬季施工措施進行決策部署，但在物聯網及智慧化集成的今天，該方法存在著眾多弊端，主要表現在：

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

b）數據上傳遲緩，使得數據不具有時效性，導致混凝土養護不能及時跟進，混凝土施工質量難以精準管控。另外，采用人工采集環境溫濕度，可能存在夜間數據采集不及時甚至失真情況的發生，從而導致管理層無法準確進行冬季施工決策，極有可能會因混凝土養護跟進不及時導致混凝土結構物產生不可逆的質量缺陷，為后續運營埋下了一定的質量隱患，造成工程返工返修，資源的巨大浪費。

通過調整混凝土配合比，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，使得混凝土造價提高；相對于調整混凝土配合比，提高混凝土養護措施其可操作性更強，投入低廉，具有高性價比和可操作性。

3 冬季混凝土施工智能溫濕度監測養護方式

冬季施工混凝土養護主要目的是對其發育溫度的控制以及對熱量損失的及時補給，由于傳統養護方式人工投入成本高、養生環境條件監測不及時，導致混凝土發育所需熱量不能及時補給[7-8]。為此，本文通過借鑒生物養殖領域溫濕度變送器，通過創新改進，探索切實有效的混凝土保溫養生、拌合站料倉溫濕度自動采集預警設備及混凝土拌合水智能控溫系統，為冬季混凝土施工保駕護航。

3.1 混凝土拌合水智能控溫系統

混凝土拌合水智能控溫系統可預先設置施工需要的拌合水溫度，低于設置溫度即可自動加熱，待加熱至設定溫度后，開始恒溫加熱，保證拌合用水溫度穩定[9]。該系統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在缸外通過缸內水中的熱敏電阻探頭來控制缸內水溫，溫控系統與加熱系統分開進行加熱，并可通過總開關設置施工所需拌合水溫度（通常為60～80 ℃），當拌合水溫度低于設置溫度時即可自動加熱，待加熱至設定溫度后，自動開始恒溫加熱，保證拌合用水溫度穩定（見圖1）。

圖1 混凝土拌合水智能控溫系統

3.2 溫濕度自動采集預警系統

通過采用溫濕度自動采集預警系統對料倉及混凝土保溫養生環境進行實時監測，確保料倉集料無結塊，現場墩柱、擋墻、涵洞等混凝土結構物養生條件時刻預警，當溫度降低時可第一時間預警現場工人及時加強混凝土養生保溫措施，確保養生環境時刻滿足混凝土發育要求。

溫濕度自動采集預警系統主要由LED 顯示屏、溫濕度傳感器、數據線、發射器組成，每5 min 自動采集環境溫濕度，并通過手機App 對異常情況進行實時預警。該系統供電采用常規充電電池，采集信號通過發射器內的流量卡將采集結果發送到云端，管理人員通過App 查看歷史數據；同時，為更好地服務于冬季施工，建立了冬季施工所需環境溫濕度預警區間及預警閉合流程，若環境條件超出預設范圍即可報警，報警信息可實時通知至各級管理人員，只有現場人員通過加強現場溫度管理并將相關處理結果上傳至App 閉合報警信息，現場溫濕度滿足預設區間時報警自動停止，有效提高了冬季施工管理效率。同時，該系統能及時有效指導冬季施工混凝土施工工序的調整，確保冬季施工從原材料測溫到混凝土保溫養生全過程控制，并針對氣溫環境制定切實可行的冬季養生措施，對冬季施工具有很好的指導意義，部分應用場景如圖2所示。

圖2 溫濕度自動采集預警系統應用部分場景

3.3 冬季施工溫濕度智能監測集成系統

為確?；炷炼臼┕貪穸戎悄鼙O測設備更好地服務于項目建設，建立了冬季施工溫濕度智能監測集成系統，該集成系統采用先進的物聯網設備采集技術和數據處理算法，可對監測數據進行統一分析和管理。通過在各施工作業面布設智能采集終端，當養生環境溫濕度采集完成后，數據將通過終端網絡實時上傳到數據服務器及手機端，整個過程無法人為對數據做任何編輯。在遠程管理端，系統為施工現場管理人員及項目管理人員提供基于網頁數據展示平臺（圖3），并提供報警短信設置，通過使用該系統大幅提升了冬季施工養生環境管理效率。

圖3 冬季施工溫濕度智能監測集成系統數據展示

4 結語

通過積極探索應用5G+、數字孿生等信息化手段，應用冬季施工拌合水加熱溫控系統、料倉及混凝土保溫養生溫濕度智能預警裝置，建立了冬季施工溫濕度智能監測集成系統等方式，全面提升了冬季混凝土施工養生條件管理水平。拌合水加熱溫控系統可預先設置施工需要的拌合水溫度，低于設置溫度即可自動加熱，待加熱至設定溫度后，則開始恒溫加熱，保證拌合用水溫度穩定；料倉及混凝土保溫養生溫濕度智能預警裝置可每5 min 自動采集監測溫濕度，并利用手機App 對異常情況實時預警，確保冬季施工從原材料測溫到混凝土保溫養生全過程控制，保障了冬季施工工程實體質量及結構物耐久性，為冬季施工保駕護航。