光纤测温在水工大体积混凝土防裂中的应用

□熊 伟 □翟春明（河南省水利第二工程局）

□衡银亮（驻马店市板桥水库管理局）

光纤测温在水工大体积混凝土防裂中的应用

□熊 伟 □翟春明（河南省水利第二工程局）

□衡银亮（驻马店市板桥水库管理局）

光纤测温技术利用Stokes光与Anti-Stokes光原理，在大体积混凝土温控防裂中较电子测温仪法、电阻测温法、测温管法等更能凸显优势，通过埋设在混凝土内的测温光纤，从混凝土开始浇筑到工程运行后的任何时间都能够方便地了解混凝土内任一点的温度，测温误差小，使用方便，及时性好，可广泛应用于大体积混凝土温控防裂工作中。

光纤测温；大体积混凝土；温控防裂

1 概述

混凝土是一种由胶凝材料把各种骨料凝结在一起的人造刚性石材，其抗拉强度是抗压强度1/10左右，自身特点决定了其极易产生裂缝，产生裂缝的原因一般有三种：温度裂缝、干缩裂缝和碳化裂缝。形象地说，快速往玻璃杯内倒热水，杯子会因杯壁内外温度不一、膨胀值不等而破裂，这就是温度裂缝。

实践证明，大体积混凝土产生裂缝的主要原因为收缩裂缝。大体积混凝土浇筑后，由于水泥在水化凝结过程中，要散发大量的水化热，使混凝土体积膨胀，此时，混凝土产生较小压应力。待达到最高温度以后，随着热量向外部介质散发，温度将由最高温度降至一全稳定温度或冷稳定温度场，将产生一个温差。如果浇筑温度大于稳定温度（准稳定温度场），该温差更大。此时，混凝土因为降温将发生体积收缩，由于受周围约束将出现拉应力，当产生的拉应力大于此时混凝土材料本身所能提供的抗拉强度时，就产生了裂缝。

河口村水库两座进水塔混凝土工程量共计15.20万m3，最大仓位6500m3，为常态大体积混凝土，由于环境、材料和施工设备的限制，早期防裂能力面临着严重挑战，这就需要在混凝土开始浇筑之前制定一套行之有效的应对开裂风险的预备措施与管理系统，光纤测温与防裂系统正是为了应对上述问题而开发的。

2 系统简介

2.1 组成及原理

系统由温控预报、光纤测温、抗力评价三大部分组成。其原理如下：分布式光纤测温系统（又称DTS）通常由激光光源、传感光纤（缆）和检测单元组成，它是一种自动化的监测系统。其温度测量是利用光在光纤中传输能够产生后向散射原理，即在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生向后散射光波，这些光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而改变，将散射回来的光经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统，便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向回波的时间可定位这些信息。

由光纤测温系统向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会以略低于真空中光速的速度向前传播，同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端。

2.2 工作目标

上述研究内容与开发系统的实施，可以帮助工程建设者解决以下3个问题：一是混凝土浇筑前的合理入仓温度在温控预报技术支持下完成；二是混凝土浇筑完毕后的真实温度——在光纤测温技术支持下完成；三是混凝土施工完成后开裂风险度——在开裂风险预报支持下完成。上述3个子项的落实，做到“混凝土开裂风险预报”。

通过以上三项技术，达到如下效果：一是没有危害性裂缝产生；二是迎水面和流道层混凝土表面不产生裂缝；三是非迎水面没有超过0.50mm的裂缝产生。

3 光纤布设

以测温仪为起点，按光纤在混凝土中的铺设顺序用图1所示的反向埋线法进行铺设。光纤的仓面布置分水平和高程两个方向，在高程方向上，为使所测温控数值具有代表性，布设时距离冷却水管不短于1.00m；在水平方向上，避开灌浆孔位置，以防钻孔断纤。布设过程中，在老混凝土上钻孔，支座焊接钢筋骨架，把光纤固定在骨架上。布设后，详细记录光纤沿线关键位置，并绘制光纤布置草图，混凝土浇筑时自然覆盖光纤。

图1 光纤引线方式示意图

4 光纤固定观测

光纤温度信号传递给现场监控室主控微机进行数据采集、分析、处理与储存，通过预设的代表点实时监控混凝土内部温度，当混凝土内表温差>25℃时发出报警，提醒工程建设者及时采取温控措施，以防止裂缝的发生。

5 系统应用

5.1 为优选水泥品种提供依据

普通硅酸盐水泥水化热高、发热速度快，如果温控措施不到位，极易形成温度裂缝，给工程带来不良影响从而耽误施工进度。而中低热水泥水化热低，温度上升相对缓慢，能很好的实现水泥性能的低热高强，有效减少温度裂缝的产生。

在施工现场分别用3种水泥拌制并浇筑1.00m的立方体试块，模板外侧粘贴50mm厚的高密度苯板以保温，试块中心埋设测温光纤，浇筑后48h混凝土中心温度达到最高，其中采用普通42.50水泥、42.50中热水泥和42.50低热水泥的混凝土中心最高温度分别为52.70℃，48.50℃和46.40℃，中低热水泥优势明显。由于河南不生产低热水泥，故选用了发热量相对较低的中热水泥浇筑两个进水塔，混凝土浇筑后未发现温度裂缝。

5.2 为大体积混凝土浇筑温控措施的采用提供依据

相对来说，混凝土入仓温度越高浇筑后中心温度峰值就越高，当中心与表面温差值超过25℃时，开裂风险明显加大，因此在大体积混凝土开仓浇筑前，根据浇筑计划、所用材料和天气预报等，对浇筑后中心最高温度进行预报，采用事前、事中和事后措施控制裂缝的发生。

就本工程而言，通过温控预报，建设者事前采取了降低骨料温度与冷却水拌和的措施来降低混凝土入仓温度；事中采取了浇筑过程中即通水冷却的削峰措施；事后采取了覆盖保温被以降低中心与表面温差的措施。这些措施的采用，提高了大体积混凝土抗力，有效地避免了裂缝的产生。

5.3 为优化冷却通水时间提供依据

大体积混凝土内部埋设冷却水管，其作用是削减内部温度峰值，内部温度达到峰值后没有回升，说明自然散热与水泥水化热在那一刻基本达到平衡，此后即使不通水，自然降温速度也会超过规范“每天1度”的规定，如果继续通水冷却，就会出现“人造高峰降温”，既不利于工程质量，又会加大施工成本。如图2。

图2 发热率与散热率曲线

因此，在混凝土浇筑过程中即开始大流量地通水冷却，当光纤测温发现混凝土内部达到最高温度且开始回落时，及时通知建设者停止冷却水管通水冷却。

5.4 为导流洞封堵接触灌浆提供时机依据

设计要求，当封堵混凝土内部温度达到14℃时，冷却水管闷水测温，以检验混凝土内部是否达到恒定温度，达到后方允许进行接触灌浆。由于封堵混凝土内埋设了测温光纤，从封堵混凝土开始浇筑到闷水测温结束，能够随时知道混凝土内部温度，误差<0.10℃，为导流洞封堵接触灌浆提供了时机依据。

5.5 为进水塔接缝灌浆提供时机依据

河口村水库两座进水塔下部各设置一道竖向结构缝，把进水塔劈为两半，其中1#进水塔结构缝高25m，2#进水塔结构缝高30.50m，设计要求灌区两侧混凝土龄期≥6个月,温度必须达到稳定温度10℃时方允许进行接缝灌浆，由于在混凝土浇筑过程中埋设了测温光纤，在建设者对混凝土进行了一期通水冷却和二期通水冷却后，灌区两侧混凝土温度是否达到了设计要求，通过终端显示器可以清楚地看到，进而为两座进水塔接缝灌浆提供时机依据。

5.6 为混凝土缺陷处理提供时机依据

在骨料没有风冷条件的情况下，高温季节浇筑的大体积混凝土不可避免地出现温度裂缝，其它温控措施的采用只能相应地减少裂缝的发生。

大体积混凝土裂缝处理，要求混凝土经过了一个冬季，内部温度相对稳定后进行。对于出现裂缝的部位，可通过光纤测温观察其内部温度是否已经稳定，进而确定裂缝处理的时机。

5.7 为混凝土裂缝原因提供分析依据

混凝土发生裂缝的原因很多，主要由干缩、混凝土自身质量、水泥水化热、温度、钢筋锈蚀、地基变形、荷载、碱骨料反应、地基冻胀等原因引起。裂缝形式主要有温度裂缝、干缩裂缝和碳化裂缝，如果混凝土内外温差没有超过规范规定的25℃，则可以判定该裂缝不是水泥水化热而形成的温度裂缝，裂缝的形成原因需从其他方面进行研究，如果混凝土内外温差超过了规范规定的25℃，则可直接判定为温度裂缝。因此，光纤测温为混凝土裂缝形成原因提供了分析依据。

6 结语

光纤测温技术利用Stokes光与Anti-Stokes光原理，在大体积混凝土温控防裂中较电子测温仪法、电阻测温法、测温管法等更能凸显优势，通过埋设在混凝土内的测温光纤，从混凝土开始浇筑到工程运行后的任何时间都能够方便地了解混凝土内任一点的温度，测温误差小，使用方便，及时性好，可广泛应用于大体积混凝土温控防裂工作中，对需进行温度控制的工程项目具有指导意义。

[1]张捷.混凝土施工中裂缝产生原因及预防措施[J].农村科技,2010,(7):114-115.

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1673-8853（2014）06-0024-02

熊 伟（1963-），女，工程师，长期从事水利水电工程施工管理工作。

2014-01-11

刘长垠）