混凝土冬季施工温湿度智能监测设备探究

常伟学

（1.甘肃公交建集团 康略项目分公司，甘肃陇南 746500；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 743300）

0 引言

随着“质量强国”“交通强国”建设步伐的不断推进，工程建设的规模、难度也日益加大，而工期紧、任务重、标准高成为工程建设新的重难点，尤其对于多雨、高寒地区，有效工期短暂，冬季施工的情况屡见不鲜。而在低温环境下浇筑混凝土时，若温度控制不到位，不仅会影响混凝土工作性能，导致施工难度的增加，甚至会严重影响其早期强度，导致混凝土出现裂缝，从而降低混凝土的服役寿命，为此，如何确保冬季混凝土施工质量是工程项目建设亟待解决的一个重要问题。

解决冬季混凝土施工质量的关键就是温湿度控制，传统混凝土冬季施工保温措施相对粗放，无精确的数据支撑，受人为因素影响较大，存在温湿度检测滞后，保温跟进不及时等众多问题，虽可通过在混凝土施工过程中调整水灰比、添加掺和料来保证混凝土抗压强度[1]，但以上措施都存在着一定的弊端，如：施工成本高、混凝土强度一致性差等，未能彻底解决混凝土冬季施工质量问题。

为积极响应交通部平安百年品质工程示范创建工作，打造经久、耐用的百年品质工程，本文以某在建项目为依托，以提高工程实体耐久性为抓手，积极探索质量管理新模式，通过采用信息化手段开展冬季施工智能温湿度监测设备研究工作，确保冬季施工从原材料测温到混凝土保温养生全过程控制，切实保障冬季施工工程实体质量。

1 混凝土养护的目的

混凝土浇筑后，之所以能逐渐凝结硬化，主要是因为水泥水化作用，而水化作用需要适当的温度和湿度条件，因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对混凝土进行养护。混凝土浇筑后，若气候炎热、空气干燥，养护不及时，混凝土中的水分会蒸发过快，形成脱水现象，会使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，不能转化为稳定的结晶，缺乏足够的黏结力，混凝土表面会出现片状或粉状脱落。在混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早的蒸发还会产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹，影响其耐久性和整体性。

冬季施工时，由于环境温度较低，使水泥水化过程变慢，当气温低于0 ℃时，拌合水结冰膨胀，不仅水泥水化停止，还可能会由于自由水结晶膨胀，使混凝土破坏，产生冻胀裂缝。冻胀裂缝多表现为在结构构件表面沿主筋、箍筋方向出现宽窄不一的裂缝，裂缝深度一般到达主筋表面，主筋周围混凝土酥松、剥落。另外，由于水泥水化是一个放热过程，该过程会导致混凝土内部温度升高，而周围环境温度过低容易造成混凝土构件内外温差，从而产生温度应力，使得处于低温的混凝土表面产生拉应力，引起表面温度裂缝。而当来自外部的自由水，如自然降水或混凝土养护喷淋用水流入到裂缝中，经历昼夜温度变化，形成冻融循环过程，则容易引起混凝土的剥落和开裂，对混凝土构件耐久性产生极大影响。

综上所述，确保冬季施工的混凝土养护温湿度，显得尤为重要，同时良好的混凝土养护，可以避免很多混凝土的“先天病”，从而真正提高混凝土的耐久性。

2 冬季混凝土病害预防措施

2.1 调整混凝土配合比

a）早期增强措施 主要通过提高混凝土早期强度，使新浇筑的混凝土尽快达到受冻临界强度。通常采用提高混凝土设计强度等级、使用早强水泥、掺加混凝土早强剂或早强型减水剂、早期保温蓄热等方法。

b）使用防冻剂，降低混凝土的冰点温度 为保证混凝土在负温下不受冻，在混凝土内加入具有减水、增强、防冻功能且满足泵送要求的复合型防冻剂。可以减少混凝土拌合物的用水量，减少冻害程度，增加混凝土的密实度，并且可以降低水的冰点，以使水泥在负温下可以继续进行水化反应。

2.2 加强混凝土养护

2.2.1 传统养护方式简述

目前，工程建设项目冬季施工保障措施各不相同，常见冬季混凝土施工养护方法主要有：加入防冻剂、材料预加热法、蓄热养护法[2-3]、电加热法[4]、蒸汽保温法、内置电加热养护等[5-6]，其基本原理均为通过对混凝土预加热确保混凝土各项性能正常发育。

2.2.2 混凝土养护存在的问题

混凝土养护的核心是混凝土所处环境温湿度的控制，而传统方式的环境温湿度数据采集主要通过现场人工进行，现场人员根据随机观察数据进行现场保温保湿措施，同时，管理人员只能通过该数据对下一步冬季施工措施进行决策部署，但在物联网及智慧化集成的今天，该方法存在着众多弊端，主要表现在：

a）无法准确有效地进行混凝土环境温湿度采集和上传，传统采集方式人工成本投入大，需要人工多次检测，投入人力多，并受检测人员责任心影响较大，不可控因素较多。

b）数据上传迟缓，使得数据不具有时效性，导致混凝土养护不能及时跟进，混凝土施工质量难以精准管控。另外，采用人工采集环境温湿度，可能存在夜间数据采集不及时甚至失真情况的发生，从而导致管理层无法准确进行冬季施工决策，极有可能会因混凝土养护跟进不及时导致混凝土结构物产生不可逆的质量缺陷，为后续运营埋下了一定的质量隐患，造成工程返工返修，资源的巨大浪费。

通过调整混凝土配合比，一定程度上可以减少冬季施工混凝土病害的发生，但因其需要提高水泥等级或添加特殊外加剂，使得混凝土造价提高；相对于调整混凝土配合比，提高混凝土养护措施其可操作性更强，投入低廉，具有高性价比和可操作性。

3 冬季混凝土施工智能温湿度监测养护方式

冬季施工混凝土养护主要目的是对其发育温度的控制以及对热量损失的及时补给，由于传统养护方式人工投入成本高、养生环境条件监测不及时，导致混凝土发育所需热量不能及时补给[7-8]。为此，本文通过借鉴生物养殖领域温湿度变送器，通过创新改进，探索切实有效的混凝土保温养生、拌合站料仓温湿度自动采集预警设备及混凝土拌合水智能控温系统，为冬季混凝土施工保驾护航。

3.1 混凝土拌合水智能控温系统

混凝土拌合水智能控温系统可预先设置施工需要的拌合水温度，低于设置温度即可自动加热，待加热至设定温度后，开始恒温加热，保证拌合用水温度稳定[9]。该系统主要采用热敏电探测温度式加热棒加热，工作原理为温控系统在缸外通过缸内水中的热敏电阻探头来控制缸内水温，温控系统与加热系统分开进行加热，并可通过总开关设置施工所需拌合水温度（通常为60～80 ℃），当拌合水温度低于设置温度时即可自动加热，待加热至设定温度后，自动开始恒温加热，保证拌合用水温度稳定（见图1）。

图1 混凝土拌合水智能控温系统

3.2 温湿度自动采集预警系统

通过采用温湿度自动采集预警系统对料仓及混凝土保温养生环境进行实时监测，确保料仓集料无结块，现场墩柱、挡墙、涵洞等混凝土结构物养生条件时刻预警，当温度降低时可第一时间预警现场工人及时加强混凝土养生保温措施，确保养生环境时刻满足混凝土发育要求。

温湿度自动采集预警系统主要由LED 显示屏、温湿度传感器、数据线、发射器组成，每5 min 自动采集环境温湿度，并通过手机App 对异常情况进行实时预警。该系统供电采用常规充电电池，采集信号通过发射器内的流量卡将采集结果发送到云端，管理人员通过App 查看历史数据；同时，为更好地服务于冬季施工，建立了冬季施工所需环境温湿度预警区间及预警闭合流程，若环境条件超出预设范围即可报警，报警信息可实时通知至各级管理人员，只有现场人员通过加强现场温度管理并将相关处理结果上传至App 闭合报警信息，现场温湿度满足预设区间时报警自动停止，有效提高了冬季施工管理效率。同时，该系统能及时有效指导冬季施工混凝土施工工序的调整，确保冬季施工从原材料测温到混凝土保温养生全过程控制，并针对气温环境制定切实可行的冬季养生措施，对冬季施工具有很好的指导意义，部分应用场景如图2所示。

图2 温湿度自动采集预警系统应用部分场景

3.3 冬季施工温湿度智能监测集成系统

为确保混凝土冬季施工温湿度智能监测设备更好地服务于项目建设，建立了冬季施工温湿度智能监测集成系统，该集成系统采用先进的物联网设备采集技术和数据处理算法，可对监测数据进行统一分析和管理。通过在各施工作业面布设智能采集终端，当养生环境温湿度采集完成后，数据将通过终端网络实时上传到数据服务器及手机端，整个过程无法人为对数据做任何编辑。在远程管理端，系统为施工现场管理人员及项目管理人员提供基于网页数据展示平台（图3），并提供报警短信设置，通过使用该系统大幅提升了冬季施工养生环境管理效率。

图3 冬季施工温湿度智能监测集成系统数据展示

4 结语

通过积极探索应用5G+、数字孪生等信息化手段，应用冬季施工拌合水加热温控系统、料仓及混凝土保温养生温湿度智能预警装置，建立了冬季施工温湿度智能监测集成系统等方式，全面提升了冬季混凝土施工养生条件管理水平。拌合水加热温控系统可预先设置施工需要的拌合水温度，低于设置温度即可自动加热，待加热至设定温度后，则开始恒温加热，保证拌合用水温度稳定；料仓及混凝土保温养生温湿度智能预警装置可每5 min 自动采集监测温湿度，并利用手机App 对异常情况实时预警，确保冬季施工从原材料测温到混凝土保温养生全过程控制，保障了冬季施工工程实体质量及结构物耐久性，为冬季施工保驾护航。