混凝土绝热温升测试仪的设计原理及其应用.pdf

混凝土绝热温升测试仪的设计原理及其应用 De s i g n P rin c i p l e a n d i t s Ap p l i c a t i o n o f De t e c t o r f o r M e a s u rin g Co n c r e t e Ad i a b a t i c Te mp e r a t u r e Ri s e 郑贺伊 郭苏 深圳泛华工程集 团有 限公司5 1 8 0 3 4 摘 要 ： 混凝土绝热温升是影响大体积混凝土产生温度应力的重要热学参数之一，对于大体积混凝土的开裂预防起到了关 键性 的作用。因此 ，准确测量混凝土绝热温升及其变化规律就显得尤为重要。以自主研发 的 F H A T R D型混凝土绝热温升 测试仪以及 P I D测控 系统 ，对混凝土的绝热温升进行 了试 验测试 ，得 出了不同配合 比的绝热温升随着时问的变化规律 ， 并且在深港西部通道 口岸港方 x光检查通道大体积混凝土施工中应用 ，有效地保证 了工程质量。 关键词： 混凝土绝热温升配合 比大体积混凝土P I D 中图分类号； T U 1 9 8 + 2 ， 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 6 7 0 3 随着中国经济的飞速发展 ， 大量的桥梁、 大坝等工程开 工建设 ， 大体积混凝土结构应 用越来越广泛。 混凝土是一种 导热性能低 的脆性材料 ，水泥水化放热会在大体积混凝土 内部积聚 ， 引起的温度梯度导致混凝土结构的开裂 ， 不仅影 响建筑物的正常使用， 甚至危及人民的生命财产 ” 。混凝土 绝热温升是影响大体积混凝土产生温度应力的重要热学参 数之一， 它是指在绝热条件下， 由于水泥水化热所产生的热 量使混凝土结构升高的温度。测定混凝土绝热温升的方法 共有 2种 ： 其一是直接法， 即通过保持环境温度和混凝土温 度一致 ， 再用混凝土绝热温升设备对试件直接进行测量 ； 其 二是间接法 ， 即先通过测定水泥的水化热 ， 再根据水化热、 混凝土比热容 、 密度以及水泥 用量计算绝热温升 ， 但 此种方 法不能很好地反映混凝土拌合后的温度变化 2 。 F H - A T R D 型 混凝土绝热温升测试仪就是采用直接法来对混凝土的绝热 温升进行测量的仪器。 ， 1 混凝土绝 热温 升测试 仪结构及原理 测定混凝土绝热温升的核心是保证整个试验过程的绝 热条件 ， 即保证混凝土试件不与外界产生热交换。 水泥水化 过程缓慢 ， 测定混凝 土绝热温升 的试验周期长 ， 通常 1个 周期需要 7 d 1 4 d ， 有的甚至 2 8 d之多。例如 ， 目前施工 中的某特高拱坝 ， 混凝土掺粉煤灰 3 0 ， 根据实际观测资料 分析 ， 在 2 8 d以后 ， 混凝土绝热温升还有 6 o c 8 o C 之多 ， 因此， 对于某些配合 比的混凝土绝热温升 的试验 ， 最好持续 9 0 d 一 1 8 0 d 3 。直接测定混凝土的绝热温升， 要保证在整个 作者简介： 郑贺伊( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士， 工程师。 作者地址 ：深圳市福 田区景 田北 民华大厦 5 F ( 5 1 8 0 3 4 ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 一 O l 一 2 1 试验过程中， 既不能使混凝土温度向外部环境散热 ， 也不能 由于外界环境高于混凝土温度而给试件反 向加热 ，从而提 供给混凝土试件一个绝热的封 闭空 间，保证整个试验过程 的绝热温升。 1 1混凝土绝热温升测试仪结构构成 本测试仪器一般主要 由 3 部分组成 ： 试件盛放装置、 绝 热控温装置 ， 以及测量控制装置。 F H A T R D 混凝土绝热温升 测试仪将 3 个部分集成在一起 ，其中绝热控温装置由内外 2层保温装置、 控温装置、 测温传感系统构成 ， 温度传感器 主要布置在混凝土试件中心、 绝热控制内层、 绝热控制外层 以及置于室外空气中( 图 1) 。 仪器 盖 热装置 图 1 F H - AT R D 混 凝 土 绝 热 温 升 测 试 仪 内部 结 构 示 葸 通过不 断对混凝 土绝热温升装置进行试验测量后发 现 ， 双层控温设备的实验性能要明显高于单层控温设备 ， 双 层控温装置可以很好地解决系统整体受外界气温环境的干 扰和外界空气 温度 的不 断变化对跟踪加热装置的滞后作 用。通常情况下 ，规范要求提供给测试设备恒定的室内温 度 ， 但 由于目前国内实验室条件有限 ， 因此外层加热控温装 置有效的屏蔽了外界环境对于试件温度变化 的干扰 ，使实 验结果更加的精准。 建 筑 施 工 3 4 卷第 2 期 1 1 6 7 1 2 混凝土绝热温升测试仪测控原理 图 2 为混凝土绝热温升测试仪的测控原理。各个测控 模块组合成计算机 自动测量与控温系统 ，其中温度信号处 理器把温度传感器的物理信号转换成标定 电压信号 ，数据 采集卡把标定 电压信号转换成数字信号传送给计算机 ； 计 算机的 L a b V I E W 虚拟仪器软件工作 在 W i n d o w s X P操作系统 上 ， 并对获得的数字信号进行处理 ， 根据试件 、 内外保温控 温装置和环境等温度条件进行判断， 给出相应控制信号 ， 并 通过数据采集卡分别传送给交流 电电力调节器和直流电电 力调节器。 I 温度传感器 l l 拟 仪 错 l 温 度信蛩 调理 器 1 w f l( ，w s x P - 1 操 作 系 统 I 直 流 电 电 l，j 调 节 器 H 数 据 采 集 卡H IB M P c 兼 容 计 算 机 f I 交 流 电 电 力 调 节 器 I 图 2 混凝土绝热温升测控原理 2 混凝土绝热温升测试仪的改进 2 1 试件容器的选择 最理想的试件容器形状为球形 ，这样既可以保证试件 的均 匀性 ， 又可以保证试件 中心所处的周围环境是相同的 ， 但是球形容器从机械制造、实验者使用方面来讲是不容易 的。因此 F H A T R D 混凝土绝热温升设备 中采用与球形相近 的圆筒状试件容器，能保证试件容器所盛放的试件高度和 直径相等 ，这样就可以有效地减少由于外部环境不同对于 试件 中心温度带来的影响。 此外 ， 试件容器的侧壁距离内层 加热控温装置 的距离是相等的，内外层间的控温装置距离 以及保温装置厚度也是相等的 ，外层加热控温装置与设备 外表面的距离也是相等的。 2 _ 2 结构构造改进 混凝土绝热温升测试仪为混凝土试件营造一个绝热状 态的空间， 这是此类设备在设计与制造的关键环节 。 国外科 研机构如东京大学等 ， 常将混凝土试件置 于一个水域中， 因 为水的比热容是最大的， 易形成恒温状态 ， 对于混凝土试件 的外界环境影响波动较小。但此种方法通常需要较大的功 率的制冷与加热设备 ， 对于机械制造工艺要求较高， 造成整 个设备的体积较庞大且造价昂贵。针对国内情况并经过多 次的试验与改 良， F H A T R D测试仪使用空气介质来对混凝 土试件进行 间接温度控制 ，同样实现了保证混凝土试件绝 热空间效果 ， 甚至测控跟踪精度超过 了水域的控制效果。 F H A T R D 混凝土绝热温升设备还采用 了绝热室上部开 口的做法， 这样不仅有利于试件的放置， 更主要的原因是通 1 6 8 l 2 0 l 2 2 B 1坷 血g 常试件盛放装置底部温度传感器的温度要比其上部 的温度 略低 而上部的温度也要高于试件盛放装置侧壁的温度 ， 因 此选择在仪器绝热室的上部开口，可 以使得混凝土试件的 周围环境保持一致。 3 P I D测控 系统 要保证混凝土试件尽量不受外界环境的干扰 ，通过精 确的 P I D 算法 ，使得 内层控温装置的温度与外层控 温装置 的温度总是保持一个相对稳定的温度差值 ，通常内层温度 高 于外层温 度 1 o c 2 o c( 此 差值可 以通过软 件 自行设 定 ) ， 这样就可以有效的屏蔽外界环境对于试件的影响。 3 1 PI D算法的控制 在过程控 制中 ， 按偏 差的比例 ( P ) 、 积分 ( I ) 和微分( D) 进行控 制的 P I D 控制器 ， 它具 有原理简单、 易于实现 、 适 用 面广、 控制参数相互独立、 参数的选定比较简单等优点。 P I D 算法是工业控制中经常采用的算法之一 ，可分为增量式控 制 ， 位置式控制， 微分先行控制。F H A T R D混凝土绝热温升 测控 系统采 用的是位置式控制方法。 P n ( e ( 柚 ( 1) k P i( 。 = K r e ( = e ( 一 尸 _i( 1 ) ( 2 ) J 0 ( = e ( 一 e ( 七 一1 ) ( 3) 式中 一比例系数 ； K r 一 积分系数 ； K 广微分系数 ； T 采样周期。 需要说 明的是 ， 在 P I D 位置控制中， 有可能出现积分饱 和等现象 ， 使控制在较长的时间内减缓响应。F H A T R D 系统 采用较小的积分系数 ，同时附加一个额外热量补充的手段 来克服这一现象的出现。 3 2绝热校验 通常采用将数月之前实验 用过的混凝土试件重新放入 试件盛放装置中进行绝热校验 ，往往会出现温度缓慢下降 的现象 ， 虽然加热保温装置具有很好的保温性能 ， 内层控温 装置的温度传感器也可 以很好 的跟踪试件 中心 的温度 ， 但 整个系统与外界环境仍然存在微小的温度梯度 ，这样就会 影响整个绝热控温系统的稳定性能。因此 ， 在试验 中应采取 控 制内层控温装置的温度略高于混凝土试件 中心温度 ， 内 层控温装置的温度紧密跟踪试件 中心温度 ，对系统与外界 的温度梯度进行散热补偿 ，使不再水化的混凝土试件的中 心温度保持恒定。 在 F H A T R D混凝土绝热控温系统 中， 此部 分温度差值可 以通过绝热校验由系统算法 自动得到。 4配合比试验对比 在施工过程中 ， 随着高性 能混凝土技术 的普及 ， 粉煤灰 和矿粉等矿物掺合料大量被使用。 经过工程实践发现， 矿物 掺合料 的添加可以有效地降低大混凝土的绝热温升 ，粉煤 灰对于降低胶凝材料的水化速率有 明显的帮助。我们在上 述研究的基础上 ， 研究了混凝土绝热温升 的影响因素， 分析 了混凝土绝热温升 曲线的规律 ，研究结果有助于指导大体 积混凝土配合比的设计与优化。在试验前采用 5 0 L水进行 绝热温升校验 ，结果表明在 2 0 c C 、 4 O c C 、 6 0 c IC 和 8 0 c C 的 4 8 h 水温 漂移 0 0 1 c c ，满足水工规范 D L _r 5 1 5 0 2 0 0 1 水工混凝土试验规程 中的有关要求。 实验结果如图 3 所示 ： 试件浇筑 2 0 h 后才开始大量放 热 ， 且温升速率急剧增加 ； 混凝土的水化热主要集中在试件 浇筑后的 2 0 h N 8 0 h ； 8 0 h后 ， 放 热逐 渐减慢 ， 此 时曲线趋 于平缓。另从表 1可以看 出，同胶凝材料的混凝土绝热温 升会随胶凝材料的用量增大而增大。 因此， 对于大体积混凝 土配合比的设计和优化 ， 应优选原材料 ， 并在满足工作性和 强度的前提下尽量降低胶凝材料的用量 ，以减少混凝土的 绝热温升。 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0时闽 图 3 胶凝材料用量 不同对 绝热温升的影响 表 1 混凝土配合 比 k g m。 5 应 用实例 深港西部通道 口岸港方单体建构筑工程位于深圳市南 山区科苑路与东滨路交汇处东南角， 由旅检 区、 货检区以及 X光检查大楼 3部分 ( 5 7栋单体 ) 组成 ， 总建筑面积约为 4 4 2 6 0 m z 。 其中 X光检查大楼的检查通道有防止 X 射线泄漏的 特殊功能要求。X 光检查大楼总建筑面积为 6 4 1 5 5 m z ， 建 筑总高度约为 1 4 1 5 m 。分为入境检查大楼和出境检查大 楼 2 部分 ， 建筑功能基本相同。其单体建筑物长度 8 4 m 、 宽 度 2 7 1 5 m ， 包括厚体积钢筋混凝土检查通道( 包括加速器 室 、 探测器室 ) 、 单层 环轨大厅 三层辅助用房 局部二层的 大门机 房及单层维修间，并沿东西向于 2 层设置连接两侧 出入境大楼的两道连廊。 X 光检查大楼的检查通道长 4 1 4 m 、 宽 2 0 5 m ， 为有效 防止 X 射线泄漏， 采用钢筋混凝土墙、 板和钢制大门作为辐 射防护材料。检查通道 的墙体厚度有 0 4 m 、 1 m 、 1 5 m 、 1 8 m 、 2 m共 5种规格 ， 顶板厚度有 0 4 m 、 1 m、 1 5 m共 3 种规格 ，混凝土强度等级为 C 3 5 ，干 密度要求不小于 2 4 k N m 3 。检查通道的混凝土不允许 出现贯穿性裂缝和宽度大 于 0 2 m m的有害裂缝 ， 检查通道的混凝土表面须达到清水 混凝土的标准。 为了满足 X 光检查大楼的检查通道防止 X 射线泄 漏的 特殊功能要求 ， 施工中重点从混凝土配合比设计、 混凝土施 工及模板支撑体系等方面加以控制。其 中在混凝土配合 比 设计中，通过对各种不同混凝土设计配合比的绝热温升实 验 ， 严格控制混凝土的绝热温升 ， 在满足混凝土设计强度等 标准的前提下 ， 应使混凝土的绝热温升小于 3 5 o c 后方可最 后确定配合比，避免由于混凝土内部积聚引起的温度梯度 导致混凝土结构的开裂。 工程结束拆除模板之后 ， 经认真观察 ， 墙体没有裂缝 、 结构不渗不漏， 取得 了良好的效果。 经国家环境保护部门检 测， 混凝土结构有效地屏蔽了 X 射线 ， 并且同时满足相关国 家标准( 图 4 ) 。 图 4 深港西部通道 口检验大楼货检通道 6结语 混凝土绝热温升测试仪 目前已经逐渐应用于混凝土的 绝热温升的测量中，对于大体积混凝土配合 比的设计与改 进起到了关键作用。本文主要 以自主研发的混凝土绝热温 升测试仪来探讨有关其结构构造与改进、 P I D 测控算法与绝 热校验等问题 ，最后说明了不 同水胶 比对于混凝土绝热温 升的影响 ，以及在深港西部通道 口岸港方 X光检查通道 中 大体积混凝土配合比的应 用， 有效地保证 了工程质量。 参 考 文 献 【 1 】Ma r i a Ka s z ys k a E a r l y a g e p r o p e r ti e s o f h i s h s t r e n g t h h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e J C e m e n t &C o n c r e t e C o m p o s it e s ，2 0 0 2 ， 2 4 ( 2 ) ： 2 5 3 - 2 6 1 【 2 】 林志海， 覃维祖 用虚拟仪器技术检测混凝土的绝热温升 J 1 混凝土与水 泥制品， 2 0 0 2 ， 1 l ( 2 1 ： 9 1 1 ， 3 3朱伯芳 大体积混凝 土绝热温升试验新方法IJ 1 水利水 电技术 ， 2 0 1 0 ，4 1 f3 ) ： 3 7 3 9 建 筑 施 工第 3 4 卷第 2 期 I 1 6 9 柏 笛 m 、 醚聪