混凝土绝热温升测试仪的设计原理及其应用

建筑测量

混凝土绝热温升测试仪的设计原理及其应用

Design Principle and its Application of Detector for Measuring Concrete Adiabatic Temperature Rise

郑贺伊

郭苏

深圳泛华工程集团有限公司５１８０３４

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ＦＨ－ＡＴＲＤ型混凝土绝热温升测试仪以及ＰＩＤ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间的变化规律，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ＰＩＤ

／文献标识码【文章编号】1004-1001（2012）中图分类号：TU198+.2B 02-0167-03

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［１］。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ＦＨ－ＡＴＲＤ型法不能很好地反映混凝土拌合后的温度变化［２］。

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。

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ＦＨ－ＡＴＲＤ混凝土绝热温升热控温装置，以及测量控制装置。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）。

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个周目前施工中期需要７ｄ￣１４ｄ，有的甚至２８ｄ之多。例如，的某特高拱坝，混凝土掺粉煤灰３０％，根据实际观测资料分因析，在２８ｄ以后，混凝土绝热温升还有６℃￣８℃之多，此，对于某些配合比的混凝土绝热温升的试验，最好持续９０ｄ－１８０ｄ［３］。直接测定混凝土的绝热温升，要保证在整个

图１ＦＨ－ＡＴＲＤ混凝土绝热温升测试仪内部结构示意

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。

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作者简介：郑贺伊（１９８６－），男，硕士，工程师。

作者地址：深圳市福田区景田北民华大厦５Ｆ（５１８０３４）。收稿日期：２０１２－０１－２１

建筑施工第３４卷第２期

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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ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器软件工作在ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ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。

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。

３ＰＩＤ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ＰＩＤ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（此差值可以通过软件自行设高于外层温度１℃￣２℃

定），这样就可以有效的屏蔽外界环境对于试件的影响。３．１ＰＩＤ算法的控制

、积分（Ｉ）和微分（Ｄ）在过程控制中，按偏差的比例（Ｐ）进行控制的ＰＩＤ控制器，它具有原理简单、易于实现、适用控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。ＰＩＤ面广、

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。ＦＨ－ＡＴＲＤ混凝土绝热温升测控系统采用的是位置式控制方法。

图２混凝土绝热温升测控原理

Ｐｐ（ｋ）＝Ｋｐｅ（ｋ）

ｋ

（１）（２）（３）

２

２．１

混凝土绝热温升测试仪的改进

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

Ｐｉ（ｋ）＝ＫｉτΣｅ（ｊ）＝ｋｉｅ（ｋ）－Ｐｉ（ｋ－１）

ｊ＝０

Ｐｄ（ｋ）＝Ｋｄ［ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１）］

式中Ｋｐ———比例系数；

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ＦＨ－ＡＴＲＤ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此外，试件容器的侧壁距离内层试件中心温度带来的影响。

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国外科态的空间，这是此类设备在设计与制造的关键环节。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，ＦＨ－ＡＴＲＤ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。

ＦＨ－ＡＴＲＤ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

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Ｋｉ———积分系数；Ｋｄ———微分系数；τ———采样周期。

需要说明的是，在ＰＩＤ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。ＦＨ－ＡＴＲＤ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，这样就在试验中应采会影响整个绝热控温系统的稳定性能。因此，

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在ＦＨ－ＡＴＲＤ混凝土绝热控温系统中，此中心温度保持恒定。

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

２０１２·２Building Construction

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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５０Ｌ水进行绝热温升校验，结果表明在２０℃、４０℃、６０℃和８０℃的４８ｈ水温漂移＜０．０１℃，满足水工规范ＤＬ／Ｔ５１５０－２００１《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２０ｈ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２０ｈ￣８０ｈ；８０ｈ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。

Ｘ光检查大楼的检查通道长４１．４ｍ、宽２０．５ｍ，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０．４ｍ、１ｍ、１．５ｍ、１．８ｍ、２ｍ共５种规格，顶板厚度有０．４ｍ、１ｍ、１．５ｍ共３种规格，混凝土强度等级为Ｃ３５，干密度要求不小于２４ｋＮ／ｍ３。检查通道的混凝土不允许出现贯穿性裂缝和宽度大于０．２ｍｍ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３５℃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

编号

Ｃ４０－１Ｃ４０－２

水泥

２６９２２９

砂

石子

掺合料６９６９

外加剂２．２５２．２５

水１２３

１２３

水胶比０．３７０．４２

ｋｇ／ｍ

３

砂率３４．８％

３４．８％

图４深港西部通道口检验大楼货检通道

６７０１２５５

６７０１２５５

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

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（５７栋单体）组成，总建筑面积约为４４２６０ｍ２。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６４１５．５ｍ２，建筑总高度约为１４．１５ｍ。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８４ｍ、宽度２７．１５ｍ，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。

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、ＰＩＤ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］ＭａｒｉａＫａｓｚｙńｓｋａ．Ｅａｒｌｙａｇｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ／ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２００２，２４（２）：２５３－２６１．［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］．混凝土与水泥制品，２００２，１１（２）：９－１１．［３］朱伯芳．大体积混凝土绝热温升试验新方法［Ｊ］．水利水电技术，２０１０，４１（３）：３７－３９．

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