一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置和方法与流程

本发明属于建筑领域，具体涉及一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置和方法。

背景技术：

如今，裂缝仍然是困扰大体积混凝土结构的顽疾。研究和实践表明，温度应力是导致大体积混凝土施工期乃至运行期开裂的最主要原因。在施工期，混凝土中的胶凝材料的水化反应产生大量的热会引起结构温度上升，温升带来的内外温差变形在自约束作用下产生的温度应力容易造成结构表面裂缝，此外，结构后期整体降温温差在外约束作用下产生的温度应力容易引起结构贯穿性裂缝。因此，控制混凝土早期水化温升是防裂的最重要措施之一。

通水冷却经过数十年的工程实践验证和研究，已经被证明是一种行之有效的温控措施之一。最早在1931年，美国垦务局对owyhee拱坝进行了混凝土水管冷却的现场试验，取得了令人满意的效果。1935年hoover拱坝开始施工，全面采用水管冷却，取得了良好的效果，冷却水管开始在全世界范围内推广。1956年我国在兴建造洪甸拱坝时就开始采用水管冷却。在长期经验积累及理论研究过程中，人们对水管冷却的施工工艺有了更深刻的认识，早期的水管冷却大部分使用铁管，近年来塑料管也开始被广泛使用起来，如二滩拱坝使用了高聚乙烯水管取得了较好的效果。虽然通水冷却在冷却效果方面取得了具有较好的效果，但其水管布置、制冷成本等方面存在诸多不足。尤其是对于渡槽、边墙、底板等薄壁结构，布置水管后混凝土仍然会出现较多的裂纹。因为除了温度应力外、干缩应力也是混凝土结构的致裂因素之一。

混凝土干缩是由混凝土水分的丧失造成的，混凝土在干燥的空气中硬化，水分逐渐蒸发就容易产生干缩。混凝土表面在干燥空气的影响下水分挥发后容易产生干缩裂纹，因此传统的观点都认为只需对其表面就行保湿处理而无需对混凝土内部保湿，所以在混凝土内部只采取通冷却水冷却减少因温升产生的裂纹，且冷却水管在埋设过程中接头需要采用胶带缠裹，防止漏水。现有技术中缺少在混凝土内部同时冷却和保湿养护的装置和方法。

中国专利cn102094528b公开了一种大体积混凝土冷却水管布置方法，包括以下步骤：a、采用实测或温度场数值仿真技术得出大体积混凝土的温度场分布情况，画出温度场的等温线图；b、沿等温线或接近等温线布置冷却水管，将进水设置在混凝土温度最高的区域，水管间距根据等温线间距布置或近似等间距布置。该专利提供的一种大体积混凝土冷却水管布置方法，克服了等间距布置冷却水管的缺点，能有效减小混凝土内部温度差异，减小混凝土内部温度应力，防止温升裂缝的产生，但是对于混凝土内部的干缩裂缝并没有较好的控制方法；并且制冷水成本高，水管爆裂严重威胁混凝土质量，接头处理困难。

中国专利cn206486448u公开了一种大体积混凝土的风冷控温装置。所述冷却装置包括由风机和通风管道组成的风冷机构、保湿机构和温度监测机构，通风管道穿过混凝土且一端通过变径连接件与风机连接，保湿机构包括湿度控制箱，湿度控制箱的雾化水珠出口处设有雾化水珠输送主管，雾化水珠输送主管通过支管与通风管道连接，温度监测机构包括数条数据线和设置于混凝土内部、上表面及外界的测温构件，测温构件分别通过数据线与温度采集器连接，信号通过无线数据传输至控制终端。该专利中通风管道对大体积混凝土进行通风降温并实现数据监控，对大体积混凝土的温度裂缝进行有效控制，提高了工程质量。其中设置了保湿机构，但是由于输送管道内部并没有开设通气孔，保湿机构并不能对混凝土内部进行保湿养护。

现有技术中对大体积混凝土的养护装置均不能对混凝土内部进项保湿养护，并且混凝土固化后的内部裂缝难以避免，而现有技术中对于混凝土内部产生的裂缝并没有良好的解决办法。

技术实现要素：

本发明目的是针对上述现状，本发明发现混凝土内部也容易产生干缩裂纹，为了至少解决上述技术问题之一，设计一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置，采用冷却空气和雾化水珠对混凝土内部进行降温和保湿；可实现混凝土永久养护，提高混凝土质量，有效实现抗裂，大大降低成本，提高效率，并且对于混凝土内部产生的裂缝可以进行灌浆修复，大大提高混凝土的耐久性。

本发明目的的实现方式为：一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置，包括空气制冷机、雾化器和冷气管道；冷气管道包括进气管、出气管和预埋在混凝土中的冷气埋管，冷气埋管包括冷气主管、冷气分管、冷气支管；冷气主管在混凝土中间位置水平设置且冷气主管的中间与垂直混凝土表面的进气管的一端相连；进气管上设有加压装置和压力表，且进气管的另一端通过三通管分别连接低温雾化通道和超细水泥浆灌浆通道，低温雾化通道上依次设置空气制冷机和雾化器，超细水泥浆灌浆通道连接泥浆储罐；冷气主管两侧设置多条由内向外延伸的冷气分管，冷气分管的一端与冷气主管连接，冷气分管的另一端穿过混凝土的一侧与出气管相连；出气管另一端连接回收罐；冷气分管两端、低温雾化通道、超细水泥浆灌浆通道、以及出气管上均设有电磁阀；每条冷气分管的管道两侧均连接多个冷气支管，冷气支管上设置多个通气孔。

本发明的冷气管道为多功能管道，不仅可以用于混凝土的低温和保湿养护，还可以对产生的裂缝进行灌浆修复。采用制冷空气代替制冷水作为冷媒，无需在现场设置专门大规模存储冷却水的工程设施，也无需复杂的回路系统，现场冷气管道布置简单，且空气制冷机制冷效率高，成本低。本发明的冷气主管设置在混凝土中间，冷却介质通过进气管从中间进入混凝土温度最高的部位并从冷气主管逐步流向周围的冷气分管和冷气支管，能更有效快速的降低混凝土内部的温度差异，避免温升裂缝的产生。采用管壁带通气孔的冷却支管，通过雾化器增加冷风的湿度，雾化水珠通过冷气埋管的通气孔进入混凝土内部，实现内部湿养护，降低干缩裂缝的产生；混凝土凝结后降温期结束后，可以将进气管连接水管进行低压灌水，进一步通过渗水继续进行湿养护。发明人发现通过雾化水珠对混凝土内部进行湿养护可以大大降低其收缩应力，有效实现抗裂。当发现混凝土局部出现裂缝时可开启部分支管通道和灌浆通道，通过加压装置将超细水泥浆灌入裂缝中进行局部灌浆修补裂缝，当裂缝填满后多余的超细水泥浆流入回收罐回收利用。

作为本发明的一种优选方案，所述回收罐上设置真空泵和电子真空压力表。

当灌浆结束后，可以开启真空泵进行抽真空，将管道中多余的超细水泥浆都抽出，防止堵塞管道。所述电子真空压力表既可以显示正压也可以显示负压。

作为本发明的一种优选方案，所述真空泵的出口通过三通电磁阀连接雾化器的进气口，三通电磁阀的另一出口直接和空气连通。

当进行低温雾化水珠进行养护时，可以启动真空泵进行对冷气管道施加微负压(-0.01～-0.03mpa)，这样通过真空配合加压装置，可以加快低温雾化水珠在冷气管道中的流动，使其混凝土内部更快速均匀地降温。真空泵出口的低温雾化水珠再次进入雾化器循环使用，节约用水。

作为本发明的一种优选方案，所述雾化器采用大功率超声波雾化器。大功率超声波雾化器雾化水珠较细，易被混凝土吸收，且雾化速度快，可同时供应大面积的混凝土中多条冷气管道，提高保湿速度。

作为本发明的一种优选方案，所述冷气支管内设有阀门用于控制冷气支管内的雾化水珠或超细水泥浆从通气孔单向流入混凝土孔隙中。需要通入雾化水珠或超细水泥浆时，开启阀门并使用加压装置进行加压，进行保湿养护或灌浆修补裂缝。当灌浆完毕后，停止加压装置同时关闭冷气支管的阀门然后抽真空去除冷气分管中多余的水泥浆；可以防止超细水泥浆从混凝土孔隙中倒流回冷气分管。

作为本发明的一种优选方案，所述混凝土内部钢筋上固定布置多个温度传感器、湿度传感器和应力传感器；进一步优选地，冷气分管设有流量传感器。通过温湿度以及流量监测可以更方便调控制冷和雾化速度。应力传感器可以用于测试混凝土内部在固化过程中产生的应力，累积不同条件下混凝土的应力变化数据，用于进一步优化养护工艺降低内部应力，避免裂纹产生。并且一旦监测到混凝土内部应力出现异常可以对应力异常的部位进行局部灌浆处理，填补裂缝。

进一步优选地，所述雾化器、空气制冷机、加压装置、真空泵和电磁阀的信号输入端均连接可编程显示控制器；所述温度传感器、湿度传感器、应力传感器、流量传感器、压力表均将数据传输给可编程显示控制器。根据监测的数据累积的经验后可通过可编程控制器可以预设特定的养护程序，实现自动养护。

使用上述养护装置进行混凝土内部冷却和灌浆的方法，包括如下步骤：

(1)冷气分管和冷气支管上设有流量传感器；将冷气主管、冷气分管、冷气支管以及进气管分别固定组装好，分层连续浇筑混凝土，在混凝土中预埋冷气管道、温度传感器、湿度传感器、应力传感器；

(2)将冷气管道、出气管、真空泵、进气管、空气制冷机、雾化器、加压装置连接，可编程显示控制器与雾化器、空气制冷机、真空泵、加压装置和电磁阀的信号输入端电连接；可编程显示控制器与温度传感器、湿度传感器、应力传感器、流量传感器、压力表的数据输出端电连接；

(3)混凝土固化过程中，检测混凝土内外部温度、湿度和应力，当检测到内外部温度或湿度超过设定范围时，可编程显示控制器控制启动空气制冷机、雾化器、电磁阀和加压装置并控制制冷、雾化及加压循环速度；

(4)降温和保湿过程可编程显示控制器持续接收并记录温度传感器、湿度传感器、应力传感器、流量传感器、电子真空压力表的数据信息，并根据监测到的温湿度和流量数据时刻调整制冷、雾化及加压循环速度；

(5)混凝土冷却完毕固化后，通过控制开启部分阀门以导通对应位置的冷气分管，并控制超细水泥浆通道开启进行灌浆，灌浆完毕后，关闭灌浆通道，开启真空泵，将多余超细水泥浆抽入回收罐中。

本发明的大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置具有以下优点：

(1)本发明中的冷却和灌浆装置不仅可以同时对混凝土内部进行保湿和降温养护，大大降低内部应力，减少温度收缩及干燥收缩，减少裂纹；还可以进行灌浆处理，修补混凝土裂缝。

(2)通过大功率超声雾化器产生细小雾化水珠通过通气孔进入混凝土，提高保湿效率，具有良好的稳定湿度和内养护的作用。

(3)雾化水珠可循环利用，节省用水，且提高雾化水珠利用率。

(4)通过加压装置和真空装置的配合，低温雾化水珠在冷气管中的流动速度均匀可控，湿度稳定，使混凝土内部更快速均匀地降温和保湿。

(5)降温期结束后，冷却管中可以直接低压灌冷水，进一步通过渗水继续进行混凝土后期的湿养护，持续提高混凝土后期强度和耐久性。

(6)出现裂缝进行灌浆处理后，可将管道中多余的超细水泥浆抽出，不仅可以回收超细水泥浆，也不仅方便管道后期对混凝土进行持续的养护和灌浆。

(7)通过应力传感器监测不同的养护条件下混凝土的应力变化，累积养护环境与内部应力的关系数据，通过可编程显示控制器与温湿度传感器等连接可以实现保湿养护和灌浆裂缝修复程序自动化。

附图说明

图1是实施例1的一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置的俯视示意图；

图2是实施例1的一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置的侧视示意图；

图3是图1中冷气支管的放大结构示意图；

图4是实施例2中一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置的俯视示意图；

图5是实施例2的一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置的侧视示意图；

图6是本实施例2中冷气支管与冷气分管的放大结构示意图；

图7是本实施例2中冷气支管与单向阀的放大结构示意图。

图中：1、空气制冷机；2、雾化器；3、进气管；4、出气管；5、冷气主管；6、冷气分管；7、冷气支管；8、混凝土；9、加压泵；10、压力表；11、低温雾化通道；12、超细水泥浆灌浆通道；13、泥浆储罐；14、回收罐；15、电磁阀；16、通气孔；17、应力传感器；18、单向阀；19、真空泵；20、真空压力表；21、三通电磁阀；23、温湿度传感器；24、流量传感器；1801、通气口；1802、弹性档片；1803、挡块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体附图仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的一种大体积混凝土降温保湿灌浆一体化装置，包括空气制冷机1、雾化器2和冷气管道；冷气管道包括进气管3、出气管4和预埋在混凝土中的冷气埋管，冷气埋管包括冷气主管5、冷气分管6、冷气支管7；冷气主管5在混凝土8中间位置水平设置且冷气主管5的中间与垂直混凝土8表面的进气管3的一端相连；进气管3上设有加压泵9和压力表10，且进气管3的另一端通过三通管分别连接低温雾化通道11和超细水泥浆灌浆通道12，低温雾化通道上依次设置空气制冷机1和雾化器2，超细水泥浆灌浆通道12连接泥浆储罐13；冷气主管5两侧设置多条由内向外延伸的冷气分管6，本实施例中多条冷气分管为相互平行设置，实际应用中也可以为多条成一定角度向外辐射的冷气分管；冷气分管6的一端与冷气主管5连接，冷气分管6的另一端穿过混凝土8的一侧与出气管4相连；两出气管4另一端连接回收罐14；冷气分管6两端、低温雾化通道11、超细水泥浆灌浆通道12以及出气管4上均设有电磁阀15；每条冷气分管6的管道两侧均连接多个冷气支管7，冷气支管7上设置电磁阀和多个通气孔16。所述混凝土8外围和内部钢筋上固定均匀布置多个应力传感器17，应力传感器将数据传输并显示在计算机上，并且计算机中存储了各个应力传感器和电磁阀在混凝土中所处位置。

所述雾化器2采用大功率超声波雾化器。湿养护通气孔16沿冷气支管7的管壁按梅花形布置。混凝土中每50cm间距布置一根冷气分管，冷气分管直径10cm；冷气分管上相邻冷气支管间距有10cm；冷气支管的直径为30mm，通气孔的孔径为5mm，孔间距为10mm。

本实施例的养护装置可以根据现场情况开启空气制冷机、雾化器和电磁阀，对大体积混凝土内部进行降温和保湿。水和空气经过雾化和制冷后形成低温雾化水珠，然后经过加压装置进行适当的加压时低温雾化水珠从进气管流向混凝土中间的冷气主管；开始对混凝土进行冷却，然后从中间向周围的冷气分管和冷气支管进行扩散流动，并从冷气支管的通气孔中进入混凝土内部，对混凝土进行冷却和保湿养护，出气管的。养护过程中，可持续监测混凝土各处应力变化，也可通过电磁阀的开启和关闭实现仅开启部分冷气支管进行局部快速降温和保湿。混凝土冷却完毕固化后，通过控制开启部分阀门以导通对应位置的冷气分管，并控制超细水泥浆通道开启进行灌浆，灌浆完毕后，关闭灌浆通道，开启真空泵，将多余超细水泥浆抽入回收罐中。后期可以持续通入常温雾化水珠或灌水进行加湿养护，当观察到混凝土中出现裂缝，或者应力传感器数据超过正常范围，可能有裂缝产生时，通过仿真分析观察查找应力异常的区域，并可通过开启相应区域的电磁阀，开通局部冷气通道，进行局部灌浆，修补裂缝。

本实施例采用和管壁带小孔的冷却管代替传统水管，通过雾化器增加冷风湿度，雾化水珠通过冷却管壁上的小孔进入混凝土内部，实现内部湿养护。与传统的通水冷却相比，本方法的优势主要有以下几个方面(1)将水冷却与内部湿养护结合，减少温度收缩的同时，减少混凝土干燥收缩，有效实现抗裂；可以在混凝土内部产生裂缝的时候进行灌浆处理，修补裂缝。(2)无需在现场专门大规模存储冷却水的工程设施，无需复杂的回路系统，现场冷却管布置简单；(3)制冷空气制备效率高，成本低；(4)降温期结束后，冷却管中可以直接灌水，进一步通过渗水继续进行湿养护。(5)可实现混凝土永久养护，提高混凝土后期强度和耐久性。

实施例2

如图4-7所示，相比实施例1，本实施例的冷气支管7内设有单向阀18用于控制冷气支管内的雾化水珠或超细水泥浆从通气孔16单向流入混凝土8内部。所述单向阀包括通气口1801、弹性档片1802和挡块1803，弹性档片1802设置在通气口1801后方，挡块1803位于弹性档片1802后方的一侧。所述弹性档片可由弹性橡胶片制成，更优选为可透气不透水的弹性材料制成。当加压泵工作时冷气分管压力大于孔隙内气压，弹性档片一边向侧后方变形弯曲，使得通气口打开，雾化水珠或者超细水泥浆从冷气支管进入混凝土内部，当进行抽真空时，冷气分管压力小于混凝土内部压力，弹性垫片将通气口密封，超细水泥浆将无法倒流回冷气分管。本方案的单向阀设计简单，操作方便。

所述回收罐14上设置真空泵19和电子真空压力表20。所述真空泵19的出口通过三通电磁阀21连接雾化器2的进气口，三通电磁阀21的另一出口直接和空气连通。所述混凝土内部钢筋上固定布置多个温湿度传感器23和应力传感器17。所述冷气分管6和冷气支管7上均设有流量传感器24。

所述雾化器2、空气制冷机1、加压泵9、真空泵19、电磁阀15、三通电磁阀21的信号输入端均连接可编程显示控制器；所述温湿度传感器23、应力传感器17、流量传感器24、压力表10和真空压力表20均将数据传输给可编程显示控制器。

可编程控制器包括plc控制器和与之连接的计算机作为输入和显示器，计算机内设置控制系统自动控制温湿度、流量和真空度等参数。图中仅示意性画出部分传感器并省略可编程显示控制器和电连接线。

其它与实施例1相同。

使用本实施例进行进行混凝土内部降温和保湿的方法，包括如下步骤：

(1)冷气管道上设有流量传感器；将冷气主管、冷气分管、冷气支管以及进气管分别固定组装好，分层连续浇筑混凝土，在混凝土中预埋冷气管道、温度传感器、湿度传感器、应力传感器；

(2)将冷气管道、出气管、真空泵、进气管、空气制冷机、雾化器、加压装置连接，可编程显示控制器与雾化器、空气制冷机、真空泵、加压装置和电磁阀的信号输入端电连接；可编程显示控制器与温度传感器、湿度传感器、应力传感器、流量传感器、压力表的数据输出端电连接；

(3)混凝土固化过程中，检测内外部温度、湿度和应力，当检测到内外部温度或湿度超过设定范围时，可编程显示控制器控制启动空气制冷机、雾化器、电磁阀和加压装置并控制制冷、雾化水珠及加压循环速度；

(4)降温和保湿过程可编程显示控制器持续接收并记录温度传感器、湿度传感器、应力传感器、流量传感器、电子真空压力表的数据信息，并根据监测到的温湿度和流量数据时刻调整制冷、雾化水珠及加压循环速度；刚开始可以根据水泥型号和环境温度不同，设定内部温度高于规定温度5～10℃即开启空气制冷机，开启空气制冷机的同时开启雾化器，使冷气持续加湿，将雾化水珠通入冷气埋管中；开启加压装置，保持进气管处压力为0.03-0.04mpa左右，开启真空泵保持微真空度-0.01～-0.02mpa，并开启相应位置的电磁阀；记录温湿度变化、流量变化、制冷和雾化水珠功率等与混凝土的应力变化关系曲线，累积经验后可选择最优的养护条件；

(5)混凝土冷却完毕固化后，通过控制开启部分阀门以导通对应位置的冷气分管，并控制超细水泥浆通道开启进行灌浆，灌浆完毕后，关闭灌浆通道，开启真空泵，开启真空度-0.08～-0.1mpa，将多余超细水泥浆抽入回收罐中。

本装置中雾化水珠通过微真空配合加压本带动可顺畅在管道中流通，且雾化水珠可以循环利用，节省用水，且提高雾化水珠利用率；冷却管内预设保湿环层，可保证稳定的湿度环境，混凝土持续吸收雾化水珠达到良好的湿养护效果。

使用本实施例的装置进行养护不仅可以智能自动控制养护温湿度和冷风流量，还可以累积养护条件与混凝土内部应力的变化情况，可用于严格自动化控制混凝土养护条件，保证内部拉应力不超过混凝土的抗拉强度极限值，且将内部和外部混凝土的应力差值控制在较小范围，防止裂缝的产生。本装置在养护过程中相对于仅开冷气降温养护而言，同时开启雾化器，不仅可以加快降温速度，而且混凝土内部设置的应力传感器检测到混凝土的收缩应力变小，从而减少了混凝土裂缝的产生。当混凝土固化后可以进行灌浆，灌浆结束后可以抽真空将管道中多余超细水泥浆都排出，既可回收超细水泥浆，也方便后期持续对混凝土进行低温保湿养护。如果后期混凝土中再出现裂缝，也可以再次进行灌浆修补裂缝。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。