水泥混凝土智能养护系统在桥梁工程中的应用研究.pdf

第 3 9卷 ， 第 2期 2 0 1 4年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9，No 2 Ap r ， 2 0 1 4 水泥混凝土智能养护系统在桥梁工程中的应用研究 赵 一林 ( 长沙理工大学 ， 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ) 摘要 传统 的水 泥混凝 土养护方 式不规范、 不科学 ， 往 往因养 护不 当导致强度不足与产生温度 裂缝。水泥 混凝土智能养护系统采用先进的控制技术， 通过温度、 湿度、 水化热多参数 自动分析控制混凝土的养护施工， 可保 证养护过程规 范、 科学 、 精 细 ， 对提高混凝 土强度 、 减少裂缝的出现 、 提高养护效率意 义重大 。 关键词混凝土 ；智能养护 ； 裂缝 ；强度 中图分类号U 4 4 5 7 文献标识码】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 2 8 4 0 4 Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o f t he S y s t e m o f Ce me n t Co n c r e t e I n t e l l i g e n t M a i n t e n a n c e i n t he Br i d g e En g i n e e r i n g ZH AO Yi l i n ( C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 0 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t T h e t r a d i t i o n a l w a y o f c e me n t c o n c r e t e c u r i n g i s n o t s t a n d a r d i z e d ， s c i e n t i fi c ， O ft e n d u e t o i mp r o p e r ma i n t e n a n c e l e a d t o i n s u f fic i e n t s t r e n g t h a n d t e mp e r a t u r e c r a c k s g e n e r a t e d Co n c r e t e c u r i n g s y s t e m u s e s a dv a n c e d i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y，Th r o u g h t h e t e mp e r a t u r e，hu mi d i t y，he a t o f h y d r a - t i o n a n a l y s i s o f mul t i p a r a me t e r a u t o ma t i c c o n t r o l o f c o nc r e t e c o n s e r v a t i o n c o n s t r u c t i o n， t o e n s u r e t h e c o n s e r v a t i o n p r o c e s s s t a nd a r d i z e d，s c i e n t i fic，fine，t o i mp r o v e t he s t r e n g t h o f c o nc r e t e a n d r e d u c e t h e a p p e a r a n c e o f c r a c k s a n d i mp r o v e t h e e f f i c i e n c y o f c o n s e r v a t i o n s i g n i f i c a n c e Ke y wo r d s c o n c r e t e ； i n t e l l i g e n t m a i n t e n a n c e ；c r a c k ； s t r e n g t h 1 概述 大量工程实践表明混凝土的强度、 裂缝是决定 其使用寿命 的关键因素 ， 在配 比合理、 浇筑工艺规范 的前提下 ， 养护施工质量直接决定 混凝 土强度与温 度( 收缩) 裂缝是否产生。现有 的养护方 式往 往不 规范 、 不科 学 、 不精 细 ， 以 至于 养 护 过程 中混 凝 土 强 度不足、 温度裂缝、 收缩裂纹产生的现象屡见不鲜 。 目前 的养护方式 主要存在 以下几个方面的 问 题 川 ： 人工洒水不规范。为保持混凝土在浇筑 以 后标准养护周期内保持表面湿润， 充分散除水化热 ， 养护前期的洒水次数频繁 ， 往后逐渐减少次数 ， 以适 应水化热的释放。而人 工洒水 随意性较大， 往往难 以保证养护质量 。 对温度 、 湿度的掌握不准确。按照养护规程 要求需要对养护结构物表面环境温度 、 湿度进行定 时的监测 以采取相应 的养护措施 ， 而现场对温度的 监测不规范 ， 对湿度基本没有监测 ， 难以做到适时养 护 。 养护用水量不足或过 多。洒水多少取决于 梁体体积与表面积( 关系到水化热的量) ， 洒水过少 则养护效果不佳 ， 洒水过多则水资源浪费， 且过多的 洒水往往造成混凝 土早期表面强度偏低产生掉色 、 水 痕等 质量 缺 陷。 养护效率低 。人工养护需要专人来完成 ， 一 个大型梁场需配置 1 2名养护工人且劳动强度高 ， 因而养护成本较高 ， 养护效率低下。 2 智能养护 系统的结构组成及原理简 介 水泥混凝土智能养护系统依靠先进 的自动化控 制技术 ， 根据水化热释放速率 、 温湿度的实测数据进 行有针对性的养护， 突破传统养护的困境 ， 可以完全 杜绝人工养护不 当带来 的不利影响， 相对于传统 养 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 1 3 【 作者简 介赵一林( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 湖南衡阳人 ， 高级工程 师， 主要从事土木工程科研与试验工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 赵一林 ： 水泥混凝土智能养护 系统在桥梁工程 中的应用研究 2 8 5 护施工 ， 是一种工艺技术上的飞跃。 水泥混凝土智能养护系统 旨在通过一键实现全 周期 自动养护。其主要配件包括内置吸水泵 、 压力 、 温湿度变送模块 、 电磁 阀、 调速变频器、 P L C、 配 电系 统等。系统通电运行后 ， 根据不同配合 比混凝土的 水化热量及水化过程 中热量的释放率、 梁体周边环 境温湿度 自动判别是否开启恒压喷淋和控制喷淋持 续时间， 以达到智能养护施工的 目的， 同时对养护全 过程技术信息进行记录与保存 ， 在养护完成 以后可 通过计算机读取数据形成养护施工记录表格( 喷淋 时间 、 湿度 、 温度等等) 及相关的曲线( 温度一 时间曲 线 、 湿度一 时间曲线) 。 专门针对大体积混凝 土的养护施工设计 的 0 2 系列。在梁体 内分层预埋温度传感器与冷却循环管 路 。做好适 当保温覆盖后开启智能养护系统 ， 控制 中心实时采集混凝土内、 外部温度分析温差 ， 温差接 近设置值时开启冷却管路 ， 水在混凝 土体 内持续循 环 以降低内部温度， 控制内外部温差。同时通过外 部温湿度的监测和不 同混凝土水化热释放规律的分 析适时的进行表面喷淋保湿 ， 内外“ 双控” 以达到高 效高质养护的目的。 3 智能养护 系统 的工作与控 制原理 智能养护系统的工作与控制原理见图 1 一图 3 。 温度 I 传 感 器 I 采 集 一 传感器l 图 1 智能养护 系统控制原理 图( 表面喷淋 系列) Fi g u r e l I nt e l l i g e n t ma i n t e n a n c e s y s t e m c o n t r o l s c h e ma t i c s ( s u r f a c e s p r a y S e r i e s ) 体外布置 。 体内布置 图 2 智能养护 系统控制原理图 ( 大体积混凝土 系列 ) Fi g ur e 2 I n t e l l i g e nt ma i n t e n an c e s y s t e m c o n t r o l s c h e ma t i c s ( 1 a r g e v o l u m e c o n c r e t e s e r i e s ) 系统主机 养护管路 圈 3智能养护 系统工作原理简 图( 表面喷淋养护 ) F i g u r e 3 I n t e l l i g e n t ma i n t e n a n c e s y s t e m w o r k s d i a g r a m ( s u r f a c e s p r a y c u r i n g ) 4 智能养护 系统的优点 4 1 一键完成养护、 提 高养护效率 养护管路布置完成以后 ， 接通电源 ， 连接外部水 源 ， 按下启动按钮， 一键启 动智能养护系统， 则 自动 完成全周期养护施工， 养护受人 为因素干扰降到最 低 ， 提高养护效率， 节省人工。 4 2全周期监测温、 湿度 ， 适时喷淋 以提 高养护质 量 智能养护系统全过程监测梁体周边环境温度 、 湿度并 自动作 出判断控制喷淋管路完成养护， 以适 时的引导水化热释放 ， 防止早期温度裂缝 的出现， 提 高混凝土强度和耐久性 。 4 3 大体积混凝土养护 内外“ 双控” 通过有限元实体分析 ， 了解水化过程温度变化。 实测大体积混凝土内部温度与外部温湿度， 分析判 断温差及表面湿度， 适 时的进行内部循环冷却与外 部喷淋保湿， 实现内外部养护同步自动控制。 4 4 基 于水 头压 力损 失进行 管路 适应性 设计 基于流体力学水头沿程损失的分析研究， 计算 一 一 一一 一 一一 一 一 带 一 贵 塑 控制中心 丁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 6 公路工程 3 9卷 每个喷头处的水压值 、 喷淋半径以适应性调整喷头 布置间距与管路直径 ， 保证喷淋面积完全覆盖混凝 土表面的同时亦不浪费用水， 同时保证每个喷头达 到喷雾 的效果 。 选用的喷头喷雾所需 的最小压力为 0 2 MP a ， 即必须最后一个喷头在沿程压力水头损失后仍需要 保证此压力值 ， 而喷头在不 同压力下 的喷洒半经是 不一致的 ， 为保证喷淋养护的效果 ， 通过调整喷淋主 管路 的直 径 ( 从 进 水 口往 后 逐 渐 变 小 ) 和 喷 淋 头 的 间距 ， 计算压力损失后确定进水 压力值 ( 由变频器 与压力传感器协调完成) 。 4 5 根 据 混凝 土 水 化 热量 及 水 化过 程 热 量 释放 率 有针对性的养护 不 同配合 比的混凝土 ， 其集 料、 水泥 品牌 、 水泥 用量等因素的不同对梁体的整体水化热影响很大 ， 同时养护周期内不同时间点的水化热释放量是不同 的， 智能养护系统对此进行有针对性的养护， 以切实 保证水化热平稳的释放。 图 4是某品牌水 泥 7 d水化热释放测定 曲线 ， 从 曲线走势可以看 出， 在第一个 2 4 h内水化放热很 快 ， 产生的热量 占总热量值 的 4 0 以上， 因此及早 进行养护十分必要 ， 此过程中洒水的频次须频繁 ， 以 保 持混凝土表面湿润 ， 水化过程中混凝土内部的湿 = 、 删 蕞 图 4 7 d水化热的释放过程曲线 F i g u r e 4 7 d h y d r a t i o n h e a t r e l e a s e p r o c e s s c u r v e 度保持 在 9 5 R H 以上， 因此表 面湿 度需 保持 在 9 0 R H以上。第 2 、 第 3个2 4 h的放热速率 明显变 慢， 应适时的减少喷淋频率 ， 否则因过度养护使得早 起强度不足和水痕， 第 4 d开始后水化放热速率 已 很缓慢 ， 洒水次数应再减少 ， 做适应性的调整 。 4 6 规 范养护过 程 根据施工技术规范及养护方案要求对水泥混凝 土进行规范养护 ， 极大可能的降低人为因素的干扰 ， 保存养护周期内温度、 湿度、 喷淋启动时刻 、 喷淋持 续时间、 喷淋水压等全过程技术参数 ， 便于质量管理 与质量追溯。 5 智能养护 系统在预制梁板养护上的应用 2 0 1 2年 7月 ， 智能养护系统在湖南省岳阳市某 大桥梁板预制现场使用， 该桥上部结构为先简支后 连续的 3 0 m T梁 ， 智能养护系统用于该类型 T梁的 养护施工。 管路设计 ： 管路总长为 3 0 6 m( 两端各伸出梁 端 0 3 m) ， 泵的额定流量为 3 m h ， 分左右两支管 路 ， 每 支 管路流量 为 1 5 m h ， 每支 管 路前 1 8 m 为 D 2 5 P P R管 ， 后 1 2 m 为 D 2 0 P P R管 。前 1 8 m 的 水 头损失计算 为 2 0 m( 考虑 支路 分拆 的 1 3 m 长 度) ， 后 1 2 m的水头损失为 4 3 m， 再考虑塑料给水 管 0 2 0 m 的水 头 损失 ， 总 的水 头损 失 为 6 5 m。 为 保证最后一个喷头的水头必须大于 2 0 m， 最终 出水 口水力应达到 2 0+6 5=2 6 5 m， 亦 即出水压力须 超 过 0 2 6 5 MP a 。 参数设定 ： 设定出水压力值为 0 3 0 ( 泵最高扬 程 可达 4 2 m) 。 系统 运行 ：布置好 管路 后 ， 连 接外 部水 源 ， 接通 电源， 按下系统启动按钮与 A组启动按钮。系统开 始运行并进行第一次喷淋养护。 养护记录：系统第 1天养护数据读取后整理见 表 1 。 表 1 混凝土智能养护施工记录表 Ta b l e 1 I n t e l l i g e nt ma i n t e n a n c e a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e r e c o r d s h e e t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 赵一林 ： 水 泥混凝 土智 能养护 系统在桥梁工程 中的应用研究 2 8 7 6 结语 相 比于传统养 护施工 ， 水泥混凝 土智能养护系 统具有如下的优点 ： 智能养护系统全过程 的养护 由控制系统根 据设定程序 自动完成 ， 中间过程无需人为干预 ， 减少 了认为不确定 因素的影响 ， 同时节省 了人工， 提高了 养 护效 率 。 智能养护系统通过 对温度、 湿度、 水化 热的 实时分析、 综合考虑进行养护 ， 同时对养护管路进行 了适应性的设计 ， 使整个养护过程更为规范 、 科学 ， 对养护质量的提高是大有裨益的。 智能养护系统 自动记录养护施工数据 ， 数据 真实可靠 ， 杜绝了人工养护数据造假之虞 ， 因而可对 整个养护过程可进行真正的质量追溯。 参考文献 1 王志武 水泥混 凝土蒸 汽养护 自动控制 技术在 长沙湾 特大桥 箱梁加工中的应用 J 公路工程 ， 2 0 1 3 ，3 8 ( 2 ) ： 1 4 21 4 4 2 梁志标 Y M 一8 4型 养护剂 在水泥混 凝土路 面中 的应 用 J 中南公路工程 1 9 9 2， 1 7 ( 2 ) ： 1 9 2 2 3 董继红 ， 李 占印G B T 1 2 9 5 9 -2 0 0 8 ( 水泥水 化热测定方 法 中两种方法的联合应用 J 水泥， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 4 2 4 4 4 戚得众 砼养护室温湿度智能控 制系统研究 D 武汉 ： 湖北 工业大学 ， 2 0 0 9 5 Ch a l a b i Z S ， Z h o u W Op t i m a l c o n t r o l me t h o d s f o r a g r i c u l t u r a l s y s t e ms Ac t a Ho r t i c u h u r a c， 2 0 05， 4 5 6： 2 2 122 7 【 6 李静 桥 梁施工 中混凝土的养 护 J 技术 与市场 ， 2 0 1 l ( 3 )： 2 32 5 7 郭保林 ，孔祥 明 保湿 养护方 法对混凝 土微结 构影 响的研究 J 混凝土世界 ， 2 0 1 0 ( 3 )： 5 65 8 8 曾德强早 期养护 方式 对混凝 土力 学性 能 和耐久 性 的影 响 D重庆 ： 重庆大学 ， 2 0 1 1 【 9 李美利 混凝 土潮 湿养护效 率的 电阻率评 价方法 研究 D 重庆 ： 重庆大学 2 0 1 1 1 O 陈德鹏 ， 钱春香 ， 赵洪凯 ， 等内养护措施 改善混凝土收缩开 裂性能 J 特种结 构， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 5 86 0 ( 上接第 2 8 3页) 后张预应 力学术交流会论文 【 c 2 0 0 4 8 张树仁 桥梁设计 规范学 习与应 用讲评 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 5 9 0 2 1 8 9， 公路 桥涵设计通用规范 S 1 O 姚玲森 桥梁工程 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 1 9 9 9 1 1 房贞政 预应力结构理论与应用 M 北 京： 中国建筑工业 出 版社 ， 2 0 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m