混凝土智能养护系统研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 期 (总 第 3 0 6 期) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 工艺与设备 T E C HNI C S AN D E QU I P ME N T d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 4 0 混凝土智 能养护 系统研 究 杨剑 ，彭鑫 ，陈康军 。 汪金胜 ( 中南大学 土木工程学院桥梁工程系， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 大量工程实践表明混凝土结构 中早期非受力裂缝是影响其耐久性的主要因素之一 ， 而混凝土养护施工质量对早期非受 力裂缝控制起到决定因素。 但现有的养护方式存在人工洒水不规范 、 混凝土温度和湿度掌握不准确、 养护用水量不足或过多和 养护效率低等问题。 因此 ， 如何改进混凝土的养护方法 已经成为提高混凝土的养护质量亟待解决的重要问题 。 混凝 土智能养护 系统采用先进的智能控制技术 ， 对混凝土温度和湿度进行监测以及水化热等参量分析 ， 自动控制养护过程 的用水量、 喷淋频率 以 引导水化热的平稳释放 ， 达到智能养护施工的目的， 对保证混凝土质量 、 提高养护效率具有重要意义。 关键词： 混凝土； 智能养护 ； 裂缝 ； 强度 中圈分类号 ： T U 5 2 8 0 6 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 1 5 5 0 4 R e s e a r c h o f t h e 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 o f c o n c r e t e Y ANG J i a n， P E NG ， C H EN Ka n g j u n， WANG J i n s h e n g ( Bri d g e En g i n e e ri n g ， Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g， C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5， C h i n a ) A b s t r a c t ： A l a r g e n u m b e r o f e n g i n e e ri n g p r o j e c t s h a v e s h o w n t h a t i n s u f fi c i e n t s tr e n g t h o f c o n c r e te， c r a c k s a r e o n e o f t h e k e y f a c t o r s a f - f e c tin g the i r l i f e c o n c r e te c o ns e r v a ti o n c o n s t r u c tio n q u a l i t y d i r e c t l y d e t e r mi n e s wh e the r t o g e n e r a te c r a c ks o f s tre ng th a n d t e mp e r a t u r e B u t a t p r e s e n t e x i s ti n g a r t i fi c i a l w a t e ri n g c o n s e r v a ti o n me th o d s a l e n o t s t a n d a r d i z e d ， t e m p e r a tur e a n d h u mi d i t y c o n t r o l i s i n a c c u r a t e i n e l u d i n g i n a c c u r a t e t e m p e r a tu r e a n d h u mid i ty c o n t r o 1 ， i n s u f fi c i e n t o r e x c e s s i v e w a t e r c o n s e r v a t i o n a n d p r e s e r v a t i o n o f l o w e f fi c i e n c y i n e f fi c i e n t p r e s e rva t i o n T h e p r o b l e m o n h o w to i mp r o v e me tho d s o f c o n c r e t e c u ri n g， h o w t o a n d e n s ure the q u a l i ty o f c o n c r e t e c u ri n g h a s b e c o me a n i mp o r t a n t i s s ue t o be s o l v e d I n t e l l i g e n t c o n c r e t e c u rin g s ys t e m U S e S a d v a n c e d i n t e l l i ge n t c o n tro l tec h n o l og y， t h r o u g h a n a l y s i s o f t h e t e mp e r a t u r e ， h u mi d i t y ， h e at o f h y d r a t i o n o f mu l t i p ara me t e r ， a u t o ma t i c a l l y c o n t r o l the am o u n t o f c u r i n g wa t e r ， t h e f r e q u e n c y o f s p r a y to gu i d e t h e s mo ot h r e l e a s e o f h y d r a ti o n h e a t to e n s u r e the c o n s e r v a tio n p r o c e s s s t a nd a r d i z e d， s c i e n tific， fin e， to i mp r o v e the s tre n g t h o f c o nc r e t e a n d to 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 ks a n d t o i mpr ov e the e f f i c i e n c y o f c o n s e rvi o n Key wor ds： c o n c r e m ； i n t e l l i g e n t ma i n t e n a n c e； c r a c k； s tre n g th 0 引言 水泥水化早期会产生大量 的水化热 ， 与外部环境温度 易形成较大的温度梯度， 若不采取内部冷却和外部保温措 施 ， 势必因为 内部温差过 大形成较大 的温差 应力 ， 而早 期 混凝土抗拉强度很低 ， 当拉应力超过其抗 拉强度 时 ， 就会 产生裂缝 。 早期裂缝 多出现 在表面 ， 后期则多 出现 在 内 部 ， 裂缝的产生势必导致结构耐久性降低 。 良好 的养护是保证混凝 土结 构在使用 期 内获得 良好 工作性能的必要条件 ， 对混凝土 的耐久性也有 重要影响 。 目前 国内传统 的养护方式多采用人工不定 时洒水 的方式 ， 这种养护方式 主要存在以下问题 ： ( 1 ) 不能准确的掌握 温湿度 。 J T G T F 5 0 _ 一 2 O l 1 公 路桥涵施工技术规范 关于混凝土的养护施工要求对混凝 土结构物表面环境温度 、 湿度 进行定 时的监 测 ， 以判别 其湿润程度与环境温度采取措施 进行洒水养护 ， 而现场对 温度 的测量不 规范 ， 且基本没有 监测湿度 的仪器设备 ， 根 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 2 本不可能根据监测 的实际数据进行有针对性 的养护洒水 。 ( 2 ) 洒水养护不规范 。 混凝 土的早期养护要求保证足 够的湿度 ， 其表面若 出现干湿交替的情况极有可 能出现 网 格收缩裂纹 ， 而现在普遍依靠 的人工洒 水保湿 的方式与 工人的责任性有很大关系 ， 往往难以做到避免干湿交替 的 情况出现 ， 尤其在晚间养护 ， 速度较大的地区 ， 水分流失速 度快 ， 洒水不及时出现干湿交替的现象很普遍 。 。 ( 3 ) 洒水时机 与洒水量的控 制不当。 洒水多少取决 于 梁体体积与表面积 ( 此参数直接关系到水化热多少) ， 洒水 过少 ( 湿润程度不够或不能渗入 内部 ) 则养护效果不佳 ， 洒 水过多则水资源浪 费， 同时 ， 过 多的洒水往往在 实际上造 成混凝土早期表面强度偏低从而产生掉色 、 水痕等质量 缺 陷 。 而洒水 时机是根 据水 泥 混凝土放 热 的规 律来进 行 的 ， 以适应水化热 的平稳释放为度 。 ( 4 ) 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 。 1 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 因此 ， 为了改进混凝 土的养护方法 ， 保证 混凝土养护 质量 ， 减少早期裂缝 的产生 ， 提出了混凝土智能养护系统。 1 智能养护 系统的结构组成 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 全杜绝人工养护带来 的不利影响 ， 相比于传 统养护方 式 ， 是一种工艺技术上 的 飞跃。 智 能养护 系统 由智 能养护仪 主机 、 无线测 温测湿终 端 、 养护终端三部分组成。 其 中智能养护仪主机包含 P L C ( P r o g r a m ma b l e L o g i c C o n t r o l l e r ) 、 P I D调 速变 频器 、 压力 泵 、 通道电磁阀 、 压力 监测仪 、 触摸屏等 ； 养护终端包 括覆 盖棚架 、 养护管路及喷头。 系统根据养护终端 内设 置的无 线测温测湿终端监测到的温湿度条件 自动判断是 否启 动 喷淋系统以调节混凝土周边温湿度 ， 同时内置程序根据不 同地区的温湿度环境条件 、 不同强度等级混凝 土的放热量 规律设置， 以时间控制 喷淋频率 以引导 水化热 的平稳 释 放 ， 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 一时问 曲线 、 湿度 一时间曲线 ) 。 智能 养护系统 的控制原理图和工作原理简 图分别见图 1 、 2 。 进 水 口 水 化热分 析 震 l自 吸 式 水 泵 兰 尘 =呈 I 垦 堡 l 图 1 智能养护系统控制原理图 1 号 出水 口 2 号 出水 口 系 统 主机 再 图2 智能养护系统工作原理简图 2 智能养护系统的技术创新特点 ( 1 ) 使用 P L C， 并运用先进的控制技术 ， 使得水泥混凝 土的养护全自动完成， 且相比于传统的人工养护在养护效 果和养护精度方面都大大提高 ， 实现 了混凝土养护 的数字 化和智 能化的控制 。 ( 2 ) 采用无线采集 、传输 、控制高精度传感技术 ， 每 3 0 S 采集一次混凝土表面的温湿度数据 ， 按照养护规范要 求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 ， 通过 主机控制喷淋管路控温 ， 保湿。 ( 3 ) 基于水 头压力损失进行管路适应性设计 ， 根据流 体力学水头沿程损失的分析研究 ， 计算每个喷头处 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 1 56 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 的喷洒半径是不一致 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 的问距 ， 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) ， 同时喷头可 以实现 1 8 0 。 旋转 ， 保证每片的梁的各个部位都可以达到养 护效果。 ( 4 ) 系统根据 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 ， 进行有针对性 的养护 ， 以切实保证在各种情 况下水化 热平稳的释放 。 图 3 是某 品牌水 泥 7 d水化热释放测定曲线 ， 从 图 3 中可 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 中要较高 的洒水频率 以保持混凝 土表 面湿度需保持 在 9 0 R H以上 。 第 2 个和第 3个 2 4 h的放热速率 明显变 慢 ， 应适时的降低喷淋频率 ， 否则 因过度养护使得 早期强 度不足和水痕， 第 4天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 。 晏 血8 蕞 时 间 h 图3 7 d 水化热的释放过程曲线 3 智能养护 系统试验研究 3 1 工 程 概 况 智能养护系统技术于 2 0 1 3年 8 月在湖南某高速公路 预制梁场进行 了现场试验使 用 ， 该预制梁场 梁板为 2 0 m 预应力混凝土 空心板 ， 现 场选择 了 2片空心板 梁进行 了 智能养护 ， 编为 1 、 2号梁 ， 2片空 心板进行传 统养护 编为 3 、 4号梁 ， 养护周期为 7 d ， 即脱模 以后至张拉之前。 本次使用的设备包括： 智能养护仪一台( 6通道、 可同 时养护 6片梁板 ) ， 自带环境温湿度监测仪； 无线测温测湿 终端 ： 6 套 ( 用于现场实时监测养护梁板 的表面温湿度 ) 。 3 2试 验 方 法 在梁板拆模后马上进行覆盖养护 ， 每小时测试记录一 次梁体表面温度 、 梁体周边湿度 、 环境温度 、 环境 湿度 ， 形 成数据报表与变化曲线 图， 并对 同条件 7 d养护试块强度 进 了行 比较 ， 试验温湿度测定方法见图 4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 ： E 1 3曾德强 早期养护方式对混凝土力学，畦能和耐久性的影响 D 重庆： 重庆大学 ， 2 0 1 1 I- 2 3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 8 6 0 1- 3 3郭保 林， 孔祥 明 保湿 养护方 法对混 凝土微 结构 影响 的研 究E J 混凝土世界 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 5 6 5 8 E 4 J T G T F 5 0 -2 0 1 I ， 公路桥涵施工技术规范 s 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 1 1 5 李静 桥梁施工中混凝土的养护 J 技术与市场， 2 0 1 1 ( 3 )： 2 32 5 1- 6 3粱志标 Y M一 8 4型养护剂在水泥混凝土路面中的应用 J - I 中 南公路工程， 1 9 9 2 ， 1 7 ( 2 ) ： 1 9 2 2 上接第 1 5 0页 2 轻骨料混凝土技术性能专题协作小组 我国轻骨料及轻骨料混 凝土现状 J 硅酸盐建筑制品 ， 1 9 7 8 ( 4 ) ： 3 8 4 2 3 李寿德， 陈烈芳 ， 宋淑敏 我国人造轻骨料及轻骨料混凝土的现 状与发展情况I- J 砖瓦， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 4 8 5 1 4 杨秋玲 ， 马可栓 轻骨料混凝土的现状与发展 J 铁道建筑 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 1 0 4 1 0 6 5 李强 浅析轻骨料混凝土的发展 J 内蒙古科技与经济， 2 0 0 9 ， 1 8 5 ( 7) ： 2 1 3 2 1 4 上接第 1 5 4页 胶之间， 以至于形成一个整体 。 4结 论 ( 1 ) 采用天然河砂 ( 0 1 5 - 0 6 0 r a i n ) 作集料 ， 石粉 ( 小 于 0 0 4 3 a i m) 作微集料制备 的 R P C是可行的。 在水泥 ： 硅 灰 ： 河砂 ： 石粉 比例为 1 ： 0 2 5 ： 1 2 ： 0 3 7 ， 水胶 比为 0 2 2 ， 减 水剂掺量为 0 9 5 ， 钢纤维体积掺量为2 条件下， 蒸汽养 护 4 8 h ， R P C抗压强度可达 到 1 6 5 1 MP a ， 抗折强度达到 2 8 6 M Pa 。 ( 2 ) 在 R P C体系 中， 水化产物相互交织 在一起 ， 孔径 小 ， 结构致密 ； 主要水化产物为 C - S H、 C a ( O H) 、 钙矾石 ， 另外还有 少 量 的没有 水化 的 c s和 c ： S ； C a ( O H) ： 和 钙矾石在低水灰 比条件下 ， 生长空间受 限， 晶体尺寸较小 ， 分布在 C - S H凝 胶之 间 ， 且 c a ( O H) ： 数 量少 ， C S H数 量多。 参考文献： 1 R I C H A R D P ， C H E Y R E Z Y M C o m p o s i ti o n o f r e a c ti v e p o w d e r c o n c r e t e - J 3 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 0 1 1 51 1 2 L A R R A R D F D E， B E L L O C A T h e i n f l u e n c e o f a g g r e g a t e o n t h e c o m p r e s s i v e s e n g t h o f n o r ma l a n d h i g h s e n g t h c o n c r e t e J 1 5 8 r 7 - 1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r J 水泥， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 4 2 4 4 8 3 C H A L A B I Z S ， Z H O U W O p ti ma l c o n o l me t h o d s f o r a g ri c u l t u r a l s ys t e ms Ac t a Ho r t i c u l t u r a e， 2 0 0 5， 4 5 6： 2 2 12 2 7 9 3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 2 1 4 _4 1 0 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 1 戚得众 混凝土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 作者简 介 ： 联 系地 址 ： 联 系电话 杨剑( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 副教授。 湖南省长沙市天心区铁道学院 中南大学土木工程学 院( 4 1 0 0 7 5 ) 1 3 5 48 9 8 01 04 I- 6 霍俊芳 轻骨料混凝土的研究现状与发展r J 建筑技术 ， 2 0 0 9 4 0 ( 4 ) ： 3 6 3 3 6 5 7 3蔡路， 陈太林 ， 陈磊 ， 等 轻骨料混凝土技术的研究与进展 J 广东建材 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 4 1 4 3 作者简介： 卢水良( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 工程师。 联 系地址： 广州市天河区黄埔大道东 7 0 6 号( 5 1 0 6 2 0 ) 联 系电话： 1 3 7 1 0 9 4 9 8 2 8 A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 7 ， 9 4 ( 5 ) ： 4 1 7 4 2 6 1- 3 3 G I A C C O G， R O C C O C， D V I O L I N I ， e t a 1 H i g h s e n g th c o n c r e t e s i n c o r p o r a ti n g d i f f e r e n t c o ars e a g g r e g a t e s J A C I Ma t e r i al s J o u r n a l ， 1 9 9 2 ， 8 9 ( 3 ) ： 2 4 2 2 4 6 4 B A N U Z ， N A GA R A I T S S y n e r g e fi c r o l e s o f c o n c r e m i n g r e d i e n t s i n s g e n g t h d e v e l o p m e n t J 3 C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 6， 1 0 ( 4 )： 2 5 12 5 3 5 王震宇、 王俊亭， 袁杰 活性粉末混凝土配合比试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 8 0 8 5 6 3闰光杰， 阎贵平， 安明酯 ， 等 2 0 0 MP a 级活性粉末混凝土试验 研究 J 铁道学报 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 1 6 1 1 9 7 - 1 施韬， 陈宝春 ， 施惠生 掺矿渣活性粉末混凝土配制技术的研 究 J 材料科学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 3 ( 6 ) ： 8 6 7 8 7 0 8 刘斯凤， 孙伟， 林玮 掺天然超细混合材高性能混凝土的制备 及耐久性研究 J 硅酸盐学报， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 1 1 ) ： 1 0 8 01 0 8 5 9 3曹峰， 覃维祖 超高性能纤维增强混凝土初步研究 J 工业建 筑， 1 9 9 6 ( 6 ) ： 4 2 4 4 作者简介： 江京平( 1 9 7 4一) ， 男 ， 高级工程师。 联系地址 ： 江西省九江市浔阳区白水湖路 2 0号( 3 3 2 0 0 1 ) 联系电话 ： 1 8 9 7 9 2 0 8 6 9 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m