關于施工現場混凝土硬化程度實時反饋系統的研究

陳志遠，譚愷炎，王振振，陳軍琪，黃治錄

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北宜昌443002)

1 背 景

在土建工程施工現場，混凝土結構和構件澆筑完畢后，混凝土硬化程度需要重點關注，因為它關乎何時能夠拆除模板和支撐，何時能夠進行下一道工序。如果對硬化程度把握不準，在混凝土未足夠硬化時，就貿然進行支護拆除，開始下一環節的施工，一定會對工程質量造成不利影響，嚴重者還會造成結構垮塌、斷裂等安全事故。在橋梁結構、大跨度殼體結構、預應力構件的混凝土施工中，這個問題顯得特別突出。江西豐城發電廠“11.24”冷卻塔施工平臺坍塌特大事故，就是由于施工人員缺乏對混凝土硬化程度的清晰認識，過早拆除支護所致。另一方面，如果等待混凝土硬化時間過長，則會影響施工進度。為了掌握混凝土硬化情況，傳統的做法是：在施工時成型多組不同齡期的混凝土抗壓強度試件，擱置在結構或構件旁邊，進行同條件養護，至規定的時間進行試驗，得到混凝土的抗壓強度。試件制作和強度試驗過多帶來很大工作量，實際工程中不會每一個齡期都有試件，有時僅憑經驗判斷強度的發展。因此，傳統做法對混凝土硬化程度的反饋及時性差，操作不便，不能滿足施工需求。

為彌補傳統方法的不足，實現對混凝土硬化程度的實時反饋，精準指導施工，本文提出了如下技術路徑，即，在混凝土施工時同步成型長方體試件，將試件置于施工現場進行與混凝土結構物同條件的養護，定時采集試件的自振頻率，通過已經建立的頻率和抗壓強度的關系方程，推斷混凝土強度，并通過無線網絡將推斷結果上傳至服務器，供相關人員查閱和施工決策。依照此路徑，分別開展了反饋系統研制、反饋方法確定、反饋曲線實測、影響因素探究和反饋效果驗證等相應的研究工作，取得了滿意的結果。

2 研制反饋系統

研制的混凝土硬化程度實時反饋系統由防護罩、試件、塑料試模、固定錐、隔振墊、傳感器、激振器、振動測試儀、無線熱點、服務器和客戶端組成。

防護罩一端為籠狀物，可透風、雨、陽光，一端為箱狀物，可以密封，鋼質，帶蓋，打開蓋子，籠狀物內可以放入4個試件，箱狀物內可以放入振動測試儀。

試件為長方體，其長、寬、高的尺寸分別為300、150、150 mm，是混凝土材料裝入塑料試模振實、抹平后硬化而成的；塑料試模為硬質工程塑料模鑄而成的整體試模。

固定錐為長約120 mm的鋼質桿狀物，中段直徑10 mm，一端為錐形，一端帶螺紋，可以將傳感器通過螺紋固定在試件上。

隔振墊為厚度超過20 mm的海綿類片狀材料，用以擱置試件，減少外部振動對試件振動測試數據的影響。

傳感器為振動加速度傳感器，尾端設有固定螺孔，頻響范圍10～10×103Hz，其通過信號線與振動測試儀上的采集通道相連，用以感知試件的振動特性。

激振器為一圓柱狀物，鋼質，總質量約800 g，下部設有圓形底座，直徑約80 mm，內部固定電磁鐵，通電時銜鐵向下撞擊底座，產生振動，斷電時銜鐵靠彈簧自動復位，撞擊力約1 kgf，其通過電線與振動測試儀上的激振通道相連，用來按指令產生振動。

振動測試儀內設單片機和振動采集模塊，外部設有采集和激振通道各4個，兩種通道分別與傳感器和激振器相連，可以實現在程序控制下的振動發生和振動采集，最大采樣頻率40 kHz，內部設有WIFI模塊，可以實現無線通訊。

無線熱點可以覆蓋振動測試儀、服務器所在范圍，實現數據信號的無線連通。

服務器中設有施工管理程序，可以接收振動測試儀測得的結果，并進行數據處理和決策。

客戶端可以是電腦或者移動通訊設備，用以對服務器進行訪問和操作。

3 確定反饋方法

施工現場混凝土硬化程度實時反饋，按以下步驟進行：

(1)在施工現場的合適位置架設無線熱點，或者利用現成的無線通信網絡，使振動測試儀、服務器和客戶端能進行無線通訊；將防護罩平穩放置在結構物旁邊的偏僻處，以減少施工干擾，并能保證該處的環境條件與結構混凝土的養護條件一致。

(2)將振動測試儀放置在防護罩一端的箱狀物內，將隔振墊平放在防護罩另一端的籠狀物內。

(3)在混凝土結構物進行澆筑施工時，每個臺班或者每100 m3混凝土抽取樣品1個，篩除粒徑大于40 mm的骨料，翻拌均勻后裝入塑料試模，振搗密實，抹平表面，且使之與塑料試模的上沿平齊；塑料試模中的混凝土凝固硬化，即為試件。

(4)將塑料試模連同其中的試件一起平穩轉移至隔振墊上；再將傳感器通過信號線與振動測試儀連接，并通過螺紋與固定錐穩固地連接在一起；接著，從試件表面中心將固定錐豎直插入，深至只有螺紋部分外露。

(5)待試件凝固一段時間后，如果激振器放在試件上不會下沉進入混凝土，即把激振器通過電線與振動測試儀連接，并在試件的上表面縱軸線上緊靠端部豎直、平穩放置，激振器不能接觸塑料試模。

(6)打開振動測試儀，打開客戶端，訪問服務器，設定時間間隔為10 min，使系統開始工作，每10 min進行1次激振和數據采集，得到試件的一個振動時域波形，通過振動分析得到試件的自振頻率Fi。

(7)服務器按公式(1)計算混凝土的推定強度Pi，MPa；并將試件編號、代表部位、齡期和推定強度以表格和強度發展過程線的方式顯示出來。即

Pi=A·eB·Fi

(1)

(8)當自振頻率Fi大于2 000 Hz后，將試件從塑料試模中脫出，將時間間隔改設為1 h，使系統繼續運行。運行期間蓋上防護罩的蓋子，鎖好，使試件免受干擾、防止丟失。

(9)隨著混凝土澆筑施工的繼續，新的試件不斷制作，并接入系統；必要時增加傳感器、激振器、振動測試儀等的數量。

(10)將取自同一澆筑倉位的同一種類混凝土的試件作為一批看待，系統將該批的每一個試件的最新推定強度值作為一個數列，每當該批有最新推斷強度值出現時，求出該數列中的最小值，將其作為該倉位混凝土強度的評定值P，假設規范規定的可以進行下一道工序的混凝土強度值為Ps，則當滿足P≥Ps時，系統發出可以進入下一道工序的通知。如果不再有監控需求，系統即結束運行。

在實際使用中，開始一種新的混凝土強度反饋之前要按上述步驟測試多個混凝土試件的自振頻率，同時實測混凝土的抗壓強度值，重新建立或校準公式(1)。在此，公式(1)稱之為反饋曲線方程。反饋曲線方程建立后，就可以用來進行強度反饋，在反饋過程中，也可以有意成型一些抗壓強度試件，驗證反饋曲線的有效性，必要時對反饋曲線方程予以修正。

4 實測反饋曲線方程

制作了混凝土硬化程度實時反饋系統，開發了配套的軟件，在試驗室和工程現場進行了多次試驗，單次最長運行時間達一個多月，驗證了系統的可靠性，得到了多條反饋曲線。從自振頻率與抗壓強度的回歸分析結果看，相關系數均大于0.95，二者之間的相關性明顯。由此可見，在一定的條件下，抗壓強度與自振頻率存在著穩定的對應關系，依此實現對混凝土硬化程度的反饋是可行的。

4.1 室內試驗

室內試驗用混凝土原材料為基準水泥，河砂，粗骨料為二級配碎石，包括粒徑5～20 mm的小石和粒徑20～40 mm的中石。使用了2個配合比，配合比參數分別為：水膠比0.60，砂率36%，用水量200 kg/m3；水膠比0.40，砂率32%，用水量200 kg/m3。實測拌和物坍落度分別為70 mm和50 mm。

成型頻率測試試件4條，2個配合比中每一個配合比分別成型了1條篩出中石的試件，1條原級配試件；成型強度測試試件18組，每個配合比9組，齡期范圍為1～28 d，所有立方體抗壓強度試件均未篩出中石。

測得4條抗壓強度與自振頻率的關系曲線，以指數函數的形式擬合出了關系方程，相關系數分別為0.991 2、0.988 1、0.993 4、0.993 5。可見，雖然水膠比不同、骨料粒徑不同，但抗壓強度與自振頻率之間都呈現出高度相關性。典型的抗壓強度與自振頻率的關系方程如下：Pi=0.122 4·e0.001 355 2*Fi，R=0.991 2。

4.2 現場試驗

在施工現場開展了6次試驗，所用混凝土有泵送混凝土和常態混凝土兩種。其中泵送混凝土設計強度等級C30，常態混凝土設計強度等級C18035。

泵送混凝土和常態混凝土試驗各進行了3次，每次成型頻率測試試件1條，抗壓強度試件多組，齡期范圍1～28 d。

3次泵送混凝土試驗采用的配合比基本相同，3次常態混凝土試驗采用的配合比完全相同，6次試驗所用原材料相同，從試驗結果看，無論是泵送混凝土還是常態混凝土，其抗壓強度和自振頻率之間都呈現出高度的相關性。分別以指數函數的形式擬合出了6個關系方程，其相關系數分別為0.996 8、0.997 8、0.995 4、0.999 4、0.994 2、0.993 7。典型的抗壓強度與自振頻率的關系方程為：Pi=0.213 0×e0.001 130 3*Fi，R=0.996 8。

5 探究影響因素

由于通過自振頻率反饋混凝土的硬化程度，那么，影響混凝土試件自振頻率的因素就會對反饋結果產生影響，從理論上分析，主要因素包括組成試件的混凝土中砂石材料的彈性模量、單位體積中的占比，硬化膠凝材料的彈性模量和單位體積中的占比，具體表現為混凝土的原材料品質和配合比，另外還包括溫度和濕度這兩種環境因素。

5.1 原材料及配合比的影響

為了解原材料和配合比對反饋結果的影響，研究中用一種最大粒徑為40 mm的中石混凝土拌和物，直接成型了一個自振頻率試件，再成型了一個篩除了中石，粗骨料只含有小石的自振頻率試件。

從試驗結果可知，在相同的抗壓強度下，含有中石的試件，其自振頻率在各個齡期都明顯高于只含有小石的試件，差值在150～200 Hz之間，將這些不同的自振頻率代入相關方程計算出抗壓強度進行對比，會有20%～30%的差異，可見，混凝土中的原材料情況和相互之間的比例對反饋結果的確會帶來較大的影響，原材料和配合比不同的混凝土，在進行強度反饋之前應事先建立各自的反饋方程。如果沒有專用的反饋方程，而是使用某個通用反饋方程的話，反饋結果會有較大誤差。

5.2 溫度和濕度的影響

為了解試件溫度對反饋結果的影響，研究中把一支電子溫度計裝入試件中心，定時采集溫度值，同時測試試件的自振頻率。該混凝土試件齡期超過6個月，強度發展基本處于停滯狀態，可以認為此次測試結果中頻率的變化不是由強度發展引起的。

試件中心溫度的變化通過室內空調產生，將被測試件和測試系統置于空調風口，起初的一段時間開啟空調的制冷功能，溫度穩定后，再開啟制熱功能，待溫度再次穩定后，將空調關閉，繼續測試一段時間后結束。

從試驗結果可以看出，溫度的變化能夠引起試件自振頻率的變化，隨著溫度的下降，自振頻率上升，隨著溫度的上升，自振頻率下降，這種規律比較明顯，也符合材料溫度升高則剛度下降的一般認知。按溫度陡升段計算，頻率隨溫度的變化率約為-1.5 Hz/℃。所以，在進行強度反饋時，為了提高反饋精度，必要時，需要同步測試試件溫度，對自振頻率測值進行適當的修正。如果要進行溫度修正，在建立反饋方程時就要同步測量試件的溫度，實際反饋應用中，則將此溫度作為修正的基準。

為了探究試件濕度對反饋結果的影響，研究中仍然使用前述溫度影響測試時的試件和裝置。為了使試件的濕度產生變化，特意將干燥的試件沉入水中，使水位稍高于試件的表面，一段時間后，再將試件從水中取出，使其自然干燥。在這個過程中，試件經歷了從干燥到完全濕潤，再到干燥的含水狀態改變，期間，測試試件的自振頻率和中心溫度的變化。

從此次試驗結果可知，試件的濕度會影響其自振頻率，濕度大，則自振頻率低，濕度小，則自振頻率高，從試件幾近飽和到自然干燥，本次試驗結果的自振頻率變化約為30 Hz，扣除溫度的影響，這個值會更小。而在實際反饋應用中，試件濕度通常不會變化這么大，所以，濕度對反饋結果的影響會更小，只需在必要時予以考慮。

6 驗證反饋效果

反饋效果共驗證了2次，第一次使用了一種常態混凝土，第二次使用了一種泵送混凝土。驗證的過程分兩個階段，先進行第一次試驗，建立反饋方程，再進行第二次試驗，使用第一次試驗建立的反饋方程反饋強度值，同步進行抗壓強度試驗，評價反饋強度與實測強度的差別。實測的混凝土硬化過程線如圖1所示。

圖1 混凝土硬化過程線

兩種混凝土實測抗壓強度與硬化反饋強度誤差統計結果見表1。

表1 混凝土強度反饋誤差統計

從表1的統計結果可以看出，實測的抗壓強度與利用反饋系統反饋得到的抗壓強度結果誤差的最大絕對值為12.1%，大部分結果誤差絕對值不大于10%，參考相關混凝土抗壓強度測試規程中對組內需刪除數字規定的15%的允許誤差判斷，該反饋強度結果可信。

7 結 語

本文提出了混凝土硬化程度實時反饋的方法，實現了實體澆筑后混凝土硬化程度的及時反饋，提高了施工技術水平，填補了業內空白；研制和開發了混凝土硬化程度實時反饋裝置及配套的計算機管理軟件，通過不斷改進和完善，實現了系統在現場施工環境中的長時間穩定運行；將該系統在工程現場進行了實際應用，其運行穩定性和反饋準確性通過了檢驗，并探究了影響反饋結果精度的主要因素。

及時掌握混凝土澆筑后的硬化程度，對于混凝土施工具有重要意義，通過測試試件的自振頻率反饋混凝土的硬化程度，測試過程對試件無損壞，所以一個試件可以用于反饋各個齡期的強度，直到試驗結束，這和傳統的成型多組抗壓強度試件后再進行抗壓強度試驗來了解硬化程度的方法相比，工作量大幅度減少。另外，由于利用了現代通信技術，實現了工程技術人員可以隨時隨地通過不同的客戶端(比如手機)實時關注混凝土的強度發展狀態，精準把握工程狀況，為科學施工奠定了基礎。但是這種新的硬化程度反饋方式還需要更多的實踐驗證和完善，從現有的研究結果來看，該方法已經具備了推廣價值，希望能夠更多地應用到工程實踐和科學研究中去。