裝配式水泥混凝土預制梁板智能養護技術應用研究

宋亞洲

（江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

引言

水泥混凝土作為重要的建筑材料，被廣泛應用于土木工程中，“養護”是混凝土施工必不可少的工序，也是提高混凝土強度的重要保障措施。目前常用的養護方法有：養生劑養護、覆蓋灑水養護、自然水噴淋養護、自動噴淋養護等[1]。其中養生劑養護是在混凝土表面形成隔離層，鎖住水分，起到養護的目的；覆蓋式灑水養護是在水泥混凝土表面鋪設覆蓋物，通過灑水保持覆蓋物濕潤，起到養護的作用；自然水噴淋養護通過預設水管網，利用噴淋裝置，保持水泥混凝土濕潤的養護方法；自動噴淋養護通過現場的工業觸摸屏或者遠程輸入控制參數，使PLC控制器控制管路中各個電磁閥和水泵的開啟，實現混凝土預制梁噴淋養護[2-3]。由于養生劑養護缺乏統一的國家標準，覆蓋灑水養護、自然水噴淋養護依靠人工，且用水量大不環保。自動噴淋養護，雖然能實現自動化的養護工作，但是成本造價高，且需要在混凝土構件預制場建設期就規劃好官網的布置，對于已建好的預制場，布置管網困難，造價高。因此在橋梁建設過程中，需要研發具有針對性的簡易智能自動噴淋養護系統，實現預制梁全天候養護，保證養生效果和質量。

1 智能養護系統原理

1.1 智能養護系統組成

智能養護系統由高壓水泵、鋼制軌道、養護機器人、傳感器、通信系統組成。

1.1.1 高壓水泵

高壓水泵主要為水網提供壓力，保持管網內養護用水的流通。如現場配有自來水系統，可不需高壓水泵。

1.1.2 鋼制軌道

鋼制軌道由兩條方形管組成，架設在預制梁頂面上，供養護機器人來回巡查行駛。

1.1.3 養護機器人

養護機器人由噴淋架、噴淋控制器、動力系統、水箱組成。

1）噴淋架：由管路和霧化噴頭兩部分組成，主要用來實現養護用水的均勻撒布。可通過噴淋時間、噴水量和水流壓力三個因素選擇霧化噴頭。

2）噴淋控制器：根據水泥混凝土梁體內的溫度、濕度，控制霧化噴頭開啟和關閉的時間，保證梁體表面始終處于濕潤的狀態。

3）動力系統：驅動養護機器人在鋼制軌道上行走。

4）水箱：水箱主要用于儲存和中轉施工現場獲取的自然水，水箱內安裝浮球，當水箱水位下降，動力系統將養護機器人行駛至梁端補水，梁端的水管上安裝有電磁閥及光電感應器，當機器人行駛至補水區，進水管路電磁閥打開進水，當水位上升到一定高度，機器人駛離補水區，電磁閥自動關閉，以保證水箱的水能夠持續供應噴淋系統。

1.1.4 傳感器

傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、含水量傳感器，通過檢測梁體的溫度、濕度、含水量確定水泥混凝土預制梁表面的最佳含水量區間，保證在養護期間的水泥混凝土預制梁始終處于最佳含水量區間。

1.1.5 無線通信系統

無線通信系統將傳感器采集的數據實時上傳云端存儲，同時可以接受遠程的控制信息。

1.2 智能養護自動控制原理

水泥混凝土強度增長，受養護溫度和濕度的影響，在實驗室內水泥混凝土試件標準養護條件為溫度20℃±2℃、相對濕度大于95%。在高溫條件下可以促進水泥混凝土的水化作用，需要更多的水分參與水化反應，加快強度增長，所以溫度對含水量的影響為正影響。相對濕度較高時也可以促進水泥混凝土的水化反應，但濕度和含水量對水泥混凝土養生的效果類似。綜合以上理論，提出溫濕耦合最佳含水量的表達式：

式中：w為溫濕耦合最佳含水量（質量分數），%；φ為相對濕度，%；t為溫度，℃。

溫濕耦合最佳含水量是為了對噴淋時間進行閉環控制，必須通過設定上下限來控制養護機器人的開啟。為了保證養護效果，實現節水目的，設定溫濕耦合最佳含水量的上下限為w±3%。當實時含水量達到加權下限w-3%時開啟養護機器人，當實時含水量達到加權上限w+3%時關閉養護機器人。

1.3 智能養護軟件開發

如圖1所示為智能養護APP及PC界面。通過手機APP可以遠程設定溫濕度閾值，實現養護機器人的自動開啟。也可以遠程手動開啟養生機器人。網頁客戶端可以實時查看養護梁體的溫濕度變化，記錄梁體的養護過程，可實現養護質量的追溯。

圖1 智能養生APP及PC界面

2 智慧養護效果評價

在水泥混凝土預制梁板生產過程中，分別采用智能養生與人工養護，從表觀質量、預制梁強度兩個方面評價智能養護技術應用效果。

2.1 表觀質量

通過對比兩種養護方法，發現人工養護箱梁表面可見部分裂紋，而智慧養護則少見有此類裂紋。隨機抽查不同養護方法的各4片箱梁，對表觀質量檢查結果列于表1。

由表1可知，智慧養護梁體未出現裂紋現象，且顏色較為均勻，表明與人工養護相比，智慧養護有較大的優勢，可保證預制梁的生產質量。

表1 不同養護模式表觀質量對比

2.2 預制梁強度

智慧養護與傳統養護兩種方式下，水泥混凝土預制梁的回彈強度結果如表2所示。

表2 不同養護模式回彈強度對比

從表2中可以看出智慧養護預制梁混凝土強度明顯優于傳統養護，且變異系數較低，強度增長更為均勻，表明好的養護環境有利于混凝土強度發展。

3 結論

智慧養護作為一種新型的施工質量控制手段，提高了混凝土預制梁養生工作的標準化、精準化、智能化水平。通過實際應用得出以下結論：

1）根據混凝土溫度濕度以及水熱化等參數自動控制噴淋用水量和噴淋頻率，養護全過程智能化、自動化控制，無需人工參與；

2）表觀質量檢查的結果表明智慧養護系統采用移動式霧化噴淋，避免了同一位置長時間噴淋，使混凝土表面產生水漬污染，提升梁體的美觀性；

3）可提高混凝土早期強度，養護效果優越，避免因水壓過高損壞混凝土表面鈣質，提高了混凝土表面強度。