高速公路集中預制梁場砼智能養護系統設計與應用

梁偉

(中交集團第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065)

現階段砼橋梁的主要病害很大一部分由裂縫引起。其中一部分裂縫是由設計原因導致承載力不足、施工過程中質量控制不力等引起的結構受力裂縫，另一部分由砼成型過程中養護不當、不及時所致。現有地噴式養護方式將每個臺座處的電磁閥門通過電纜線連接到自動控制器，自動控制器設置多個按鈕，每個按鈕設置時間繼電器，時間繼電器只能簡單地設置多少時間間隔啟動一次，并不能根據每片梁的溫度、濕度情況及水化熱齡期有針對性地啟動噴淋，其實質只是定時養護。采用地噴式養護，臺座兩側需每1 m左右預埋保護鐵盒與噴淋管，管路與保護鐵盒的使用量較大，噴頭數量多，保護鐵盒與噴頭的損壞概率較大，后期維護費用較高。而掛管式的養護方式，臺座上每片梁養護開始或結束后都需重新安裝或拆卸管路，工作量非常大，光是每天安裝與拆卸管路耗費的人工成本就非常多。另外，交叉施工中管路損壞概率也非常大，后期維護成本很高。傳統的養護方式依賴人工，養護的及時性、針對性不足，且隨著人力成本的逐年提高，使用人工進行養護的經濟性較差，采用自動化、智能化的養護方式已成必然趨勢。隨著梁板集中工廠化生產模式的推廣，梁場的精細化、標準化管理程度提高，采用砼智能化養護系統可節約人工、提高效率、保證質量。

1 工程概況

G25德清至G60桐鄉高速聯絡線湖州段第LTJ02標段，起訖樁號為LK12+997—LK24+667，路線長度11.674 km。該項目橋梁上部結構除京杭運河橋中的矮塔斜拉橋240 m及采用掛籃施工的341 m為現澆梁外，其余為預制25 m小箱梁、30 m小箱梁、18.5 m小箱梁、預制16 m矮T梁及預制鋼混疊合梁，全線共計預制各種梁板3 992片。

預制梁廠與項目部共同設在原五龍生態園附近，在項目部駐地前分別設置生產線，現場分為存梁區、制梁區和鋼筋加工場，總占地面積約120 000 m2。預制場分為南北兩區，其中南區設計預制臺座90個，北區設置預制臺座50個。

2 砼智能養護技術的基本原理

水泥砼智能養護系統由系統主機、無線溫濕度測試終端、養護終端(養護管路與噴頭)組成，其中系統主機包含硬件及嵌入式軟件系統。無線溫濕度傳感器設置在待養護砼表面的代表性位置，實時監測溫度與濕度并通過無線發射傳輸到養護系統主機的溫濕度接收終端(溫度監測精度為0.1 ℃，濕度監測精度為3.0%),溫濕度接收終端將采集的數據傳輸至PLC可編程邏輯控制器，PLC對實時采集數據進行運行計算，確定是否符合養護噴淋條件。如符合養護條件，則打開控制電磁閥門，同時啟動水泵加壓供水，通過輸送管道達到每個臺座的噴頭處，噴頭通過水壓伸出并擺動對砼面進行噴淋養護。完成一次噴淋養護后繼續進行砼表面溫濕度監測，進入下一個循環過程。在水、電通暢的條件下，全過程由系統主機智能控制完成砼的養護。

3 預制梁場智能養護系統設計

3.1 供水系統設計

根據水平輸送距離及養護用水要求，主水管采用PPR110管，采取水池儲水。自儲水池接出1根PPR110管，安裝一套恒壓供水泵(立式多級泵)，額定流量為90 m3/h，揚程60 m，恒定壓力為0.30～0.40 MPa。在每套主機位置設置閥門(PPR110轉PPR50，并設置PPR50的平閥)，并在指定區域設置閥門取水口用于壓漿及清洗。在臺座兩側設置縱向排水溝，將養護后多余水及時排至橫向主溝。

3.2 臺座內噴淋管路與噴頭設計

臺座輸水管采用PPR40管，該項目采用鋼梁臺座，為不破壞鋼梁結構，輸水管布置在臺座一側的縱向排水溝內，每3.4～5.1 m設置一對伸縮噴頭以避開預制箱梁的橫隔板位置(見圖1)。伸縮噴頭不使用時內縮，后端面齊平鋼梁臺座的側面。根據梁長每10～12 m在梁頂面設置一個擺臂式噴頭，通過接頭連接到臺座下出水口(見圖2)。

圖1 臺座伸縮噴頭安裝設計圖(單位：mm)

圖2 臺座伸縮噴頭安裝設計圖(連接擺臂噴頭處，單位：mm)

3.3 設備配置

預制梁場南區共設計9臺養護系統主機，北區共設計5臺養護系統主機。每臺為8個通道，對應10個臺座，每個臺座上設置1套無線溫濕度監測發射終端(見表1)。

表1 設備參數

3.4 智能控制流程

3.4.1 溫濕度強制控制

監測到環境溫度或砼表面溫度低于5 ℃時，系統進入靜默狀態，不執行養護噴淋操作，防止氣溫過低導致砼表面結冰。砼表面溫度高于42 ℃且持續達到15 min時，系統強制啟動，開啟保濕、降溫養護。環境濕度超過95%時，系統默認為陰雨天氣，系統不啟動，以節能、節水。

3.4.2 水化熱控制

砼水化熱釋放速率與澆筑后時間相關，可大致分為潛伏期、誘導期、加速期、減速器、衰退期5個階段(見圖3)。根據每個階段的放熱速率，結合現場環境溫濕度確定每次噴淋養護間隔時間，如加速期噴淋間隔時間較短，衰退期噴淋間隔時間較長。PLC設置內置電池，保證在設備斷電情況下時鐘的準確性。某片砼梁板按下對應砼養護啟動按鈕后，將自動記錄養護起始時間，若養護期間因斷電、斷水導致養護被迫中止，則采用人工養護，待系統重新啟動后將自動續接該梁板的養護齡期，做到無縫對接。

圖3 砼水化熱釋放速率分布

3.4.3 時鐘控制

在無線溫濕度發射終端未放置在梁板相應位置或發生故障的情況下，設定時鐘控制，若白天(齡期1 d，60 min；齡期2～3 d，90 min；齡期4～7 d，120 min)、夜間(齡期1 d，120 min；齡期2～3 d，180 min；齡期4～7 d，240 min)對應臺座未進行噴淋養護，則通過時間控制強制觸發開啟噴淋養護，保證此時砼得到有效養護。

3.4.4 自動排隊控制

為減少硬件投入，10個臺座共用1臺主機供水系統(對每個臺座單獨進行供水控制需設置多套供水系統，成本較大)， 每個臺座根據達到啟動養護條件的先后順序排隊進行養護。每個臺座的噴淋養護啟動條件為：1) 強制手動按鈕啟動或遠程啟動(實時響應，在正在噴淋的某片梁板噴淋結束后即刻啟動，一般為現場演示測試使用)；2) 溫度超過42 ℃持續超過15 min；3) 水化熱控制達到噴淋時間點；4) 時鐘控制達到噴淋時間點。以觸發啟動條件進入排隊系統，以先后達到的時間順序依次對各臺座進行養護，每個臺座的養護噴淋時間為90～120 s。

3.5 實時監控與遠程控制

設置GPRS數傳模塊，內置4G流量卡，GPRS數傳模塊與PLC可編輯邏輯控制器通過485接口連接，將實時數據傳輸到云服務器系統，手機APP終端通過訪問云服務器可實現現場養護數據的實時監控，通過手機APP操作可下達啟動、關閉指令，實現現場養護的遠程控制。也可在現場設置LED電子顯示屏，實時顯示每個養護臺座的溫度與濕度。

4 應用效果及優點

通過現場應用，對每個臺座首片梁場養護進行調試后，統計各臺座養護保濕覆蓋率(啟動一次噴淋后砼表面濕潤面積與需養護砼面積之比)，平均保濕覆蓋面積為95.7%，最低保濕覆蓋率為92.1%，基本做到了養護面無死角。現場養護效果見圖4、圖5。

圖4 腹板噴淋養護效果

圖5 整體噴淋養護效果

統計2018年10月生產的124片預制小箱梁的養護情況，結果如下：1) 所有梁板的砼強度均達到設計要求；2) 養護砼表面保濕覆蓋率平均達到95.4%；3) 12片砼表面出現淡綠色色差，經調查未發現井水水質問題；4) 所有梁板表面在養護期內未出現明顯裂紋。

根據砼智能養護系統在G25德清至G60桐鄉高速聯絡線湖州段工程預制梁場的全過程應用情況，砼智能養護系統具有以下優點：1) 養護過程智能化、規范化、標準化。整個養護過程由系統自動控制完成，兼顧了砼齡期(與水化熱釋放速率密切相關)、砼溫度和濕度、環境溫度和濕度，適時、有針對性地進行砼養護，養護效率高，實現了養護成本的極大節約；通過養護管路預埋、養護噴頭隱藏保證了現場整潔有序，契合標準化施工要求。2) 養護效果好。每次噴淋養護砼面的濕潤率達95%以上，基本做到了無死角養護，且根據砼表面水分流失程度適時進行循環保濕，保證了養護周期內養護濕度均在90%以上。完成養護后表面無色差、無裂紋，砼強度符合設計要求。3) 實現了預制梁場養護的現場監控(LED顯示)與遠程手機APP監控。