装配式水泥混凝土预制梁板智能养护技术应用研究

宋亚洲

（江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

引言

水泥混凝土作为重要的建筑材料，被广泛应用于土木工程中，“养护”是混凝土施工必不可少的工序，也是提高混凝土强度的重要保障措施。目前常用的养护方法有：养生剂养护、覆盖洒水养护、自然水喷淋养护、自动喷淋养护等[1]。其中养生剂养护是在混凝土表面形成隔离层，锁住水分，起到养护的目的；覆盖式洒水养护是在水泥混凝土表面铺设覆盖物，通过洒水保持覆盖物湿润，起到养护的作用；自然水喷淋养护通过预设水管网，利用喷淋装置，保持水泥混凝土湿润的养护方法；自动喷淋养护通过现场的工业触摸屏或者远程输入控制参数，使PLC控制器控制管路中各个电磁阀和水泵的开启，实现混凝土预制梁喷淋养护[2-3]。由于养生剂养护缺乏统一的国家标准，覆盖洒水养护、自然水喷淋养护依靠人工，且用水量大不环保。自动喷淋养护，虽然能实现自动化的养护工作，但是成本造价高，且需要在混凝土构件预制场建设期就规划好官网的布置，对于已建好的预制场，布置管网困难，造价高。因此在桥梁建设过程中，需要研发具有针对性的简易智能自动喷淋养护系统，实现预制梁全天候养护，保证养生效果和质量。

1 智能养护系统原理

1.1 智能养护系统组成

智能养护系统由高压水泵、钢制轨道、养护机器人、传感器、通信系统组成。

1.1.1 高压水泵

高压水泵主要为水网提供压力，保持管网内养护用水的流通。如现场配有自来水系统，可不需高压水泵。

1.1.2 钢制轨道

钢制轨道由两条方形管组成，架设在预制梁顶面上，供养护机器人来回巡查行驶。

1.1.3 养护机器人

养护机器人由喷淋架、喷淋控制器、动力系统、水箱组成。

1）喷淋架：由管路和雾化喷头两部分组成，主要用来实现养护用水的均匀撒布。可通过喷淋时间、喷水量和水流压力三个因素选择雾化喷头。

2）喷淋控制器：根据水泥混凝土梁体内的温度、湿度，控制雾化喷头开启和关闭的时间，保证梁体表面始终处于湿润的状态。

3）动力系统：驱动养护机器人在钢制轨道上行走。

4）水箱：水箱主要用于储存和中转施工现场获取的自然水，水箱内安装浮球，当水箱水位下降，动力系统将养护机器人行驶至梁端补水，梁端的水管上安装有电磁阀及光电感应器，当机器人行驶至补水区，进水管路电磁阀打开进水，当水位上升到一定高度，机器人驶离补水区，电磁阀自动关闭，以保证水箱的水能够持续供应喷淋系统。

1.1.4 传感器

传感器包括温度传感器、湿度传感器、含水量传感器，通过检测梁体的温度、湿度、含水量确定水泥混凝土预制梁表面的最佳含水量区间，保证在养护期间的水泥混凝土预制梁始终处于最佳含水量区间。

1.1.5 无线通信系统

无线通信系统将传感器采集的数据实时上传云端存储，同时可以接受远程的控制信息。

1.2 智能养护自动控制原理

水泥混凝土强度增长，受养护温度和湿度的影响，在实验室内水泥混凝土试件标准养护条件为温度20℃±2℃、相对湿度大于95%。在高温条件下可以促进水泥混凝土的水化作用，需要更多的水分参与水化反应，加快强度增长，所以温度对含水量的影响为正影响。相对湿度较高时也可以促进水泥混凝土的水化反应，但湿度和含水量对水泥混凝土养生的效果类似。综合以上理论，提出温湿耦合最佳含水量的表达式：

式中：w为温湿耦合最佳含水量（质量分数），%；φ为相对湿度，%；t为温度，℃。

温湿耦合最佳含水量是为了对喷淋时间进行闭环控制，必须通过设定上下限来控制养护机器人的开启。为了保证养护效果，实现节水目的，设定温湿耦合最佳含水量的上下限为w±3%。当实时含水量达到加权下限w-3%时开启养护机器人，当实时含水量达到加权上限w+3%时关闭养护机器人。

1.3 智能养护软件开发

如图1所示为智能养护APP及PC界面。通过手机APP可以远程设定温湿度阈值，实现养护机器人的自动开启。也可以远程手动开启养生机器人。网页客户端可以实时查看养护梁体的温湿度变化，记录梁体的养护过程，可实现养护质量的追溯。

图1 智能养生APP及PC界面

2 智慧养护效果评价

在水泥混凝土预制梁板生产过程中，分别采用智能养生与人工养护，从表观质量、预制梁强度两个方面评价智能养护技术应用效果。

2.1 表观质量

通过对比两种养护方法，发现人工养护箱梁表面可见部分裂纹，而智慧养护则少见有此类裂纹。随机抽查不同养护方法的各4片箱梁，对表观质量检查结果列于表1。

由表1可知，智慧养护梁体未出现裂纹现象，且颜色较为均匀，表明与人工养护相比，智慧养护有较大的优势，可保证预制梁的生产质量。

表1 不同养护模式表观质量对比

2.2 预制梁强度

智慧养护与传统养护两种方式下，水泥混凝土预制梁的回弹强度结果如表2所示。

表2 不同养护模式回弹强度对比

从表2中可以看出智慧养护预制梁混凝土强度明显优于传统养护，且变异系数较低，强度增长更为均匀，表明好的养护环境有利于混凝土强度发展。

3 结论

智慧养护作为一种新型的施工质量控制手段，提高了混凝土预制梁养生工作的标准化、精准化、智能化水平。通过实际应用得出以下结论：

1）根据混凝土温度湿度以及水热化等参数自动控制喷淋用水量和喷淋频率，养护全过程智能化、自动化控制，无需人工参与；

2）表观质量检查的结果表明智慧养护系统采用移动式雾化喷淋，避免了同一位置长时间喷淋，使混凝土表面产生水渍污染，提升梁体的美观性；

3）可提高混凝土早期强度，养护效果优越，避免因水压过高损坏混凝土表面钙质，提高了混凝土表面强度。