CN109653205A - 一种大体积混凝土养护方法及其自动化养护设备 - Google Patents

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Abstract

一种大体积混凝土养护方法及其自动化养护设备，养护方法包括以下步骤：(1)根据混凝土温度场的变化将其划分为多个区块，每个区设置冷却管和温度传感器Ⅰ；(2)在混凝土每个外表面设置喷淋管和温度传感器Ⅱ；(3)温度接收器根据温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ的数据计算得到混凝土内部每个区域的最低温度、最高温度、平均温度、混凝土的最低温度、最高温度；(4)根据混凝土最高温度与表面温度差值的分析结果对混凝土表面进行喷淋养护；(5)根据每个养护区最低温度与混凝土最高温度差值的分析结果对混凝土内部每个养护区进行单独养护。本发明根据混凝土温度场变化特征划分不同区域单独养护控制，实现混凝土内、外部温度变化的精准控制。

Description

一种大体积混凝土养护方法及其自动化养护设备
技术领域
本发明涉及混凝土养护技术领域，具体为一种大体积混凝土养护方法及其自动化养护设备。
背景技术
目前，大体积混凝土水化热的控制主要有三条重要途径，一是降低混凝土的入模温度，如冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等手段，二是通水冷却，即在混凝土内部埋置水管，通水降温，三是表面保温，即在混凝土表面覆盖保温材料，减小内外温差。但这三种控制措施在实施过程中都存在着一些弊端。由于现场施工条件的限制，冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料一般很难实现。通水冷却一般是靠人工控制，水温、流速的调节依靠经验，调节周期长且较为随意。表面保温会增加一定的施工费用，只有在极端天气情况下才会被采用。所以大体积混凝土水化热的控制很难达到预计效果。
现有的混凝土养护智能控制系统，如中国专利CN102814858A公开了一种水泥混凝土养护智能系统，包括温度检测装置、湿度检测装置、调节机构、人机交互装置和控制装置，实现混凝土养护自动化，中国专利CN105045307A公开了一种大体积混凝土全过程智能温度控制系统，包括骨料智能预冷控温单元、混凝土智能拌合控温单元、混凝土浇筑仓内智能小环境单元、混凝土智能通水冷却单元、混凝土暴露面智能养护单元、混凝土暴露面智能保温单元、智能接缝灌浆单元等，实现混凝土全过程各个单元智能控制，但都是从混凝土内部或表面做整体控制，操作难度大，没有根据需求精确控制，也浪费一定的资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大体积混凝土养护方法及其自动化养护设备，解决上述背景中提出的问题。
一种大体积混凝土养护方法，包括以下步骤：
(1)设置冷却管和温度传感器Ⅰ：根据混凝土温度场的变化将其划分为多个区块，每个区块单独设置冷却管和温度传感器Ⅰ；
(2)设置喷淋系统和温度传感器Ⅱ：在混凝土每个外表面设置喷淋管和温度传感器Ⅱ；
(3)计算温度：温度接收器根据温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ的数据计算得到混凝土内部每个区域的最低温度Tminij、最高温度为Tmaxij、平均温度Tij，混凝土的最低温度Tmin、最高温度Tmax，混凝土表面温度Tbk以及环境温度Tsk；
(4)混凝土表面养护：根据混凝土最高温度Tmax与表面温度Tbk的差值分析结果对混凝土表面进行喷淋养护；
(5)混凝土内部养护：根据混凝土每个区的平均温度Tij的变化确定养护目标，根据每个养护区最低温度Tminij与混凝土最高温度Tmax的差值分析结果对混凝土内部每个养护区进行单独养护。
进一步地，步骤(1)中，冷却管按照1m高度分层并呈梅花式布置。
进一步地，步骤(1)中，混凝土内部养护区域划分分为两侧边缘区和中心区，所述边缘区的宽度为2.5m。
进一步地，每个混凝土区的中心位置预埋5个温度传感器Ⅰ，首尾两个温度传感器Ⅰ预埋在距离混凝土端面0.8m处，其余3个温度传感器Ⅰ按照距离等分布置。
进一步地，混凝土表面养护过程为：当混凝土最高Tmax-Tbk≥23℃时，该混凝土面开始喷水，喷水水温为Tbk+5℃；若Tmax-Tbk＜23℃且Tbk-Tsk≥18℃，该混凝土面开始喷水，提高混凝土该表面的环境温度，喷水水温为Tbk-10℃，直到Tbk-Tsk＜15℃停止喷水。
更进一步地，混凝土表面养护采用喷5min停5min的喷淋方式。
进一步地，混凝土内部养护过程为：若该养护区处于升温阶段，则养护目标是降低最高温度，只需要根据Tminij与Tmax的差值范围来确定水温、流速；若该养护区处于降温阶段，则养护目标是控制降温速率小于2℃/d，需要根据Tminij与Tmax的差值范围和降温速率共同来确定水温、流速。
一种混凝土自动化养护设备，包括主机，多个恒温水柜，所述主机正上方设置有触摸屏，所述主机内设置有PLC、配电系统、温度接收器，所述触摸屏、PLC、配电系统、温度接收器之间通过电连接；
每个养护区内部设有冷却管和温度传感器Ⅰ，混凝土外部的每个面设有养护喷淋管和温度传感器Ⅱ；所述温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ与温度接收器电连接；
每个养护区对应一个恒温水柜，所述恒温水柜通过供水管与冷却管或养护喷淋管连接，所述供水管上设有水泵、流量计和变频器，所述恒温水柜、流量计和变频器都与PLC电连接。
进一步地，所述恒温水柜上设有一根热水进水管和一根冷水进水管，并设有温控器，所述温控器与PLC连接。
进一步地，所述触摸屏上设有每个养护区对应的按键。
有益效果：
1、本发明根据混凝土温度场变化特征划分不同区域单独养护控制，每个区域的养护过程由PLC单独完成，提高养护的针对性与科学性，实现混凝土内、外部温度变化的精准控制；根据此养护方法开发的自动化养护设备可实现养护施工全过程自动化，可减少人为不利因素影响、降低养护成本
2、本发明通过精确的算法对混凝土的内部和表面进行养护，考虑养护水温、流速以及外部环境温度等多因素的影响，更为贴近工程实践。
3、本发明通过分区控制后，实现数据采集与处理，养护水温与流速多样化，做到了采集、处理、执行、反馈的全自动化。
附图说明
图1为本发明中混凝土自动化养护设备结构示意图。
图2为混凝土内部冷却管布置截面图。
图3为混凝土内部养护区剖面图。
图中，包含1-主机，2-PLC，3-配电系统，4-温度接收器，5-流量计，6-恒温水柜，7-恒温水柜温控器，8-温度传感器Ⅰ，9-温度传感器Ⅱ，10-冷却管，11-养护喷淋管，12-热水进水管，13-冷水进水管，14-变频器，15-触摸屏，16-供水管，17-水泵。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1
如图1所示，一种大体积混凝土自动化养护设备，包含主机1、PLC2、配电系统3、温湿度接收器4、流量计5、多个恒温水柜6、恒温水柜温控器7、温度传感器Ⅰ8、温度传感器Ⅱ9、冷却管10、养护喷淋管11、热水进水管12、冷水进水管13、变频器14、触摸屏15、进水管16、水泵17。
所述主机1正上方设置有触摸屏15、主机内设置有可编程逻辑控制器PLC 2、配电系统3、温度接收器4，所述触摸屏15、PLC2、配电系统3、温度接收器4之间通过电连接。
每个养护区内部设有冷却管10和温度传感器Ⅰ8，混凝土外部的每个面设有养护喷淋管11和温度传感器Ⅱ9；所述温度传感器Ⅰ8和温度传感器Ⅱ9与温度接收器4电连接。
每个养护区对应一个恒温水柜6，所述恒温水柜6通过供水管16与冷却管10或养护喷淋管11连接，所述供水管16上设有水泵17、流量计5和变频器14，所述恒温水柜6、流量计5和变频器14都与PLC2电连接。
每个恒温水柜6内设置有恒温水柜温控器7，安装有两根进水管，一根为热水进水管12、另外一根冷水进水管13。
具体的，设混凝土内部某个养护区编号为AIJ，混凝土表面某个面养护区为AK。将养护区AIJ的冷却管10与对应的恒温水柜6ij进行连接，并在供水管16ij上沿水流方向安装水泵17ij、流量计5ij和变频器14ij，所述恒温水柜6ij、流量计5ij和变频器14ij与PLC2电相连。
将养护区AK的养护喷淋管11与对应的恒温水柜6k进行连接，并在供水管16k上沿水流方向安装水泵17k、流量计5k和变频器14k，所述恒温水柜6k、流量计5k和变频器14k与PLC2电相连。
所述恒温水柜6ij和6k内分别设置有恒温水柜温控器7ij和7k，分别安装有热水进水管12ij、12k和冷水进水管13ij、13k。
养护步骤：
第1步：混凝土的分区。
如图2所示，冷却管10按1m高度分层，截面呈梅花式布置，在每一层呈现剖面上，内部冷却管10分为边缘区与中心区，边缘区为2.5m的宽度，除了边缘区外其余均为中心区，中心区冷却管10每条总长不超高400m，如超高400m则另加冷却管，每个区域为单独控制进出水的流速与水温。
第2步：预埋混凝土内部温度传感器Ⅰ8与冷却管10。
混凝土内部每个分区在其中心位置预埋5个温度传感器Ⅰ8，其中首尾两个预埋在距离混凝土端面0.8m处，其余3个温度传感器Ⅰ8按照距离4等分布置，同时按照要求布置好冷却管10，温度传感器Ⅰ8不得与冷却管10接触且不得与混凝土内钢筋直接接触。
第3步：安装混凝土表面温度传感器Ⅱ9与喷淋管11。
在混凝土浇筑完成以后在其表面安装喷淋管11与温度传感器Ⅱ9。
第4步：温度传感器连接与温度数据处理。
将温度传感器Ⅰ8与温度传感器Ⅱ9分别接入温度接收器4中，温度接收器4接收到温度信号将信号转换后输送给PLC2进行数据处理，分别得到养护区域Aij的最低温度为Tminij、最高温度为Tmaxij、平均温度Tij，以及求出所有区域的最低温度Tmin、最高温度Tmax，同时根据混凝土表面传感器10得到混凝土表面养护区AK的浇筑体表面温度为Tbk，环境温度为Tsk，浇筑体最高温度为Tmax。
每根水管冷却区域的混凝土最低温度Tminij、最高温度Tmaxij、平均温度Tij，所有区域的最低温度Tmin、最高温度Tmax。如图3所示，某根水管的冷却区域编号为Aij(i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n)，在每个虚线框内，假定温度是均匀的，由虚线框中心的温度传感器Ⅰ来测量。设每个传感器的编号为Ck(k＝1,2,…,5)，对应的温度监测值为Tck，所在虚线框的面积为Sk，l、Lj分别为冷却区域的长度和宽度，则平均温度为Tij为5个温度传感器Ⅰ的加权平均值。
第5步：养护管线连接。
将养护区Aij的冷却管10与对应的恒温水柜6ij进行连接，并在供水管16ij上沿水流方向安装水泵17ij、流量计5ij和变频器14ij，所述流量计5ij和变频器14ij与PLC2电相连。
将养护区AK的养护喷淋管11与对应的恒温水柜6k进行连接，并在供水管16k上沿水流方向安装水泵17k、流量计5k和变频器14k，所述流量计5k和变频器14k与PLC2电相连。
第6步：恒温水柜的温度控制。
恒温水柜6ij的温度控制器7ij与主机1的PLC2电相连；恒温水柜6k的温度控制器7k与主机1的PLC2电相连；恒温水柜6ij、6k的热水进水管12ij、12k和冷水进水管13ij、13k分别连接外部水源。
第7步：开始混凝土表面养护。
当混凝土最高Tmax-Tbk≥23℃时，该混凝土面开始喷水，喷水水温为Tbk+5℃，并且采取喷5min停5min的喷淋方式；若Tmax-Tbk＜23℃且Tbk-Tsk≥18℃，该混凝土面开始喷水，提高混凝土该表面的环境温度，喷水水温为Tbk-10℃，直到Tbk-Tsk＜15℃停止喷水。
开启对应混凝土外表面养护区AK的养护，由PLC2计算结果给出需要养护的水的水温，并将此值与对应的恒温水柜6k的温度控制器7k的数值进行比较，水温过低则打开恒温水柜6k的热水进水管12k加入热水直至温度达到指定要求停止；温度过高等打开恒温水柜6k的冷水进水管13k直至温度达到指定要求。
PLC2指令变频器14k启动并带动水泵17k启动，将养护用水自供水管16k输送到喷淋养护管11，喷淋管养护AK面养护区，同时通过流量计5k反馈由PLC2比较流量换算流速是否接近于0.5m/s,如偏差超高±5％时指令变频器14k变化频率以实现流速接近0.5m/s。
第8步：开始混凝土内部养护。
内部养护分为前期升温阶段、后期降温阶段，分别制定相应的温度、流速的确定方法。系统采取每隔1.5h调节一次水温和流速，从平均意义上控制每个水管冷却区域的温度。ti是Aij浇筑完成后第一次通水为起点的时间，当ti≤5h或Tij(ti)-Tij(ti-1.5)＞0，判定区域Aij处于升温阶段，升温阶段的控制目标是降低最高温度，只需要根据Tminij与Tmax的差值范围来确定水温、流速。当Tij(ti)-Tij(ti-1.5)≤0判定区域Aij处于降温阶段，降温阶段的控制目标是控制降温速率小于2℃/d，需要根据Tminij与Tmax的差值范围和降温速率共同来确定水温、流速。当Tij≤T1且Tminij≥Tmax-25+A时停止通水，当层距1.0m的条件下，A取值为2.5。
开启对应混凝土内部第Aij区域的养护，由PLC2计算结果给出需要养护的水的水温，并将此值与对应的恒温水柜6ij的温度控制器8ij的数进行比较，水温过低则打开恒温水柜6ij的热水进水管12ij加入热水直至温度达到指定要求停止；温度过高等打开恒温水柜6ij的冷水进水管13ij直至温度达到指定要求。
PLC2指令变频器14ij启动并带动水泵17ij启动将养护水由供水管16ij输送到冷却管10养护Aij区域，同时通过流量计5ij反馈到PLC2中比较流量换算流速是否接近于0.5m/s,如偏差超过±5％时指令ij号变频器14变化频率以实现流速接近0.5m/s。
第9步：养护结束。
按照第7、第8步的养护控制程序达到各自达到养护条件后，该养护区域的养护结束。
另外本发明的重点在于分区养护，每个区域单独控制，除了本实施例描述的分区方式和温度传感器的设置方式外，其他混凝土分区方式和温度传感器的设置方式，能实现混凝土分区养护的技术内容也在本发明的保护范围内。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种大体积混凝土养护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置冷却管和温度传感器Ⅰ：根据混凝土温度场的变化将其划分为多个区块，每个区块单独设置冷却管和温度传感器Ⅰ；
(2)设置喷淋系统和温度传感器Ⅱ：在混凝土每个外表面设置喷淋管和温度传感器Ⅱ；
(3)计算温度：温度接收器根据温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ的数据计算得到混凝土内部每个区域的最低温度为Tminij、最高温度为Tmaxij、平均温度为Tij，混凝土的最低温度Tmin、最高温度Tmax，混凝土表面温度Tbk以及环境温度Tsk；
(4)混凝土表面养护：根据混凝土最高温度Tmax与表面温度Tbk的差值分析结果对混凝土表面进行喷淋养护；
(5)混凝土内部养护：根据混凝土每个区的平均温度Tij的变化确定养护目标，根据每个养护区最低温度Tminij与混凝土最高温度Tmax的差值分析结果对混凝土内部每个养护区进行单独养护。
2.根据权利要求1所述的大体积混凝土养护方法，其特征在于，步骤(1)中，冷却管按照1m高度分层并呈梅花式布置。
3.根据权利要求1所述的大体积混凝土养护方法，其特征在于，步骤(1)中，混凝土内部养护区域划分分为两侧边缘区和中心区，所述边缘区的宽度为2.0-2.5m。
4.根据权利要去3所述的大体积混凝土养护方法，其特征在于，每个混凝土区的中心位置预埋5个温度传感器Ⅰ，首尾两个温度传感器Ⅰ预埋在距离混凝土端面0.8m处，其余3个温度传感器Ⅰ按照距离等分布置。
5.根据权利要求1所述的大体积混凝土自动化养护方法，其特征在于，混凝土表面养护过程为：当混凝土最高Tmax-Tbk≥23℃时，该混凝土面开始喷水，喷水水温为Tbk+5℃；若Tmax-Tbk＜23℃且Tbk-Tsk≥18℃，该混凝土面开始喷水，提高混凝土该表面的环境温度，喷水水温为Tbk-10℃，直到Tbk-Tsk＜15℃停止喷水。
6.根据权利要求6所述的大体积混凝土养护方法，其特征在于，混凝土表面养护采用喷5min停5min的喷淋方式。
7.根据权利要求1所述的大体积混凝土养护方法，其特征在于，混凝土内部养护过程为：若该养护区处于升温阶段，则养护目标是降低最高温度，只需要根据Tminij与Tmax的差值范围来确定水温、流速；若该养护区处于降温阶段，则养护目标是控制降温速率小于2℃/d，需要根据Tminij与Tmax的差值范围和降温速率共同来确定水温、流速。
8.一种采用如权利要求1-7任一所述的混凝土养护方法的自动化养护设备，其特征在于，包括主机，多个恒温水柜，所述主机正上方设置有触摸屏，所述主机内设置有PLC、配电系统、温度接收器，所述触摸屏、PLC、配电系统、温度接收器之间通过电连接；
每个养护区内部设有冷却管和温度传感器Ⅰ，混凝土外部的每个面设有养护喷淋管和温度传感器Ⅱ；所述温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ与温度接收器电连接；
每个养护区对应一个恒温水柜，所述恒温水柜通过供水管与冷却管或养护喷淋管连接，所述供水管上设有水泵、流量计和变频器，所述恒温水柜、流量计和变频器都与PLC电连接。
9.根据权利要求8所述的自动化养护设备，其特征在于，所述恒温水柜上设有一根热水进水管和一根冷水进水管，并设有温控器，所述温控器与PLC连接。
10.根据权利要求8所述的自动化养护设备，其特征在于，所述触摸屏上设有每个养护区对应的按键。
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