CN111410554B - 自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.实时采集环境气温、环境空气湿度、以及环境风速；步骤2.确定喷淋时间T_k；步骤3.根据混凝土相关参数和采集到的环境气温、环境空气湿度以及环境风速，计算停止喷淋时间

步骤4.循环养护：按照喷淋时间T_k对混凝土进行喷淋，并按照停止喷淋时间T_b停止喷淋，不断循环，直至达到养护龄期。本发明不仅考虑了环境湿度、环境风速和环境温度对混凝土的影响，并且进一步考虑了混凝土养护面大小的影响，以及不同风速和不同大小混凝土养护面条件下形成层流、湍流对混凝土面湿度交换的影响，因而计算精度更高，结果更准确，养护效果更好。

Description

自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法

技术领域

本发明属于工程结构混凝土养护领域，具体涉及一种自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法。

背景技术

混凝土养护是指混凝土浇筑后，由于水泥水化作用逐渐凝结硬化，而水化作用则需要适当的温度和湿度条件，因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长而进行的养护。从湿度交换原理来说，养护必须保证混凝土内部具有足够的湿度、养护面混凝土与空气基本没有湿度交换，即养护必须保持混凝土的湿度，以下称为保湿养护。

如图1所示，混凝土自然养护法，一般都是对混凝土面人工浇水或者喷淋洒水。

有关规范要求混凝土终凝后应立即进行养护，干硬性混凝土应于浇筑完毕后立即进行养护。对于养护龄期、水温控制、混凝土与环境温度差及其保温等都提出了明确要求，并要求“潮湿养护”。混凝土养护手册要求保持表面湿度≥95％。但如何做到“潮湿养护”和达到表面湿度≥95％，如何实时控制没有具体规定和方法。更没有定量的计算、检测办法。实际混凝土工程养护过程中，一般都是施工人自行控制，监理人难以深入管理控制。例如洒水养护，并没有要求一天洒水几次，不同温度季节如何控制次数，或者在什么情况下再次洒水，都没有明确要求。结果是，有的一天洒几次水，有的几天洒一次水，养护条件好的、责任心强的，养护质量较好，反之则质量差。如图2为三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土裂缝情况，明显是养护等不够的龟裂缝，并且后期在温度拉应力作用下继续扩展贯穿。

综合以上情况说明，目前混凝土养护，如何做到根据自然环境情况(温度、湿度、风速)和混凝土相关参数来科学有效地进行“潮湿养护”与过程中实时控制没有合适的方法，混凝土质量无法得到保障，难以确保有效实现混凝土保湿养护目标。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，能够确保混凝土养护质量，科学有效地实现混凝土保湿养护。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

如图3所述，本发明提供一种自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.实时采集环境气温、环境空气湿度、以及环境风速；

步骤2.确定喷淋(洒水)时间T_k；

步骤3.根据混凝土相关参数和采集到的环境气温、环境空气湿度以及环境风速，计算停止喷淋(洒水)时间T_b(分钟)：

式中，S_t为t时刻混凝土暴露表面相对湿度；S₀为混凝土暴露表面初始相对湿度，对于混凝土保湿养护情况即为喷淋(洒水)后停止养护时的湿度，为100％；S_环为混凝土暴露面环境空气相对湿度；β为混凝土表面水分交换系数，与混凝土暴露表面环境风速、环境温度和混凝土养护面大小均有关；

步骤4.循环养护：按照喷淋(洒水)时间T_k控制喷淋(洒水)装置对混凝土进行喷淋(洒水)，并按照停止喷淋(洒水)时间T_b停止喷淋(洒水)，不断循环，直至达到养护龄期。

本发明提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，混凝土表面水分交换系数β采用如下公式计算得到：

1)层流：Re_l<5×10⁵，

2)湍流：Re_l≥5×10⁵，

式中：l为壁面沿风速方向的长度，对于大面积的混凝土面可以取1.0m；D_V为水蒸气在空气中的扩散系数；Re_l为混凝土暴露表面空气对流传质雷诺数；S_c为施密特数；A为考虑临界距离对湍流平均传质系数影响的校正系数；

式中：p₀为大气压强(Pa)；T为水蒸气的热力学温度(K)；u₀为环境风速(m/s)；ρ_g空气的密度(kg/m³)；μ_g为空气的粘滞系数(Pa·s)；

为临界雷诺数，对于平板壁面对流传质雷诺数通常取5×10⁵。

本发明提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，确定喷淋(洒水)时间T_k，根据喷淋(洒水)养护布置，打开全部喷头(喷管)喷水或者洒水，使得养护混凝土面全部足够湿润(混凝土湿度达到100％，表面全部有水)，再乘以1.5的安全系数计算。实际工程养护时，可以在首次现场喷淋(洒水)观察确定。对于大型水电站，地下水工隧洞的边墙，取T_k为5分钟；大坝混凝土仓面，取T_k为8分钟；其它小型结构，取T_k为3分钟。

本发明提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，每间隔一定时间根据实时采集的气温、空气湿度以及风速数据重新计算停止喷淋(洒水)时间T_b，然后执行新计算出的停止喷淋(洒水)时间。通常情况下，时间间隔可以取为半小时。

本发明提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，一般情况下，取S_t＝95％，相应的T_b对应混凝土表面湿度由100％降低至95％的时间；在对混凝土质量要求非常严格或者工程环境恶劣的情况下，取S_t＝98％，相应的T_b对应混凝土表面湿度由100％降低至98％的时间。

发明的作用与效果

本发明采用上述公式1来计算停止喷淋(洒水)时间Tb，一方面直接反映了环境湿度的影响，同时通过“混凝土表面水分交换系数β”反映了环境风速和环境温度对混凝土的影响，并且进一步考虑了混凝土养护面大小的影响，以及不同风速和不同大小混凝土养护面条件下形成层流、湍流对混凝土面湿度交换(损失)的影响，因此，本发明更加科学、全面地反映了自然环境与混凝土湿度的交互作用和影响，因而计算精度更高，结果更加准确，养护效果更好。

本发明方法可以适用于任何温度、湿度、风速等变化的自然环境进行混凝土保湿养护，并实时调整养护间隔时间、养护频次，高质量保湿养护。并且，本方法可以灵活运用于各种大型复杂结构现浇混凝土实时保湿养护和质量控制，混凝土保湿养护质量高。

附图说明

图1为背景技术中混凝土自然养护情况图，其中(a)为喷淋养护情况图，(b)为洒水养护情况图；

图2为背景技术中三板溪水电站泄洪洞裂缝情况示意图，其中(a)为整体情况示意图，(b)为局部放大图；

图3为本发明提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法的流程图；

图4为本发明实施例一中涉及的广东省清远二线船闸上闸首结构示意图；

图5为本发明实施例一中涉及的广东省清远二线船闸上闸首顶部混凝土暴露面自动化喷淋养护情况图；

图6为本发明实施例二中涉及的的广东省清远二线船闸下闸首右岸下游段封顶层混凝土暴露面自动化喷淋养护情况图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法具体实施方案进行详细地说明。

<基本资料>

以下是实施例一和二中所涉及的广东省清远二线船闸的基本资料：

清远二线船闸为Ⅲ级通航建筑物，设计最大船舶等级：1000t级，船闸规模：220×34×4.5(m)。上下闸首、闸室采用整体式结构。

如图4所示，上闸首采用钢筋混凝土整体式结构，平面外轮廓尺寸为50×65m(长×宽)，孔口宽度34.2m，扣除钢护木后有效净宽34m。底板长50m，底高程

门前段长度14.78m，宽度34.2m，顶高程

门库段长度25.5m，宽度43.2m，顶高程

门后段底板长度9.72m，宽度34.2m，顶部高程

门前、门库段底板为空箱式结构，门后段底板为实体底板。边墩长50m，门前段长度14.78m，宽度15.4m；门库段长度25.5m，宽度10.9m；门后段长度9.72m，宽度15.4m。边墩底高程

顶高程除上游L型挡洪墙外，其余均为

主体结构混凝土采用C25混凝土，三级配。

下闸首采用钢筋混凝土整体式结构，结构型式与上闸首类似。下闸首平面外轮廓尺寸为56×65m(长×宽)，孔口宽34.2m，口门两侧布置10cm厚钢护木，有效净宽34m。下闸首采用钢筋混凝土坞式结构，下闸首顶高程

底高程

门槛顶高程

下闸首纵向分为门前段、门库段、门后段三段。门前段布置检修阀门，长2.4m。门库段布置人字形工作闸门，长25.5m，深4.5m。门后段布置闸门支持墙、廊道出口、消力池及检修门槽段，长28.1m。

本工程属于Ⅲ级建筑物，混凝土养护湿度按95％控制。

2018年9月以前浇筑船闸混凝土，都是采取人工洒水养护(如图1b所示)。2018年10月初开始部分采取自动化、智能化喷淋(洒水)养护。以该船闸混凝土为例进行计算和养护质量控制分析。

<实施例一>广东省清远二线船闸上闸首混凝土喷淋保湿养护实时控制

一、自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法

如图3所示，本实施例一所提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，包括以下步骤：

步骤1.实时采集、环境空气湿度、以及环境风速数据

在清远二线船闸上闸首顶部混凝土养护现场，施工养护员每隔1～2小时采用温湿度计在混凝土养护面测量环境气温、环境空气湿度，环境风速采用天气预报值。2018年11月29日下午16点50分，在现场实测船闸气温21℃，湿度55％。天气预报风力3级。风速取3级风的中值4.4m/s。

步骤2.实时确定喷淋(洒水)时间T_k

根据二线船闸上闸首顶部混凝土喷淋养护实施的布置，在现场打开全部喷头(喷管)喷水，使得养护混凝土面全部足够湿润(混凝土湿度达到100％，表面全部有水)，再乘以1.5的安全系数计算。并结合类似工程经验，确定清远二线船闸上闸首顶部混凝土喷淋自动化保湿养护的喷淋时间T_k为3分钟。

步骤3.实时计算停止喷淋(洒水)时间T_b

计算停止喷淋(洒水)时间T_b，需要先根据现场实测环境气温、环境空气湿度、环境风速、以及混凝土参数等计算有关系数。计算水蒸气的热力学温度T＝294.15K；大气压强p₀＝1atm＝101.325kPa；为确保养护湿度，取壁面沿风速方向的长度l＝1.0m；环境空气的粘滞系数μ_g＝1.81×10^-5(Pa·s)；环境空气的密度ρ_g＝1.205(kg/m³)；环境风速u₀采用天气预报3级风的中间值v＝4.4(m/s)。

将以上参数代入公式7，计算校正系数A＝23377；由公式4计算水蒸气在空气中的扩散系数D_v＝2.5×10^-5m/s；公式6计算施密特数S_c＝0.6；公式5计算混凝土暴露表面空气对流传质雷诺数Re_l＝292928；由于Re_l>5×10⁵，代入公式3计算混凝土表面水分交换系数β＝1.9×10^-4m/s。将S₀＝100％，S_环＝55％，S_t＝95％，β＝1.9×10^-4m/s，代入公式1计算停止喷淋(洒水)时间T_b＝619.91分钟＝10.33小时。

步骤4.循环养护，实时控制保湿喷淋养护质量

在混凝土养护现场，施工养护员(或者监理人员检查、监督时)每隔一定时间(本实施例中为半小时)根据实时采集的气温、空气湿度以及风速数据执行步骤3，重新计算新的停止喷淋(洒水)时间T_b，并根据新的停止喷淋(洒水)时间T_b进行喷淋(洒水)养护(包括停止洒水)操作。另外，也可以采用计算机根据实时采集的气温、空气湿度以及风速数据执行步骤3不断计算和更新停止喷淋(洒水)时间T_b。

如图5所示，清远二线船闸上闸首顶部混凝土采用自动化保湿养护，根据喷淋(洒水)时间T_k和不断更新的停止喷淋(洒水)时间T_b来设置时控开关，进行循环养护。混凝土表面，11月气温适宜，没有专门进行表面保护。

由于船闸其它大多数混凝土养护面主要是人工养护，监理单位进一步根据该计算成果，并考虑到白天自然环境温度高，表面水分散发快，为保证养护质量，专门发文要求施工单位从12月1日开始，改为每天早晨8点和下午18点养护2次。

二、混凝土保湿喷淋养护效果

清远二线船闸混凝土，在养护人员实时计算、精心保湿养护和监理人员严格质量控制下，从12月1日开始，采取人工养护的情况，每天早晨8点和下午18点前养护2次；采取自动化控制的情况，按照喷淋3分钟、停止10小时设置控制时控开关循环养护，混凝土得到实时保湿养护，没有发生裂缝，养护效果非常好。

三、与201710897538.0专利计算停止喷水时间Tb的比较分析

201710897538.0专利计算停止喷水时间Tb(h)的公式为：Tb＝EXP(8.7-0.143F-0.18T-3.84S_k+0.0001FT+0.001FS_k+0.0026TS_k+0.0024F²+0.0015T²+6.075S_k ²)

式中：Tb为混凝土表面湿度由100％降低至95％的时间(h)；F为环境风速等级；T为环境空气温度；S_k为环境空气湿度。

将以上现场实测船闸气温21℃，湿度55％、天气预报风力3级代入该公式中，计算得停止喷水时间Tb＝139.46小时。显然，201710897538.0专利计算停止喷水时间Tb达到本发明计算值的13.5倍，与本发明结果相差很大，这是由于201710897538.0专利只是粗略考虑了环境空气温度、环境风速和环境空气湿度的影响，并没有考虑到混凝土自身的参数和其水分交换情况的影响，也没有考虑不同风速和不同大小养护混凝土面条件下形成层流、湍流对混凝土面湿度交换(损失)的影响，因此，201710897538.0专利计算结果比较粗略，并不能够非常准确地反映实际情况，难以达到精确保湿养护的效果。

而本发明公式不仅考虑环境空气温度、环境风速和环境空气湿度的影响，还考虑到混凝土自身的参数和其水分交换情况的影响，以及不同风速和不同大小养护混凝土面条件下形成层流、湍流对混凝土面湿度交换(损失)的影响，因此更加科学，精度更高，相应的保湿养护效果也更好。

<实施例二>广东省清远二线船闸下闸首右岸下游段封顶层混凝土喷淋保湿养护实时控制

2018年12月3日下午，武汉大学和源天集团清远船闸项目部的联合研究课题组考查了现场，详细研究了船闸混凝土当时浇筑情况，确定在下闸首右岸下游段封顶层进行保湿养护实时控制应用研究，作为低温季节浇筑混凝土实例。

下闸首右岸下游段封顶层混凝土浇筑时间为2018年12月4日5:00时-12月4日9:00时。2018年12月4日上午7:00时在现场开始实时控制应用研究工作。

一、自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法

如图3所示，本实施例二所提供的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，包括以下步骤：

步骤1.实时采集、环境空气湿度、以及环境风速数据

在混凝土养护现场，施工养护员每小时(或者监理人员检查时)采用温湿度计在混凝土养护面测量环境气温、湿度。风速由当天气象预报获取并结合现场情况取值。全部测量值均做好施工记录。12月4日上午11点，实测仓面气温36℃，湿度60％。风速，根据气象台预报为4级，但这一天江中的风力大，实测达到19m/s左右。

步骤2.实时确定喷淋(洒水)时间T_k

喷淋(洒水)时间Tk，根据现场喷淋试验和前期经验，确定喷水时间Tk为3分钟。

步骤3.实时计算停止喷淋(洒水)时间T_b

计算水蒸气的热力学温度T＝309.15K；大气压强p₀＝1atm＝101.325kPa；为确保养护湿度，取壁面沿风速方向的长度l＝1.0m；环境空气的粘滞系数μ_g＝1.81×10^-5(Pa·s)；环境空气的密度ρ_g＝1.205(kg/m³)；环境风速u₀采用天气预报4级风的实测值v＝19(m/s)。

将以上参数代入公式7，计算校正系数A＝23377；由公式4计算水蒸气在空气中的扩散系数D_v＝2.76×10^-5m/s；公式6计算施密特数S_c＝0.5446；公式5计算混凝土暴露表面空气对流传质雷诺数Re_l＝1.26×10⁶；由于Re_l>5×10⁵，代入公式3计算混凝土表面水分交换系数β＝4.34×10^-2m/s。将S₀＝100％，S_环＝60％，S_t＝95％，4.34×10^-2m/s，代入公式1计算停止喷淋(洒水)时间T_b＝3.08小时。

步骤4.循环养护，实时控制保湿喷淋养护质量

在混凝土养护现场，施工养护员(或者监理人员检查、监督时)每隔一定时间(本实施例中为半小时)根据实时采集的气温、空气湿度以及风速数据执行步骤3，重新计算新的停止喷淋(洒水)时间T_b，并根据新的停止喷淋(洒水)时间T_b进行喷淋(洒水)养护(包括停止洒水)操作。另外，也可以采用计算机根据实时采集的气温、空气湿度以及风速数据执行步骤3不断计算和更新停止喷淋(洒水)时间T_b。此外，水温控制，采用自来水，大约20℃，满足要求。

如图6所示，清远二线船闸下闸首右岸下游段封顶层混凝土采用喷淋保湿养护，按照喷淋3分钟、停止3小时设置控制时控开关，循环养护。混凝土表面，11月气温适宜，没有专门进行表面保护。

由于船闸其它大多数混凝土养护面主要是人工养护，监理单位进一步根据该计算成果，并考虑到白天自然环境温度高，表面水分散发快，为保证养护质量，专门发文要求施工单位从12月5日开始，在风力大时改为每天2时、6时、上午10时、下午13时、16时、20时养护，每天养护6次。

二、混凝土保湿喷淋养护效果

清远二线船闸混凝土，在养护人员实时计算、精心保湿养护和监理人员严格质量控制下，从12月5日开始，采取人工养护的情况，在风力大时改为每天2时、6时、上午10时、下午13时、16时、20时养护，每天养护6次；采取自动化控制的情况，按照喷淋3分钟、停止3小时设置控制时控开关循环养护，混凝土得到实时保湿养护，没有发生表面裂缝，养护效果非常好。

三、与201710897538.0专利计算停止喷水时间Tb的比较分析

201710897538.0专利计算停止喷水时间Tb(h)的公式为：Tb＝EXP(8.7-0.143F-0.18T-3.84S_k+0.0001FT+0.001FS_k+0.0026TS_k+0.0024F²+0.0015T²+6.075S_k ²)

式中：Tb为混凝土表面湿度由100％降低至95％的时间(h)；F为环境风速等级；T为环境空气温度；S_k为环境空气湿度。

将以上现场实测船闸12月4日上午11点，实测仓面气温36℃，湿度60％。风速，根据气象台预报风力为4级代入公式中，计算得停止喷水时间Tb＝36.1小时。显然，201710897538.0专利计算停止喷水时间Tb达到本发明计算值的11.7倍，与本发明结果相差很大，如实施例一中所述这是由于201710897538.0专利只是粗略计算，因此并不能够非常准确地反映实际情况，难以达到精确保湿养护的效果。

而本发明公式不仅考虑环境空气温度、环境风速和环境空气湿度的影响，还考虑到混凝土自身的参数和其水分交换情况的影响，以及不同风速和不同大小养护混凝土面条件下形成层流、湍流对混凝土面湿度交换(损失)的影响，因此更加科学，精度更高，相应的保湿养护效果也更好。

以上实例结果表明，本发明自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，实时采集环境气温、环境空气湿度、以及环境风速数据，实时计算关闭全部喷头(喷管)喷水或者洒水时间T_b，实时控制喷淋洒水，保持混凝土养护面足够湿润；关闭全部喷头(喷管)喷水或者洒水时间T_b，科学地反映了环境气温、环境空气湿度、以及环境风速对混凝土的影响作用，以及不同风速和不同大小养护混凝土面条件下形成层流、湍流对混凝土面湿度交换(损失)的影响；可以灵活运用于各种复杂环境和复杂大型结构混凝土保湿养护。可以在实际工程中推广。

上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.实时采集环境气温、环境空气湿度、以及环境风速；

步骤2.确定喷淋时间T_k；

步骤3.根据混凝土相关参数和采集到的环境气温、环境空气湿度以及环境风速，计算停止喷淋时间T_b：

式中，S_t为t时刻混凝土暴露表面相对湿度；S₀为混凝土暴露表面初始相对湿度；S_环为混凝土暴露面环境空气相对湿度；β为混凝土表面水分交换系数，与混凝土暴露表面环境风速、环境温度和混凝土养护面大小均有关；混凝土表面水分交换系数β采用如下公式计算得到：

1)层流：Re_l<5×10⁵，

2)湍流：Re_l≥5×10⁵，

式中：l为壁面沿风速方向的长度；D_V为水蒸气在空气中的扩散系数；Re_l为混凝土暴露表面空气对流传质雷诺数；S_c为施密特数；A为考虑临界距离对湍流平均传质系数影响的校正系数；

式中：p₀为大气压强；T为水蒸气的热力学温度；u₀为环境风速；ρ_g空气的密度；μ_g为空气的粘滞系数；

为临界雷诺数；

步骤4.循环养护：按照喷淋时间T_k对混凝土进行喷淋，并按照停止喷淋时间T_b停止喷淋，不断循环，直至达到养护龄期。

2.根据权利要求1所述的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，对于大型水电站，地下水工隧洞的边墙，取T_k为5分钟；大坝混凝土仓面，取T_k为8分钟；其它小型结构，取T_k为3分钟。

3.根据权利要求1所述的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，每间隔一定时间根据实时采集的气温、空气湿度以及风速数据重新计算停止喷淋时间T_b，然后执行新计算出的停止喷淋时间。

4.根据权利要求1所述的自然环境混凝土暴露面保湿养护过程实时控制方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，一般情况下，取S_t＝95％，相应的T_b对应混凝土表面湿度由100％降低至95％的时间；在对混凝土质量要求非常严格或者工程环境恶劣的情况下，取S_t＝98％，相应的T_b对应混凝土表面湿度由100％降低至98％的时间。

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