CN111505252B - 一种预测施工现场混凝土强度的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混凝土成型早期力学性能测算技术领域，特别涉及一种预测施工现场混凝土强度的系统，目的在于实现现场施工环境下快速判定混凝土强度。该系统包括温湿度传感器、数据中心以及用户终端，温湿度传感器与互联网连接，并进行实时混凝土内部温湿度数据的监测与传输；数据中心与互联网连接，数据中心用于存储从互联网获取的两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，以及从用户终端手动输入的混凝土配合比信息、混凝土强度信息，并通过混凝土强度预测系统软件计算现场施工环境下混凝土强度预测结果；用户终端与互联网连接，用于查看、统计和分析数据中心的各项数据及信息。

Description

一种预测施工现场混凝土强度的系统
技术领域
本发明属于混凝土成型早期力学性能测算技术领域，特别涉及一种预测施工现场混凝土强度的系统。
背景技术
在高层和超高层建造过程中，混凝土结构强度演化是关键影响因素之一。在实际工程中，基础底板采用大体积混凝土浇筑，其温度与强度演化与结构裂缝控制密切相关。考虑到上部结构施工进度较快，为了满足设计要求，保证结构安全，模板拆除、模架爬升施工均需要混凝土达到特定强度才能进行。因此，实时监测与评估混凝土强度对高层超高层建造具有重大意义。
然而目前对建筑结构状态的监测主要集中在荷载作用效应方面（应力、应变及变形），而对混凝土实体强度发展缺乏有效监测与评估手段。现有技术中，往往采用同条件养护、回弹法或超声回弹法、钻芯取样等评估方法，进行混凝土结构强度评估。前述评估方法往往在混凝土结构浇筑28天后才进行，属于事后评估，缺乏时效性和代表性，因而不能满足高层或超高层建筑混凝土结构强度的监测需求。
因此，如何提供一种适用于高层、超高层建筑施工现场混凝土强度的系统，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种预测施工现场混凝土强度的系统，通过建立试验室环境下强度数据与现场施工环境下强度数据之间的关系，为现场快速判定混凝土强度提供了简单有效的手段。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种预测施工现场混凝土强度的系统，包括：
分别与互联网连接的温湿度传感器、数据中心以及用户终端；
所述温湿度传感器分别进行试验室环境和现场施工环境两种环境下实时混凝土内部温湿度数据的监测，并将两种环境下实时混凝土内部温湿度数据通过5G传输系统上传至互联网；
所述数据中心用于存储从所述互联网获取的两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，以及从所述用户终端手动输入的混凝土配合比信息、混凝土强度信息，并通过混凝土强度预测系统软件计算现场施工环境下混凝土强度预测结果；其中，所述混凝土强度信息分别为强度系数数据库、强度衰减数据库以及强度储存库，所述强度系数数据库用于储存不同配合比混凝土强度发展预测模型中的相关系数；强度衰减数据库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度与同条件现场环境下混凝土的强度比值；强度储存库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度以及同条件现场环境下混凝土的强度；
所述用户终端用于查看、统计和分析所述数据中心的各项数据及信息。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的预测施工现场混凝土强度的系统，在考虑温度对混凝土的等效龄期影响的前提下同时考虑湿度的影响，使得本发明预测的混凝土强度数据更加精准。
(2)本发明提供的预测施工现场混凝土强度的系统，通过采用试验室养护条件下混凝土强度数据即可对现场施工环境混凝土构件强度进行预测，为现场施工不便的条件下混凝土构件的强度预测提供了保障，同时也给现场施工人员提供了便利。
(3) 本发明提供的预测施工现场混凝土强度的系统，涵盖了影响工程中混凝土强度的各种因素，可以根据将要评估的混凝土实体实际工况进行选择，普适性好，具有较好的推广价值。
进一步地，所述温湿度传感器埋置于混凝土结构中，所述温湿度传感器分别与电源、控制单元连接，所述控制单元与无线传输终端连接；所述控制单元包括单片机，所述单片机分别与无线传输终端、北斗/GPS模块、NFC电子标签连接。
进一步地，所述数据中心设有数据管理系统，所述数据管理系统包括登陆窗口、系统设置窗口、数据采集模块、数据分析模块、数据储存模块以及数据查询窗口；所述登陆窗口设置系统管理员、一般操作员及一般用户三种权限，分别实现对数据管理系统进行管理、操作及浏览功能；所述系统设置窗口仅系统管理员可操作，包括添加及更改一般操作员用户名及密码、更改混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型；所述数据采集模块采集两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，或根据一定的时间段采集两种环境下混凝土内部温湿度数据；所述数据分析模块对分析所述数据采集模块采集的实时数据或其他数据进行分析计算，制作统计报表和统计曲线；所述数据存储模块用于存储从所述用户终端手动输入的两种环境下的混凝土强度信息；所述数据查询窗口供用户浏览查询数据。
进一步地，所述混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型分别采用式（1）与式（4）进行计算：其中，
t e=∑[1/(α u−α 0)]·(T i /T r )−m·exp((−E a /R)·(1/T i −1/T r ))·[H i ·Δt i +((1−H i )/β)·ln(1+β·Δt i )] (1)
式中：t e 为等效龄期，单位h；
T i 为第i小时与第i−1小时间的平均温度，单位℃；
H i 为第i小时与第i−1小时间的平均湿度，单位℃；
T r 为参考温度，取20℃；
Δt i 为第i小时与第i−1小时间的时间间隔，单位h；
R为气体常数，取8.314 J/mol；
β为与粉煤灰用量，水灰比以及干燥表面以下的深度有关的参数；
m为材料属性；
α 0 为固化阈值；
E a 为第i小时与第i−1小时间的活化能，采用公式(2)计算，单位J/mol；
E a =(42830−43·T i )·exp((−0.00017T i )t) (2)
式中：t为水泥水化时间，单位h；
α u 为极限水化程度，采用公式(3)计算；
α u =1.031w/(w+0.194) (3)
式中：w为混凝土中的水灰比；
f=a−b·exp(c·t e d ) (4)
式中：f为混凝土的预估强度；
a，b，c与d为强度系数,均为依据试验结果所得回归常数。
进一步地，所述混凝土强度综合影响因素包括水灰比、骨料粒径、水泥强度、砂石比、水泥品种、骨料品种、粉煤灰掺量、硅粉掺量、高炉矿渣掺量。
进一步地，所述混凝土强度预测系统软件运行方式为:
将现场施工环境下混凝土的配合比信息手动输入用户终端的系统中查询，即可调用数据管理系统中储存的强度衰减系数数据库，确定强度衰减系数；依据试验室标养条件下此种混凝土已有的试验数据，将相关强度数据输入用户终端的系统中，即可调用数据管理系统中储存的强度系数数据库，确定公式(4)中的强度系数a，b，c与d，随后数据管理系统中将自动建立现场混凝土强度发展预测模型；若数据库中未包含同等环境条件及配合比，则根据最接近的环境条件及配合比进行线性插值方法计算强度系数和强度衰减系数；
根据现场施工环境下混凝土构件拆模所需要满足的最小强度，手动输入至用户终端，即可通过数据管理系统返回的数据在用户端系统中通过内置软件自动计算出相应的等效龄期，并显示于用户终端中，此数据即为预测的现场施工环境下混凝土拆模时刻。
附图说明
图1为本发明一实施例中预测施工现场混凝土强度的系统的结构框图；
图2为本发明一实施例中预测施工现场混凝土强度的系统的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的预测施工现场混凝土强度的系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
实施例一
下面结合图1和图2，详细说明本发明的预测施工现场混凝土强度的系统。
请参考图1和图2，一种预测施工现场混凝土强度的系统，包括分别与互联网连接的温湿度传感器、数据中心以及用户终端；
温湿度传感器分别进行试验室环境和现场施工环境两种环境下实时混凝土内部温湿度数据的监测，并将两种环境下实时混凝土内部温湿度数据通过5G传输系统上传至互联网；
数据中心用于存储从所述互联网获取的两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，以及从用户终端手动输入的混凝土配合比信息、混凝土强度信息，并通过混凝土强度预测系统软件计算现场施工环境下混凝土强度预测结果；其中，混凝土强度信息分别为强度系数数据库、强度衰减数据库以及强度储存库，强度系数数据库用于储存不同配合比混凝土强度发展预测模型中的相关系数；强度衰减数据库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度与同条件现场环境下混凝土的强度比值；强度储存库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度以及同条件现场环境下混凝土的强度；
用户终端用于查看、统计和分析数据中心的各项数据及信息。
具体来说，本发明提供的预测施工现场混凝土强度的系统，包括温湿度传感器、数据中心以及用户终端，温湿度传感器埋置于混凝土结构中与互联网连接，并采用目前先进的5G传输系统进行实时混凝土内部温湿度数据的监测与传输；数据中心与互联网连接，数据中心用于存储从互联网获取的两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，以及从用户终端手动输入的混凝土配合比信息、混凝土强度信息，并通过混凝土强度预测系统软件计算现场施工环境下混凝土强度预测结果；用户终端与互联网连接，用于查看、统计和分析数据中心的各项数据及信息。温湿度传感器所传输数据包括试验室环境及现场施工环境中混凝土内部实时温湿度。该系统通过在考虑温度对混凝土的等效龄期影响的前提下同时考虑湿度的影响，并综合考虑影响工程中混凝土强度的各种因素，通过采用试验室养护条件下混凝土强度数据即可对现场施工环境混凝土构件强度进行预测，使得本发明预测的混凝土强度数据更加精准；为现场施工不便的条件下混凝土构件的强度预测提供了保障，同时也给现场施工人员提供了便利。
在本实施例中，更优选地，温湿度传感器分别与电源、控制单元连接，控制单元与无线传输终端连接；控制单元包括单片机，单片机分别与无线传输终端、北斗/GPS模块、NFC电子标签连接。
在本实施例中，更优选地，数据中心设有数据管理系统，数据管理系统包括登陆窗口、系统设置窗口、数据采集模块、数据分析模块、数据储存模块以及数据查询窗口；登陆窗口设置系统管理员、一般操作员及一般用户三种权限，分别实现对数据管理系统进行管理、操作及浏览功能；系统设置窗口仅系统管理员可操作，包括添加及更改一般操作员用户名及密码、更改混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型；数据采集模块采集两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，或根据一定的时间段采集两种环境下混凝土内部温湿度数据；数据分析模块对分析数据采集模块采集的实时数据或其他数据进行分析计算，制作统计报表和统计曲线；数据存储模块用于存储从所述用户终端手动输入的两种环境下的混凝土强度信息；数据查询窗口供用户浏览查询数据。
特别地，数据中心的数据管理系统具有以下功能：
1）采集功能：采集混凝土内部温湿度，混凝土强度、电池电量等数据。
2）计算功能：可利用用户终端的混凝土强度预测系统软件通过设定程序计算获得现场施工环境下混凝土强度预测结果。
3）查询功能：可利用用户终端上的混凝土强度预测系统软件查询各种数据历史记录。
4）存储功能：利用数据库记录所有历史数据，这些历史数据记为温湿度模块以及强度模块。其中强度模块包含强度系数数据库、强度衰减数据库以及强度储存库。强度系数数据库用于储存不同配合比混凝土强度发展预测模型中的相关系数（a，b，c与d）；强度衰减数据库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度与同条件现场环境下混凝土的强度比值（γ）；强度储存库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度（f）与同条件现场环境下混凝土的强度（f’）。
在本实施例中，更优选地，混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型分别采用式（1）与式（4）进行计算：其中，
t e=∑[1/(α u−α 0)]·(T i /T r )−m·exp((−E a /R)·(1/T i −1/T r ))·[H i ·Δt i +((1−H i )/β)·ln(1+β·Δt i )] (1)
式中：t e 为等效龄期，单位h，下同；
T i 为第i小时与第i−1小时间的平均温度，单位℃；
H i 为第i小时与第i−1小时间的平均湿度，单位℃；
T r 为参考温度，取20℃；
Δt i 为第i小时与第i−1小时间的时间间隔，单位h；
R为气体常数，取8.314 J/mol；
β为与粉煤灰用量，水灰比以及干燥表面以下的深度有关的参数；
m为材料属性；
α 0为固化阈值；
E a 为第i小时与第i−1小时间的活化能，采用公式(2)计算，单位J/mol；
E a =(42830−43·T i )·exp((−0.00017T i )t) (2)
式中：t为水泥水化时间，单位h；
α u 为极限水化程度，采用公式(3)计算；
α u =1.031w/(w+0.194) (3)
式中：w为混凝土中的水灰比；
f=a−b·exp(c·t e d ) (4)
式中：f为混凝土的预估强度；
a，b，c与d为强度系数,均为依据试验结果所得回归常数。
特别地，为了建立现场条件下混凝土强度与试验室标准养护条件下混凝土强度之间的换算关系，将与试验室相同配比的混凝土试块放置于现场工程环境中进行同条件养护，同时监测混凝土内部的温湿度。并采用公式(1)与公式(4)得到考虑混凝土强度综合影响因素的混凝土的实际强度f’与等效龄期间函数关系，从而得到混凝土的强度衰减系数γ，即公式(5)；
γ= f’ / f (5)
从而依此进行大规模的室内和施工现场试验，以建立强度系数数据库与强度衰减系数数据库。
根据前述的强度衰减系数γ，建立新工程现场新配混凝土强度预测公式，即公式(6)；
f’= γ·[a−b·exp(c·t e d )] (6)
通过对现场施工环境下实体混凝土强度的评估，根据混凝土的配合比，调用强度衰减系数数据库，确定强度衰减系数γ；依据试验室标养条件下已有的试验数据，调用强度系数数据库，确定公式(6)中的强度系数a，b，c与d，建立现场混凝土强度发展预测模型；若数据库中未包含同等环境条件及配合比，则根据最接近的环境条件及配合比进行线性插值方法计算强度系数和强度衰减系数；然后根据混凝土构件拆模所需要满足的最小强度，通过公式(6)反算实际等效龄期，然后根据公式(1)反算构件拆模时间，该时间即为预测的现场混凝土拆模时刻。例如，已知混凝土构件拆模所需要满足的最小强度为f min ，则通过公式（6）可以反算出其等效龄期t e,min =[ln((a-f min /γ)/b)/c]1/d ,其中强度系数a，b，c与d以及强度衰减系数γ已根据配合比及所用材料，调用强度衰减系数数据库以及强度系数数据库中数据内插后确定。随后将得到的等效龄期t e,min 代入公式（1）中即可反算得到构件拆模的时间Δt min 。
在本实施例中，更优选地，混凝土强度综合影响因素包括水灰比、骨料粒径、水泥强度、砂石比、水泥品种、骨料品种、粉煤灰掺量、硅粉掺量、高炉矿渣掺量。在试验室标养条件下考虑混凝土强度综合影响因素的作用，分别进行相关试验，每次试验改变一种影响因素，其余八种因素固定，得到混凝土各龄期的强度，并记录相应混凝土内部温湿度变化，通过等效龄期的计算公式计算出等效龄期。
在本实施例中，更优选地，混凝土强度预测系统软件运行方式为:
首先，将现场施工环境下混凝土的配合比信息手动输入用户终端的系统中查询，即可调用数据管理系统中储存的强度衰减系数数据库，确定强度衰减系数；依据试验室标养条件下此种混凝土已有的试验数据，将相关强度数据输入用户终端的系统中，即可调用数据管理系统中储存的强度系数数据库，确定公式(4)中的强度系数a，b，c与d，随后数据管理系统中将自动建立现场混凝土强度发展预测模型；
其次，若数据库中未包含同等环境条件及配合比，则根据最接近的环境条件及配合比进行线性插值方法计算强度系数和强度衰减系数；
最后，根据现场施工环境下混凝土构件拆模所需要满足的最小强度，手动输入至用户终端，即可通过数据管理系统返回的数据在用户端系统中通过内置软件自动计算出相应的等效龄期，并显示于用户终端中，此数据即为预测的现场施工环境下混凝土拆模时刻。
具体来说，以新工程现场新配混凝土水灰比为基础值，在强度系数数据库中寻找与所述基础值最接近的两个水灰比数值以及对应的强度系数，利用线性插值法取值，同理可得到其他几种强度综合影响因素的强度系数，最后通过Maltlab进行编程计算得到总强度系数。同理，可以得到到总强度衰减系数。以强度衰减系数库为例，假设新工程现场新配混凝土水灰比为w w ，在数据库中寻找最接近的两个水灰比及相应衰减系数,即[w 1,γ1]与[w 2, γ2]。要得到[w 1,w 2]区间内w w 的衰减系数，则采用线性插值进行取值，即γ w =(w 1-w w )/(w 2-w 1)*(γ2-γ1)+ γ1。同理可得其他影响参数的衰减系数(γagg，γFA，γSG,……)，再通过Matlab进行编程计算得到总衰减系数γsum。强度系数数据库同理。
本实施例提供的预测施工现场混凝土强度的系统，包括温湿度传感器、数据中心以及用户终端，通过试验室养护环境下所得到的试验数据预测现场施工环境下的混凝土强度，解决了成熟度方法预测混凝土结构强度方法的不适用于施工现场不允许进行试验的不足。从而，本发明通过建立有效的实际混凝土强度与龄期之间的关系式，提供了一种评估混凝土结构强度的简单有效手段。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实施例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，包括分别与互联网连接的温湿度传感器、数据中心以及用户终端；
所述温湿度传感器分别进行试验室环境和现场施工环境两种环境下实时混凝土内部温湿度数据的监测，并将两种环境下实时混凝土内部温湿度数据通过5G传输系统上传至互联网；
所述数据中心用于存储从所述互联网获取的两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，以及从所述用户终端手动输入的混凝土配合比信息、混凝土强度信息，并通过混凝土强度预测系统软件计算现场施工环境下混凝土强度预测结果；其中，所述混凝土强度信息分别为强度系数数据库、强度衰减数据库以及强度储存库，所述强度系数数据库用于储存不同配合比混凝土强度发展预测模型中的相关系数；强度衰减数据库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度与同条件现场环境下混凝土的强度比值；强度储存库用于储存不同配合比混凝土试验室条件下获得的强度以及同条件现场环境下混凝土的强度；
所述用户终端用于查看、统计和分析所述数据中心的各项数据及信息；所述混凝土强度预测系统软件中包括混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型，所述混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型分别采用式（1）与式（4）进行计算：其中，
t e=∑[1/(α u−α 0)]·(T i /T r )−m·exp((−E a /R)·(1/T i −1/T r ))·[H i ·Δt i +((1−H i )/β)·ln(1+β·Δt i )] (1)
式中：t e为考虑混凝土强度综合影响因素且在实验室标养条件下计算的等效龄期，单位h；
T i 为第i小时与第i−1小时间的平均温度，单位℃；
H i为第i小时与第i−1小时间的平均湿度，单位℃；
T r 为参考温度，取20℃；
Δt i 为第i小时与第i−1小时间的时间间隔，单位h；
R为气体常数，取8.314 J/mol；
β为与粉煤灰用量，水灰比以及干燥表面以下的深度有关的参数；
m为材料属性；
α 0为固化阈值；
E a为第i小时与第i−1小时间的活化能，采用公式(2)计算，单位J/mol；
E a =(42830−43·T i )·exp((−0.00017T i )t) (2)
式中：t为水泥水化时间，单位h；
α u 为极限水化程度，采用公式(3)计算；
α u =1.031w/(w+0.194) (3)
式中：w为混凝土中的水灰比；
f=a−b·exp(c·t e d ) (4)
式中：f为混凝土的预估强度；
a，b，c与d为强度系数,均为依据试验结果所得回归常数。
2.根据权利要求1所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，
所述温湿度传感的探头埋置于混凝土结构中，所述温湿度传感器分别与电源、控制单元连接，所述控制单元与无线传输终端连接；所述控制单元包括单片机，所述单片机分别与无线传输终端、北斗/GPS模块、NFC电子标签连接。
3.根据权利要求1所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，
所述数据中心设有数据管理系统，所述数据管理系统包括登陆窗口、系统设置窗口、数据采集模块、数据分析模块、数据储存模块以及数据查询窗口；所述登陆窗口设置系统管理员、一般操作员及一般用户三种权限，分别实现对数据管理系统进行管理、操作及浏览功能；所述系统设置窗口仅系统管理员可操作，包括添加及更改一般操作员用户名及密码、更改混凝土等效龄期计算公式以及强度发展预测模型；所述数据采集模块采集两种环境下实时混凝土内部温湿度数据，或根据一定的时间段采集两种环境下混凝土内部温湿度数据；所述数据分析模块对分析所述数据采集模块采集的实时数据或其他数据进行分析计算，制作统计报表和统计曲线；所述数据存储模块用于存储从所述用户终端手动输入的两种环境下的混凝土强度信息；所述数据查询窗口供用户浏览查询数据。
4.根据权利要求3所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，所述混凝土强度综合影响因素包括水灰比、骨料粒径、水泥强度、砂石比、水泥品种、骨料品种、粉煤灰掺量、硅粉掺量、高炉矿渣掺量。
5.根据权利要求3所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，所述混凝土强度预测系统软件运行方式为:
将现场施工环境下混凝土的配合比信息手动输入用户终端的系统中查询，即可调用数据管理系统中储存的强度衰减系数数据库，确定强度衰减系数；依据试验室标养条件下此种混凝土已有的试验数据，将相关强度数据输入用户终端的系统中，即可调用数据管理系统中储存的强度系数数据库，确定公式(4)中的强度系数a，b，c与d，随后数据管理系统中将自动建立现场混凝土强度发展预测模型；若数据库中未包含同等环境条件及配合比，则根据最接近的环境条件及配合比进行线性插值方法计算强度系数和强度衰减系数；
根据现场施工环境下混凝土构件拆模所需要满足的最小强度，手动输入至用户终端，即可通过数据管理系统返回的数据在用户端系统中通过内置软件自动计算出相应的等效龄期以及拆模时刻。
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