CN113146819A - 一种智能混凝土开裂控制系统 - Google Patents

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CN113146819A CN202110366359.0A CN202110366359A CN113146819A CN 113146819 A CN113146819 A CN 113146819A CN 202110366359 A CN202110366359 A CN 202110366359A CN 113146819 A CN113146819 A CN 113146819A
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王彭生
于方
邓春林
杨海成
范志宏
熊建波
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CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co Ltd
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    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/24—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for curing, setting or hardening
    • B28B11/245—Curing concrete articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明涉及一种智能混凝土开裂控制系统，包括设置在混凝土中的若干冷却水管，还包括云平台、数据采集单元和温湿度控制单元，数据采集单元包括数据中转站、与数据中转站连接的温湿度传感器和若干温度传感器，数据中转站通过第一数据传输单元与云平台连接，温湿度控制单元包括第二数据传输单元、养护控制器、养护机、通水控制器和若干流量调节阀，第二数据传输单元分别与养护控制器、通水控制器、第一数据传输单元和云平台连接，养护控制器与养护机连接，若干流量调节阀与若干冷却水管一一对应，每个流量调节阀设置在对应的冷却水管内，通水控制器分别与若干流量调节阀连接。本发明能够实时监测和控制混凝土的温湿度，能够有效避免混凝土开裂。

Description

一种智能混凝土开裂控制系统
技术领域
本发明属于混凝土施工技术领域，尤其涉及一种智能混凝土开裂控制系统。
背景技术
大体积混凝土裂缝是工程施工过程中普遍出现的难题，大裂缝的出现不仅影响工程安全性和耐久性，还会增加后期维护维修费用，从而带来经济损失和不利的社会影响。目前，工程上常用大体积混凝土裂缝控制的主要方法为温度控制，通过预埋水管，并通过通冷却水对混凝土内部进行降温，根据预埋的传感器进行温度监测，在合理的温度控制范围降低大体积混凝土开裂风险。并且为了监测大体积混凝土的安全性，目前常见的监测方式是基于人工巡检的温湿度数据采集方法，存在效率低，精度差，实时性不高等缺点，不利于混凝土温度控制的有效进行，增加混凝土开裂的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能混凝土开裂控制系统，能够实时监测和控制混凝土的温湿度，效率高，能够有效避免混凝土开裂。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种智能混凝土开裂控制系统，包括设置在混凝土中的若干冷却水管，智能混凝土开裂控制系统还包括云平台、数据采集单元和温湿度控制单元，数据采集单元包括数据中转站、温湿度传感器和若干温度传感器，数据中转站分别与温湿度传感器和若干温度传感器连接，数据中转站通过第一数据传输单元与云平台连接，温湿度控制单元包括第二数据传输单元、养护控制器、养护机、通水控制器和若干流量调节阀，第二数据传输单元分别与养护控制器、通水控制器、第一数据传输单元和云平台连接，养护控制器与养护机连接，用于控制养护机的启动/关闭，若干流量调节阀与若干冷却水管一一对应，每个流量调节阀设置在对应的冷却水管内，通水控制器分别与若干流量调节阀连接，用于控制每个流量调节阀的启动/关闭和流量调节阀的开合度大小。
进一步地，数据采集单元还包括若干流量计，若干流量计与若干冷却水管一一对应，每个流量计设置在对应的冷却水管上。
进一步地，还包括显示单元，显示单元和云平台连接。
进一步地，还包括报警单元，报警单元与云平台连接。
进一步地，数据采集单元还包括应变传感器，应变传感器与数据中转站连接，云平台包括风险评估模块，风险评估模块的评估步骤如下：
获取应变传感器测量的混凝土的变形值，获取温度传感器测量的温度值；
根据公式(1)计算混凝土收缩相对变形值的当量温度：
Ty(t)＝εy(t)/α (1)
其中，Ty(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩当量温度，εy(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩引起的相对变形值，α为混凝土线性膨胀系数；
根据公式(2)计算混凝土的里表温差：
ΔT1(t)＝Tm(t)-Tb(t) (2)
其中，ΔT1(t)为混凝土龄期为t时，混凝土的里表温差，Tm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土内的最高温度，Tb(t)为混凝土龄期为t时，混凝土内的表层温度；
根据公式(3)计算混凝土的综合温降差：
Figure BDA0003007704280000021
其中，ΔT2(t)为混凝土龄期为t时，混凝土在降温过程中的总和温降，Tbm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土上表层温度，Tdm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土下表层温度，Ty(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩当量温度，Tw(t)为混凝土稳定温度；
根据公式(4)和公式(5)计算混凝土中自约束拉应力：
Figure BDA0003007704280000022
ΔT1i(t)＝ΔT1(t)-ΔT1(t-j) (5)
其中，σz(t)为混凝土龄期为t时，混凝土因里表温差产生的自约束应力累计值，ΔT1i(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土里表温差增量，j为第i计算区间步长，单位为天，Ei(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土弹性模量，Hi(t，τ)为混凝土在龄期为τ时产生的约束应力，延续至t时的松弛系数，n为计算区段的数量；
根据公式(6)和公式(7)计算混凝土中外约束拉应力：
Figure BDA0003007704280000023
ΔT2i(t)＝ΔT2(t-j)-ΔT2(t) (7)
其中，σx(t)为混凝土龄期为t时，混凝土因综合温降差产生的外约束拉应力，ΔT2i(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土综合温降差增量，μ为混凝土泊松比，L为混凝土浇筑体长度，H为混凝土浇注体厚度，Cx为外约束介质的水平变形刚度；
判断ftk(t)/σz或ftk(t)/σx是否大于等于1.15，其中ftk(t)为混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值；
若是，则判断混凝土存在开裂风险。
进一步地，还包括手持终端，手持终端与云平台连接。
进一步地，云平台连接有太阳能供电装置。
进一步地，云平台包括数据库模块、通信模块和数据处理模块。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：使用温度传感器实时对混凝土的内部温度数据进行采集，使用温湿度传感器实时对混凝土的环境温度和环境湿度数据进行采集，从而可以通过云平台能够实时监测混凝土的内部温度、环境温度和湿度数据；当采集到的混凝土芯部最高温度数据超过设置的温度阈值时，通过通水控制器控制各流量调节阀的开合度大小以调节冷却水流量，或控制各流量调节阀的启动/关闭以调节冷却水流向，当采集到的湿度数据低于设置的湿度阈值时，通过养护控制器控制养护机开启，提高混凝土的养护湿度，从而有效控制混凝土的温度和湿度，有效降低混凝土开裂的情况。
附图说明
图1为本发明智能混凝土开裂控制系统的示意图。
图中，1-云平台，2-数据中转站，3-温湿度传感器，4-温度传感器，5-第一数据传输单元，6-第二数据传输单元，7-养护控制器，8-养护机，9-通水控制器，10-流量调节阀，11-流量计，12-显示单元，13-报警单元，14-应变传感器，15-手持终端，16-供电装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，图1为本发明智能混凝土开裂控制系统的示意图。一种智能混凝土开裂控制系统，包括设置在混凝土中的若干冷却水管，智能混凝土开裂控制系统还包括云平台1、数据采集单元和温湿度控制单元，数据采集单元包括数据中转站2、温湿度传感器3和若干温度传感器4，数据中转站2分别与温湿度传感器3和若干温度传感器4连接，数据中转站2通过第一数据传输单元5与云平台1连接，温湿度控制单元包括第二数据传输单元6、养护控制器7、养护机8、通水控制器9和若干流量调节阀10，第二数据传输单元6分别与养护控制器7、通水控制器9、第一数据传输单元5和云平台1连接，养护控制器7与养护机8连接，用于控制养护机8的启动/关闭，若干流量调节阀10与若干冷却水管一一对应，每个流量调节阀10设置在对应的冷却水管内，通水控制器9分别与若干流量调节阀10连接，用于控制每个流量调节阀10的启动/关闭和流量调节阀10的开合度大小。
大体积混凝土内部通冷却水是降低混凝土芯部温度的有效措施，通常在混凝土浇筑前预埋若干冷却水管，在混凝土温升阶段，通过冷却水管内的冷却水带走混凝土水泥水化产生的热量。温湿度传感器3可放置于混凝土附近的空气环境中，监测混凝土的环境温度和对应的养护湿度。若干温度传感器4设置在混凝土内，保证若干温度传感器4的布置点能够反映混凝土内部最高温升、里表温差及降温速率即可，具体布置数量和布置位置参考《大体积混凝土施工标准》(GB 50496)。温湿度传感器3和若干温度传感器4采集到的数据通过数据中转站2传输至第一数据传输单元5，第一数据传输单元5通过第二数据传输单元6将采集的数据上传至云平台1。
云平台1对接受的数据进行处理分析，当采集到的温度数据超过设置的温度阈值时，通过通水控制器9控制各流量调节阀10的开合度大小以调节冷却水流量，或控制各流量调节阀10的启动/关闭以调节冷却水流向，当采集到的湿度数据低于设置的湿度阈值时，通过养护控制器7控制养护机8开启，并通过养护机8提高混凝土的养护湿度，直到温湿度传感器3采集到的湿度数据达到100％，云平台1通过养护控制器7控制养护机8关闭，从而有效控制混凝土的温度和湿度，有效降低混凝土开裂的情况。在一实施例中，云平台1包括数据库模块、通信模块和数据处理模块。通信模块用于与第二数据传输单元6连接，将第二数据传输单元6发送的数据传输到数据处理模块和数据库模块，数据库模块用于存储云平台1接收到的数据，数据处理模块用于对接收到的数据进行处理，根据处理的结果向养护控制器7和/或通水控制器9发送控制信号，从而养护控制器7根据接收到的控制信号控制养护机8的启动/关闭，通水控制器9根据接收到的控制信号控制每个流量调节阀10的启动/关闭和流量调节阀10的开合度大小。在一实施例中，云平台1连接有太阳能供电装置16。该设置能够节约能源。在一实施例中，还包括显示单元12，显示单元12和云平台1连接。显示单元12包括显示器，云平台1将接收到的数据发送至显示单元12进行显示，使得工作人员可以直观的查看混凝土的温湿度数据。
进一步地，为避免冷却水管内冷却水通量过大，会导致混凝土内部降温速率过快，引起较大的温度梯度造成混凝土开裂。在一实施例中，数据采集单元还包括若干流量计11，若干流量计11与若干冷却水管一一对应，每个流量计11设置在对应的冷却水管上。通过流量计11监测冷却水管的冷却水流量，使其保持在适当范围，在有效降低混凝土芯部温度的同时，也能是混凝土保持合适的降温速率，从而起到混凝土裂缝控制的目的。
在一实施例中，智能混凝土开裂控制系统还包括报警单元13，报警单元13与云平台1连接。若采集到的混凝土芯部温度数据、计算出的混凝土内表温度差物理量超过设置的报警值、采集的湿度数据低于设置的报警值或数据采集单元在设定时间周期内未上报新数据的情况下，触发报警单元13，从而通过报警单元13发出故障报警以提醒工作人员，报警单元13可以采用多种报警方式，如通过声光报警装置发出声光报警、通过通信报警装置向指定通讯设备拨打电话或发送短信。在一实施例中，数据采集单元还包括应变传感器14，应变传感器14与数据中转站2连接，云平台包括风险评估模块，风险评估模块的评估步骤如下：
S1、获取应变传感器测量的混凝土的变形值，获取温度传感器测量的温度值；
S2、根据公式(1)计算混凝土收缩相对变形值的当量温度：
Ty(t)＝εy(t)/α (1)
其中，Ty(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩当量温度，εy(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩引起的相对变形值，α为混凝土线性膨胀系数；
S3、根据公式(2)计算混凝土的里表温差：
ΔT1(t)＝Tm(t)-Tb(t) (2)
其中，ΔT1(t)为混凝土龄期为t时，混凝土的里表温差，Tm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土内的最高温度，Tb(t)为混凝土龄期为t时，混凝土内的表层温度；
S4、根据公式(3)计算混凝土的综合温降差：
Figure BDA0003007704280000061
其中，ΔT2(t)为混凝土龄期为t时，混凝土在降温过程中的总和温降，Tbm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土上表层温度，Tdm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土下表层温度，Ty(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩当量温度，Tw(t)为混凝土稳定温度；
S5、根据公式(4)和公式(5)计算混凝土中自约束拉应力：
Figure BDA0003007704280000062
ΔT1i(t)＝ΔT1(t)-ΔT1(t-j) (5)
其中，σz(t)为混凝土龄期为t时，混凝土因里表温差产生的自约束应力累计值，ΔT1i(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土里表温差增量，j为第i计算区间步长，单位为天，Ei(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土弹性模量，Hi(t，τ)为混凝土在龄期为τ时产生的约束应力，延续至t时的松弛系数，n为计算区段的数量；
S6、根据公式(6)和公式(7)计算混凝土中外约束拉应力：
Figure BDA0003007704280000063
ΔT2i(t)＝ΔT2(t-j)-ΔT2(t) (7)
其中，σx(t)为混凝土龄期为t时，混凝土因综合温降差产生的外约束拉应力，ΔT2i(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土综合温降差增量，μ为混凝土泊松比，L为混凝土浇筑体长度，H为混凝土浇注体厚度，Cx为外约束介质的水平变形刚度；
S7、判断ftk(t)/σz或ftk(t)/σx是否大于等于1.15，其中ftk(t)为混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值；
S8、若是，则判断混凝土存在开裂风险。
在上述步骤S1至步骤S6中，应变传感器14在混凝土浇筑时预埋在混凝土中，用于采集混凝土在各养护龄期时收缩引起的相对变形值，即得到εy(t)。若干温度传感器4设置在混凝土内，布置数量和布置位置参考《大体积混凝土施工标准》(GB 50496)，保证若干温度传感器4的布置点能够反映混凝土内部最高温升、里表温差及降温速率即可，以得到混凝土内的最高温度Tm(t)、混凝土的表层温度Tb(t)、混凝土的上表层温度Tbm(t)、混凝土的下表层温度Tdm(t)和混凝土的稳定温度Tw(t)。根据标准参考值确定混凝土泊松比，根据设计图纸确定混凝土浇筑体长度和混凝土浇注体厚度。在混凝土养护的过程中，数据中转站获取应变传感器采集到的相对变形值和温度传感器采集的温度值，并将相对变形值和温度值通过第一数据传输单元发送至云平台1，云平台1的风险评估模块接收到相对应变值和温度值后，根据上述公式进行计算分析，由于混凝土因含水量的编号自收缩，产生收缩应力，该收缩应力会根据混凝土的养护龄期的增长而逐步释放，在混凝土成长初期，尤其是混凝土浇筑后2-7天内，由于混凝土内所含的水分变化率较大，体积变化速度较快，混凝土的收缩率高，收缩应力大。因此在这种情况下，需要收缩应力的叠加处理，考虑收缩当量温度应力的影响，即考虑大体积混凝土内部的最高温度与最低温度变化。在根据公式(4)和公式(5)计算处混凝土中自约束拉应力以及根据公式(6)和公式(7)计算出混凝土中外约束拉应力之后，判断混凝土抗拉强度标准值与混凝土自约束应力的比值是否大于等于防裂安全系数，即ftk(t)/σz≥1.15是否成立，若是，则风险评估模块判断混凝土存在开裂的风险，风险评估模块发送信号至报警单元13，触发报警单元13，通过报警单元13发出警报提醒工作人员；或者判断混凝土抗拉强度标准值与混凝土外约束应力的比值是否大于等于防裂安全系数，即ftk(t)/σx≥1.15是否成立，若是，则风险评估模块判断混凝土存在开裂的风险，风险评估模块发送信号至报警单元13，触发报警单元13，通过报警单元13发出警报提醒工作人员。
在一实施例中，智能混凝土开裂控制系统还包括手持终端15，手持终端15与云平台1连接。工作人员可以通过手持终端15访问云平台1，使得工作人员可以随时随地查看混凝土的温湿度数据。同时该手持终端15可以接收报警单元13发送的报警信息。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：使用温度传感器4实时对混凝土的内部温度数据进行采集，使用温湿度传感器3实时对混凝土的环境温度和环境湿度数据进行采集，从而可以通过云平台1能够实时监测混凝土的内部温度、环境温度和湿度数据；当采集到的温度数据超过设置的温度阈值时，通过通水控制器9控制各流量调节阀10的开合度大小以调节冷却水流量，或控制各流量调节阀10的启动/关闭以调节冷却水流向，当采集到的湿度数据低于设置的湿度阈值时，通过养护控制器7控制养护机8开启，提高混凝土的养护湿度，从而有效控制混凝土的温度和湿度，有效降低混凝土开裂的情况。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种智能混凝土开裂控制系统，包括设置在混凝土中的若干冷却水管，其特征在于，还包括云平台、数据采集单元和温湿度控制单元，所述数据采集单元包括数据中转站、温湿度传感器和若干温度传感器，所述数据中转站分别与温湿度传感器和若干温度传感器连接，所述所述数据中转站通过第一数据传输单元与云平台连接，所述温湿度控制单元包括第二数据传输单元、养护控制器、养护机、通水控制器和若干流量调节阀，所述第二数据传输单元分别与养护控制器、通水控制器、第一数据传输单元和云平台连接，所述养护控制器与养护机连接，用于控制所述养护机的启动/关闭，所述若干流量调节阀与若干冷却水管一一对应，每个所述流量调节阀设置在对应的冷却水管内，所述通水控制器分别与若干流量调节阀连接，用于控制每个所述流量调节阀的启动/关闭和流量调节阀的开合度大小。
2.根据权利要求1所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，所述数据采集单元还包括若干流量计，所述若干流量计与若干冷却水管一一对应，每个所述流量计设置在对应的冷却水管上。
3.根据权利要求1所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元和云平台连接。
4.根据权利要求1所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，还包括报警单元，所述报警单元与云平台连接。
5.根据权利要求4所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，所述数据采集单元还包括应变传感器，所述应变传感器与数据中转站连接，所述云平台包括风险评估模块，所述风险评估模块的评估步骤如下：
获取所述应变传感器测量的混凝土的变形值，获取所述温度传感器测量的温度值；
根据公式(1)计算混凝土收缩相对变形值的当量温度：
Ty(t)＝εy(t)/α (1)
其中，Ty(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩当量温度，εy(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩引起的相对变形值，α为混凝土线性膨胀系数；
根据公式(2)计算混凝土的里表温差：
ΔT1(t)＝Tm(t)-Tb(t) (2)
其中，ΔT1(t)为混凝土龄期为t时，混凝土的里表温差，Tm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土内的最高温度，Tb(t)为混凝土龄期为t时，混凝土内的表层温度；
根据公式(3)计算混凝土的综合温降差：
Figure FDA0003007704270000021
其中，ΔT2(t)为混凝土龄期为t时，混凝土在降温过程中的总和温降，Tbm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土上表层温度，Tdm(t)为混凝土龄期为t时，混凝土下表层温度，Ty(t)为混凝土龄期为t时，混凝土收缩当量温度，Tw(t)为混凝土稳定温度；
根据公式(4)和公式(5)计算混凝土中自约束拉应力：
Figure FDA0003007704270000022
ΔT1i(t)＝ΔT1(t)-ΔT1(t-j) (5)
其中，σz(t)为混凝土龄期为t时，混凝土因里表温差产生的自约束应力累计值，ΔT1i(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土里表温差增量，j为第i计算区间步长，单位为天，Ei(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土弹性模量，Hi(t，τ)为混凝土在龄期为τ时产生的约束应力，延续至t时的松弛系数，n为计算区段的数量；
根据公式(6)和公式(7)计算混凝土中外约束拉应力：
Figure FDA0003007704270000023
ΔT2i(t)＝ΔT2(t-j)-ΔT2(t) (7)
其中，σx(t)为混凝土龄期为t时，混凝土因综合温降差产生的外约束拉应力，ΔT2i(t)为混凝土龄期为t时，第i计算区段混凝土综合温降差增量，μ为混凝土泊松比，L为混凝土浇筑体长度，H为混凝土浇注体厚度，Cx为外约束介质的水平变形刚度；
判断ftk(t)/σz或ftk(t)/σx是否大于等于1.15，其中ftk(t)为混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值；
若是，则判断混凝土存在开裂风险。
6.根据权利要求1所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，还包括手持终端，所述手持终端与云平台连接。
7.根据权利要求1所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，所述云平台连接有太阳能供电装置。
8.根据权利要求1所述的智能混凝土开裂控制系统，其特征在于，所述云平台包括数据库模块、通信模块和数据处理模块。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113342088A (zh) * 2021-08-06 2021-09-03 成都建工第五建筑工程有限公司 温控云平台以及用户端的界面设置方法
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