CN114019149A - 混凝土等效龄期实时无损监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了混凝土等效龄期实时无损监测系统，属于建筑工程领域；包括现场设备安装子系统、数据采集传输子系统、室内试验标定子系统、实时数据分析及预测子系统、实时预控和报警子系统，可以实现对结构混凝土等效龄期的智能实时监测和混凝土强度弹性模量的提前预测，尤其能够解决传统监测手段需要预埋或破坏混凝土的缺点，同时还能解决单一监测手段误差大、精度低的缺点，可以解决传统监测手段无法提前预测混凝土强度、弹性模量、养护时间和拆模时间的问题，可以解决传统监测手段监测效率低、监测信息应用不及时等问题。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程领域，具体是混凝土等效龄期实时无损监测系统。
背景技术
随着城市建设的不断发展，对工程建设进度的要求越来越高。在保证工程质量的前提下尽可能加快施工进度对工程建设无疑是十分重要的。对于混凝土结构而言，这就涉及到混凝土结构强度和混凝土龄期的监测和预测问题。
目前，对现场混凝土结构强度一般采用拆模后回弹法测量的方法，而拆模之前的混凝土强度和龄期一般是结合经验确定。显然，拆模后测出的混凝土强度对拆模时机的确定不能起到直接的指导作用，只有在混凝土终凝后就可以实时预测混凝土强度才能对拆模时机起到指导作用，才能对可能存在的混凝土强度不足问题做出提前预警。为了实现对混凝土强度弹性模量的实时测量，传统方法往往需要在混凝土中进行预埋测量元件或者破坏混凝土结构。此外传统方法监测手段单一、无法保证监测精度，最主要的是传统方法只能实现混凝土强度的事后测量，不能实现凝土强度、弹性模量、养护时间和拆模时间的提前预测，无法提前对现场施工做出有效规划和提高施工进度。传统监测手段还存在监测效率低、监测信息应用不及时等问题。
考虑到有效龄期和混凝土强度和弹性模量之间存在一一对应的函数关系，本发明采用无损的超声波监测法、高频电磁波雷达监测法实现对混凝土结构的实时等效龄期监测，结合施工现场养护环境温度监测实现对混凝土结构的未来时间段的等效龄期预测，进而实现混凝土强度和弹性模量的实时监测和预测，为现场混凝土拆模工作、混凝土质量预测工作提供先瞻性的指导作用，从而在保证工程混凝土质量的前提下加快混凝土施工进度。
为此，提出混凝土等效龄期实时无损监测系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出混凝土等效龄期实时无损监测系统。
混凝土等效龄期实时无损监测系统，包括现场设备安装子系统、数据采集传输子系统、室内试验标定子系统、实时数据分析及预测子系统、实时预控和报警子系统五个子系统；
其中，所述现场设备安装子系统用于对施工现场需要用到的设备进行安装，具体的，施工现场需要用到的设备包括结构混凝土超声波监测装置、结构混凝土高频电磁波雷达监测装置和环境温度监测装置；
所述结构混凝土超声波监测装置用于对混凝土超声波波速进行实时监测；所述结构混凝土高频电磁波雷达监测装置用于对混凝土相对介电常数进行实时监测；所述环境温度监测装置用于对结构混凝土所处环境温度进行实时监测；
所述数据采集传输子系统包括高速多通道数据采集装置、5G高速移动传输装置以及外接采集装置；
所述高速多通道数据采集装置与现场设备安装子系统内的结构混凝土超声波监测装置、结构混凝土高频电磁波雷达监测装置和环境温度监测装置相连，用于直接获取混凝土超声波波速、相对介电常数以及结构混凝土所处环境温度；所述高速多通道数据采集装置与5G高速移动传输装置电连接，将获取的混凝土超声波波速、相对介电常数以及结构混凝土所处环境温度通过5G高速移动传输装置发送至实时数据分析及预测子系统；
其中，所述外接采集装置与外部互联网相连接，用于通过互联网连接国家气象局进而获取未来T周期内的温度数据，其中T周期的时长由混凝土等效龄期实时无损监测系统控制设置，一般取一周时间；并将获取得到的T周期内的温度数据通过5G高速移动传输装置发送至实时数据分析及预测子系统；
所述室内试验标定子系统与数据采集传输子系统相连接，通过采用与施工现场完全相同配比的混凝土做多组不同龄期的试验，通过试验获取超声波波速与等效龄期的函数关系、相对介电常数与等效龄期的函数关系、等效龄期与混凝土强度的函数关系以及等效龄期与混凝土弹性模量的函数关系；并将室内试验标定子系统获取的超声波波速与等效龄期的函数关系、相对介电常数与等效龄期的函数关系、等效龄期与混凝土强度的函数关系以及等效龄期与混凝土弹性模量的函数关系发送至实时数据分析及预测子系统；
所述实时数据分析及预测子系统包括混凝土强度分析及预测单元、混凝土弹性模量分析及预测单元、混凝土养护时间分析及预测单元以及混凝土拆模时机分析及预测单元；
其中，混凝土强度分析及预测单元、混凝土弹性模量分析及预测单元、混凝土养护时间分析及预测单元以及混凝土拆模时机分析及预测单元用于接收室内试验标定子系统发送的超声波波速与等效龄期的函数关系、相对介电常数与等效龄期的函数关系、等效龄期与混凝土强度的函数关系以及等效龄期与混凝土弹性模量的函数关系并结合现场设备安装子系统发送的混凝土超声波波速、相对介电常数、结构混凝土所处环境温度和未来T周期内的温度数据进而计算出现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间以及达到拆模强度需要的时间，并将现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间以及达到拆模强度需要的时间发送至实时预控和报警子系统；
所述实时预控和报警子系统包括现场LED显示屏、现场报警器以及智能终端；
所述现场LED显示屏用于将现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间以及达到拆模强度需要的时间进行智能显示；
所述现场报警器用于到达相应的养护时间以及拆模时间进行报警提示，所述现场报警器与智能终端相连接，当现场报警器进行报警提示时，工作人员的智能终端会收到同样的提示信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用无损的超声波监测器、高频电磁波雷达监测器和环境温度监测器实现超声波波速、相对介电常数、温度数据的采集从而间接对混凝土的等效龄期进行实时监测和预测。相较传统方法，不依赖于个人经验，不需要破坏混凝土结构，无需在混凝土中预埋器件。
2.本发明同时采用超声波波速、相对介电常数和现场温度进行混凝土等效龄期的实时监测，三种方法互为验证，能够解决单一监测手段误差大、精度低的缺点。
3.本发明结合未来一段时间工程所在地的温度实现混凝土等效龄期的预测，从而实现混凝土强度、弹性模量、养护时间和拆模时间的预测，解决了传统监测手段无法提前预测混凝土强度、弹性模量、养护时间和拆模时间的问题，为现场混凝土施工管理工作赢得了更多筹划准备时间。
4.本发明是一套自动化的混凝土等效龄期实时无损预测监测系统，现场管理人员只需关注现场LED显示屏、现场报警器解或自己智能手机即可，管理劳动强度很低。而且该系统解决了传统监测手段监测效率低、监测信息应用不及时的问题。
5.本发明系统可以在不同楼层进行重复使用，也可以在不同工程项目重复使用。总系统是由各分系统组成的，一旦出现功能故障，只需对分系统调试即可，维护和使用均较为方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明混凝土等效龄期实时无损监测系统的原理图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，混凝土等效龄期实时无损监测系统，包括现场设备安装子系统、数据采集传输子系统、室内试验标定子系统、实时数据分析及预测子系统、实时预控和报警子系统五个子系统；
现场混凝土结构安装超声波监测器、高频电磁波雷达监测器和环境温度监测器，采集到的超声波波速、相对介电常数、温度数据通过数据采集传输子系统传入实时数据分析及预测子系统，通过采用与现场完全相同配比的混凝土做多组不同龄期的试验，从而建立超声波波速与等效龄期的函数关系、相对介电常数与等效龄期的函数关系、等效龄期与混凝土强度的函数关系、等效龄期与混凝土弹性模量的函数关系，将这些函数关系传入实时数据分析及预测子系统，实时数据分析及预测子系统即可以实时给出现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间、达到拆模强度需要的时间等，最后将这些信息实时传入实时预控和报警子系统；本发明可以实现对结构混凝土等效龄期的智能实时监测和混凝土强度弹性模量的提前预测，尤其能够解决传统监测手段需要预埋或破坏混凝土的缺点，同时还能解决单一监测手段误差大、精度低的缺点，可以解决传统监测手段无法提前预测混凝土强度、弹性模量、养护时间和拆模时间的问题，可以解决传统监测手段监测效率低、监测信息应用不及时等问题。
现场设备安装子系统主要包括结构混凝土超声波监测装置、结构混凝土高频电磁波雷达监测装置和环境温度监测装置。超声波监测装置可以实现对混凝土超声波波速的实时监测，高频电磁波雷达监测装置可以实现对混凝土相对介电常数的实时监测，环境温度监测装置可以实现对结构混凝土所处环境温度的实时监测。
数据采集传输子系统包括未来一段时间(如一周的)的温度数据、高速多通道数据采集装置、5G高速移动传输装置。从国家气象局获得的工程所在地未来一段时间的温度数据、现场设备安装子系统采集到的超声波波速、相对介电常数、环境温度数据通过高速多通道数据采集装置经过5G高速移动传输装置传输至实时数据分析及预测子系统。
通过室内试验标定子系统可以拟合出超声波波速与等效龄期函数关系、相对介电常数与等效龄期函数关系、等效龄期与混凝土强度函数关系、等效龄期与混凝土弹性模量函数关系。
等效龄期te可以根据下式进行计算
其中，t0为终凝时间(d)；T为随时间t变化的温度(K)；Tr为对比温度，可以取为常数-253.15K；Ea为水泥混凝土的表观活化能(kJ/mol)；R为气体常数(kJ/mol/K)；Ea/R可以取为常数4000K。
超声波波速v与等效龄期te函数关系可以表达为
相对介电常数μ与等效龄期te函数关系可以表达为
等效龄期te与混凝土强度S函数关系可以表达为
等效龄期te与混凝土弹性模量E函数关系可以表达为
其中，τv、τμ、τS、τE分别为与超声波波速、相对介电常数、混凝土强度、混凝土弹性模量相对应的时间归一化参数，可以通过函数拟合确定；αv、αμ、αS、αE分别为与超声波波速、相对介电常数、混凝土强度、混凝土弹性模量相对应的拟合优度常数；vu、μu、Su、Eu分别为极限超声波波速、极限相对介电常数、极限混凝土强度、极限混凝土弹性模量，可以通过函数拟合确定。
然后将四个函数关系传入实时数据分析及预测子系统。
实时数据分析及预测子系统主要包括混凝土强度分析及预测、混凝土弹性模量分析及预测、混凝土养护时间分析及预测、混凝土拆模时机分析及预测。实时数据分析及预测子系统接收到数据采集传输子系统传输的超声波波速和室内试验标定子系统传输的超声波波速与等效龄期函数关系，即可以计算得出与超声波波速相对应的等效龄期；进而根据室内试验标定系统传输的等效龄期与混凝土强度函数关系、等效龄期与混凝土弹性模量函数关系得出对应的混凝土强度和弹性模量。实时数据分析及预测系统接收到数据采集传输系统传输的相对介电常数和室内试验标定系统传输的相对介电常数与等效龄期函数关系，即可以计算得出与相对介电常数相对应的等效龄期，进而根据室内试验标定系统传输的等效龄期与混凝土强度函数关系、等效龄期与混凝土弹性模量函数关系得出对应的混凝土强度和弹性模量。实时数据分析及预测系统接收到数据采集传输系统传输的实时温度数据即可以计算得出等效龄期，进而根据室内试验标定系统传输的等效龄期与混凝土强度函数关系、等效龄期与混凝土弹性模量函数关系得出对应的混凝土强度和弹性模量。三种计算方法得出的混凝土强度可以进行相互验证，三种计算方法得出的混凝土弹性模量也可以进行相互验证，同时可以根据工程需要选择采用较大值、较小值、中间值或平均值。
实时数据分析及预测系统得出的过去及未来一段时间(如7d)的混凝土强度和弹性模量随时间的变化、混凝土养护时间、混凝土拆模时间通过5G高速移动传输装置传输给实时预控及报警子系统，通过现场LED显式屏、管理人员智能手机实现直观展示。当距离混凝土养护时间和混凝土拆模时间有较长时间(如大于3天)时，现场报警器一直处于报警红灯状态；当距离混凝土养护时间和混凝土拆模时间较短(如小于3天大于0天)时，现场报警器处于黄灯状态；当达到混凝土养护时间和混凝土拆模时间时，现场报警器解除警报，处于绿灯状态，从而便于项目部提前做出安排。
所述实时预控和报警子系统包括现场LED显示屏、现场报警器以及智能终端；
所述现场LED显示屏用于将现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间以及达到拆模强度需要的时间进行智能显示；
所述现场报警器用于到达相应的养护时间以及拆模时间进行报警提示，所述现场报警器与智能终端相连接，当现场报警器进行报警提示时，工作人员的智能终端会收到同样的提示信息。
本发明优选的实施例：
(1)室内标定：根据工程结构设计文件确定现场施工所需混凝土的标号和配比。在实验室内配置同标号同配比的混凝土标准试块若干。将试块分成3组，每组6块，第1组置于5℃恒温环境中，第2组置于15℃恒温环境中，第3组置于25℃恒温环境中，每组中6块试件分别养护1d、3d、7d、14d、28d、56d后测其超声波波速、相对介电常数、强度和弹性模量并做记录，同时记录相应的养护温度和养护时间。室内试验完成后将养护温度、养护时间、超声波波速、相对介电常数、强度和弹性模量输入室内试验标定系统即可以自动得出超声波波速与等效龄期函数关系、相对介电常数与等效龄期函数关系、等效龄期与混凝土强度函数关系、等效龄期与混凝土弹性模量函数关系。
(2)现场设备安装：选择对现场施工影响小的混凝土结构关键部位安装超声波检测仪、高频电磁波雷达探测仪、温度监测仪、高速多通道数据采集装置、5G高速移动传输装置，在现场合适位置安装LED显示屏和报警器。
(3)现场各设备系统连接及调试：将超声波检测仪、高频电磁波雷达探测仪、温度监测仪与高速多通道数据采集装置相连，未来一段时间的温度采集器与高速多通道数据采集装置相连，高速多通道数据采集装置与5G高速移动传输装置相连，室内试验标定子系统、数据采集传输子系统与实时数据分析及预测子系统相连，实时数据分析及预测子系统通过5G高速移动传输装置与现场LED显示屏、现场报警器、管理人员智能手机相连。全部连接完成后进行系统调试保证系统能正常工作。
(4)系统运行及监控预测：在混凝土终凝结后，系统开始运行。实时数据分析及预测子系统实时通过LED显示屏和现场管理人员智能手机展现过去和未来一段时间(如7d)的混凝土结构的强度、弹性模量随时间的变化，显示达到特定强度还需要的时间，显示达到拆模强度还需要的时间。当距离达到拆模强度还需要的时间较长(如大于3天)时，现场报警器一直处于报警红灯状态；当距离达到拆模强度还需要的时间较短(如小于3天大于0天)时，现场报警器处于黄灯状态；当达到拆模强度时，现场报警器解除警报处于绿灯状态。现场管理人员通过查看LED显示屏幕或智能手机或现场报警器即可以提前1～3天安排拆模人员准备拆模并且筹划下层模板支设和混凝土浇筑。
(5)系统拆除重复利用：随着建筑的逐层施工，该套系统可以在本层使用完毕后拆除安装在下一层结构进行重复使用。在本工程使用完毕后可以转场到其他工程进行使用。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。
此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (8)
1.混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，包括：
现场设备安装子系统，用于对施工现场需要用到的设备进行安装，其中，施工现场需要用到的设备包括结构混凝土超声波监测装置、结构混凝土高频电磁波雷达监测装置和环境温度监测装置；
数据采集传输子系统，与现场设备安装子系统无线连接，并采集现场设备安装子系统的数据传输至实时数据分析及预测子系统；
室内试验标定子系统，与数据采集传输子系统无线连接，采用与施工现场完全相同配比的混凝土做多组不同龄期的试验，并将试验得出的函数关系发送至实时数据分析及预测子系统；
实时数据分析及预测子系统，接收室内试验标定子系统发送的函数关系与数据采集传输子系统发送的采集数据，分析得出预控以及预警数据并发送至实时预控和报警子系统；
实时预控和报警子系统，接收预控以及预警数据并进行预控和预警。
2.根据权利要求1所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，所述结构混凝土超声波监测装置用于对混凝土超声波波速进行实时监测；所述结构混凝土高频电磁波雷达监测装置用于对混凝土相对介电常数进行实时监测；所述环境温度监测装置用于对结构混凝土所处环境温度进行实时监测。
3.根据权利要求1所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，所述数据采集传输子系统包括高速多通道数据采集装置、5G高速移动传输装置以及外接采集装置；
所述外接采集装置与外部互联网相连接，用于获取未来T周期内的温度数据。
4.根据权利要求3所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，T周期的时长由混凝土等效龄期实时无损监测系统控制设置。
5.根据权利要求1所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，所述函数关系包括超声波波速与等效龄期的函数关系、相对介电常数与等效龄期的函数关系、等效龄期与混凝土强度的函数关系以及等效龄期与混凝土弹性模量的函数关系；
等效龄期te可以根据下式进行计算
其中，t0为终凝时间(d)；T为随时间t变化的温度(K)；Tr为对比温度，可以取为常数-253.15K；Ea为水泥混凝土的表观活化能(kJ/mol)；R为气体常数(kJ/mol/K)；Ea/R可以取为常数4000K；
超声波波速v与等效龄期te函数关系可以表达为
相对介电常数μ与等效龄期te函数关系可以表达为
等效龄期te与混凝土强度S函数关系可以表达为
等效龄期te与混凝土弹性模量E函数关系可以表达为
其中，τv、τμ、τS、τE分别为与超声波波速、相对介电常数、混凝土强度、混凝土弹性模量相对应的时间归一化参数，可以通过函数拟合确定；αv、αμ、αS、αE分别为与超声波波速、相对介电常数、混凝土强度、混凝土弹性模量相对应的拟合优度常数；vu、μu、Su、Eu分别为极限超声波波速、极限相对介电常数、极限混凝土强度、极限混凝土弹性模量，通过函数拟合确定。
6.根据权利要求1所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，所述预控以及预警数据包括现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间以及达到拆模强度需要的时间。
7.根据权利要求1所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，所述实时预控和报警子系统包括现场LED显示屏、现场报警器以及智能终端。
8.根据权利要求7所述的混凝土等效龄期实时无损监测系统，其特征在于，所述现场LED显示屏用于将现场混凝土结构的强度、弹性模量、达到特定强度需要的养护时间以及达到拆模强度需要的时间进行智能显示；
所述现场报警器用于到达相应的养护时间以及拆模时间进行报警提示，所述现场报警器与智能终端相连接，当现场报警器进行报警提示时，工作人员的智能终端收到提示信息。
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