CN117428912B - 一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法及装置，其中方法以多物理场数值模拟的方法确定最优蒸汽养护姿态、温度、湿度、时间、升降温速率等参数，其中装置包括蒸汽发生器、流量调节器、湿度传感器、温度传感器、蒸汽喷嘴、轨道、集水沟和养护室等，能够进行高效蒸汽养护。与现有技术相比，本发明可实现对挡土墙一类中大折线型预制构件的养护，通过精确的湿度和温度控制，提高混凝土的质量和强度发展，同时节省人力和时间成本，提高施工效率。此外，本发明通过在养护装置中设置集水沟，可将冷凝水回收，可实现水资源循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域和混凝土材料加工技术领域，尤其涉及一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法及装置。
背景技术
混凝土养护是指在混凝土施工完成后，为了使混凝土达到设计强度和耐久性要求，采取一系列措施来保持混凝土的湿度、温度和环境条件的过程。混凝土养护一般可分为标准养护和蒸汽养护。标准养护是指在温度20±2℃，湿度不低于95％的条件下养护28天。标准养护方法虽然简单，但仍然是一种有效的养护手段，可以保证挡土墙混凝土的强度和耐久性。然而，标准养护方法存在一些不足，如无法实现恒定的湿润度、受环境条件限制等。因此，在实际工程中，工程师们往往根据具体情况选择蒸汽养护等更高级的养护技术来提高混凝土的养护效果。
蒸汽养护是一种高级的混凝土养护方法，通过使用蒸汽加热设备，将蒸汽加热到一定温度，将其直接施加在混凝土表面，以提供恒定的湿润度和温度，加快混凝土的水化反应和强度发展。蒸汽养护可以有效控制混凝土的水分蒸发速度，避免过早干燥和开裂的问题，同时提供适宜的温度环境，促进混凝土的早期强度发展，提高混凝土的质量和耐久性。目前，挡土墙蒸汽养护的养护参数一般是基于先前预制线性构件(如梁、柱)等的养护参数选取的，但是由于挡土墙等自身非线性结构的影响，其蒸汽养护效果与线性构件有一定的差异；或者是进行大量的现场试验选取合适的养护参数，但是这个过程不仅时间较长，而且成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出的一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法及装置，可以快速确定挡土墙一类中大折线型构件的最优蒸汽养护参数，在一定程度上提高挡土墙受热效果和蒸汽养护效率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，包括以下步骤：
对装配式混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟，得到数值模拟参数；
通过现场试验修正所述数值模拟参数，得到最优蒸汽参数；
采用所述最优蒸汽参数，在养护装置中对装配式混凝土挡土墙预制构件进行蒸汽养护；其中，所述养护装置包括多个传感器；
通过智能化控制系统实现对蒸汽养护过程的自动化控制，根据预设的蒸汽养护要求和所述养护装置中的传感器数据，自动调节蒸汽参数；
利用数据采集和分析技术，对养护过程中的数据进行处理和分析，并建立养护过程的模型和规律，优化所述最优蒸汽参数；
验证混凝土挡土墙预制构件在蒸汽养护结束后是否能达到预设的脱模强度，若是，则记录优化后的最优蒸汽参数，并进行脱模。
作为本发明的进一步方案，所述对装配式混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟具体包括以下步骤：
在有限元软件中根据挡土墙形状、尺寸和材料属性以及养护装置的养护室形状和尺寸，创建几何模型；
选择适当的物理场模块，根据数值模拟要求，设置相应的边界条件和初始条件；
根据蒸汽养护要求，设置蒸汽养护参数；
运行模拟，计算得到装配式混凝土挡土墙预制构件在蒸汽养护条件下的温度、湿度和抗压强度分布和变化；
对模拟结果进行分析和评估，分析所述温度、湿度和抗压强度的变化趋势，判断所述蒸汽养护参数对装配式混凝土挡土墙预制构件的影响，并优化蒸汽养护方案；
基于分析结果，得到最优的数值模拟参数。
作为本发明的进一步方案，所述多物理场数值模拟的传热方程为：
式中：ρ为水蒸气的密度；Cp为水蒸气恒压下的比热容；T为绝对温度；u为速度矢量；q为传导热通量；qr为辐射热通量；αp为热膨胀系数；p为压力；τ为粘性应力张量；Q为包含粘性耗散以外的热源。
作为本发明的进一步方案，所述最优蒸汽参数包括养护姿态、养护温度、养护湿度、养护时间及养护装置的升降温速率。
作为本发明的进一步方案，所述养护装置的升降温速率在每小时5-10℃以内。
作为本发明的进一步方案，所述养护装置中包括温度传感器及湿度传感器。
一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护装置，适用于如上所述的一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，包括蒸汽发生器、流量调节器、湿度传感器、温度传感器、蒸汽喷嘴、轨道、集水沟及养护室；
所述蒸汽发生器通过管道于养护室相连，用于向养护室内输送蒸汽；
所述流量调节器、湿度传感器、温度传感器、蒸汽喷嘴、轨道及集水沟均设于养护室内；
所述湿度传感器、温度传感器及蒸汽喷嘴均设有多个；
所述流量调节器用于调节大幅度的蒸汽输送流量；
所述湿度传感器用于实时监测所述养护室的湿度，所述温度传感器用于实时监测所述养护室的温度；
所述蒸汽喷嘴用于调节小幅度的蒸汽输送流量；
所述轨道用于将装配式混凝土挡土墙预制构件移入养护室；
所述集水沟用于回收蒸汽产生的冷凝水。
作为本发明的进一步方案，该装置连接有智能化控制系统，智能化控制系统用于接收所述温度传感器与湿度传感器实时监测得到的养护室的湿度和温度，智能化控制系统会根据预设的养护方案，自动调节蒸汽喷嘴的工作数量、流量调节器的幅度以及蒸汽发生器的工作功率，以便控制蒸汽的供应量和温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明相对于标准养护方法，可提供恒定的湿度和温度，加快混凝土的水化反应和强度发展，使混凝土更快达到脱模强度；同时能够有效控制水分蒸发速度，避免混凝土过早干燥和开裂的问题，提高混凝土的质量和耐久性。
2、本发明考虑到挡土墙自身非线性结构的影响，相比传统蒸汽养护，可实现对挡土墙一类中大折线型预制构件的养护，提高挡土墙受热效果和蒸汽养护效率。
3、本发明中养护装置连接有蒸汽养护智能化控制系统，可通过温湿度传感器反馈机制实现精确的湿度和温度控制，提高混凝土的质量和强度发展，同时节省人力和时间成本，提高施工效率。
4、本发明通过在养护装置中设置集水沟，可将冷凝水回收，可实现水资源循环利用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明确定最优蒸汽养护参数的实施流程图。
图2为本发明实施例中的蒸汽养护流程图。
图3为本发明装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护装置的结构示意图。
图4为本发明实施例中的多物理场数值模拟示意图。
图5为本发明实施例中的多物理场数值模拟网格划分图。
图6为本发明实施例中挡土墙正放时多物理场数值模拟温度场计算结果图。
图7为本发明实施例中挡土墙斜放时多物理场数值模拟温度场计算结果图。
图8为本发明实施例中挡土墙倒放时多物理场数值模拟温度场计算结果图。
图9为本发明实施例中不同养护温度下的挡土墙混凝土强度图。
图10为本发明实施例中不同养护时间下的挡土墙混凝土强度图。
附图中各标号的含义为：
1-蒸汽发生器；2-流量调节器；3-湿度传感器；4-温度传感器；5-蒸汽喷嘴；6-轨道；7-集水沟；8-养护室；9-挡土墙构件。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。
请参考图1-图10，一较佳实施例中，一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，包括以下步骤：
对装配式混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟，得到数值模拟参数；
通过现场试验修正数值模拟参数，得到最优蒸汽参数；
采用最优蒸汽参数，在养护装置中对装配式混凝土挡土墙预制构件进行蒸汽养护；其中，养护装置包括多个传感器；
通过智能化控制系统实现对蒸汽养护过程的自动化控制，根据预设的蒸汽养护要求和养护装置中的传感器数据，自动调节蒸汽参数；
利用数据采集和分析技术，对养护过程中的数据进行处理和分析，并建立养护过程的模型和规律，优化最优蒸汽参数；
验证混凝土挡土墙预制构件在蒸汽养护结束后是否能达到预设的脱模强度，若是，则记录优化后的最优蒸汽参数，并进行脱模。
如图1所示，具体而言，多物理场数值模拟包括以下步骤：
步骤一：在有限元软件中根据挡土墙形状、尺寸和材料属性以及养护室8形状和尺寸创建一个适当的几何模型。
步骤二：选择适当的物理场模块，如热传导和湿度传输模块。根据数值模拟要求，设置相应的边界条件和初始条件。
步骤三：根据蒸汽养护要求，设置蒸汽养护参数，如最优蒸汽养护姿态(正放、倒放、斜放)、温度、湿度、时间、升降温速率。为了提高数值模拟效率，可设计正交试验予以辅助。
步骤四：运行模拟，计算得到挡土墙在蒸汽养护条件下的温度、湿度和抗压强度分布和变化。
步骤五：对模拟结果进行分析和评估。分析温度、湿度和抗压强度的变化趋势，判断蒸汽养护参数对挡土墙的影响，并优化蒸汽养护方案。
步骤六：根据分析结果，选取最优的蒸汽养护参数，如最优蒸汽养护姿态(正放、倒放、斜放)、温度、湿度、时间和升降温速率，以确保预期的蒸汽养护效果。
步骤七：通过现场试验验证所选的最优蒸汽养护参数是否使混凝土构件在蒸汽养护结束后达到脱模强度。
挡土墙预制构件的蒸汽养护采用流体传热理论，本实施例中，多物理场数值模拟的传热方程如下：
式中：ρ为水蒸气的密度，kg/m3；Cp为水蒸气恒压下的比热容，J/(kg·K)；T为绝对温度，K；u为速度矢量，m/s；q为传导热通量，W/㎡；qr为辐射热通量，W/㎡；αp为热膨胀系数，1/K，对于理想气体，热膨胀系数采用αp＝1/T；p为压力，Pa；τ为粘性应力张量，Pa；Q为包含粘性耗散以外的热源，W/m3；
上述方程右侧的第一项：
为压力变化所做的功，是绝热压缩下加热以及一些热声效应的结果。对于低马赫数的流量，它通常很小。第二项表示流体中的粘性耗散。
如图3所示，为本发明提供的一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护装置的结构示意图，该装置适用于如上所述的一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，包括蒸汽发生器1、流量调节器2、湿度传感器3、温度传感器4、蒸汽喷嘴5、轨道6、集水沟7及养护室8。
蒸汽发生器1通过管道于养护室8相连，用于向养护室8内输送蒸汽；流量调节器2、湿度传感器3、温度传感器4、蒸汽喷嘴5、轨道6及集水沟7均设于养护室8内；湿度传感器3、温度传感器4及蒸汽喷嘴5均设有多个；流量调节器2用于调节大幅度的蒸汽输送流量；湿度传感器3用于实时监测养护室8的湿度，温度传感器4用于实时监测养护室8的温度；蒸汽喷嘴5用于调节小幅度的蒸汽输送流量；轨道6用于将装配式混凝土挡土墙预制构件移入养护室8；集水沟7用于回收蒸汽产生的冷凝水。
如图2-图5所示，本实施例中，装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护包括以下步骤：
步骤一：将混凝土均匀浇筑到模板内振捣并静养。
步骤二：待静养结束后，通过轨道6将挡土墙构件9移入养护室8，并将养护室8密封。启动蒸汽养护智能化系统对设备进行自检，确保设备处于正常运行状态。
步骤三：开始输送水蒸气至养护室8且温度速率变化不大于5-10℃/h。待温度和湿度达到指定要求后，保持恒温、恒湿养护。蒸汽养护智能化控制系统通过温度传感器4与湿度传感器3动态实时监测养护室8的湿度和温度，并将数据反馈给控制器。控制器会根据预设的养护方案，自动调节蒸汽喷嘴5的工作数量、流量调节器2的幅度以及蒸汽发生器1的工作功率以便控制蒸汽的供应量和温度，使之到设定的湿度和温度要求。其中流量调节器)用来调节大幅度的蒸汽输送流量；蒸汽喷嘴5用来调节小幅度的蒸汽输送流量；两者结合，可精确控制温度和湿度。
步骤四：养护结束时，同样采取步骤三的方法减缓降温阶段温度和湿度的变化，并将冷凝水通过集水沟7回收，节约水资源。
综上所述，本发明提供了一种快速确定挡土墙一类中大折线型构件的最优蒸汽养护参数的方法。
首先，利用有限元软件对混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟，以确定不同条件下的蒸养效果。如图6-图8所示，为本实施例中挡土墙正放、斜放、倒放时多物理场数值模拟温度场计算结果图，在此三种挡土墙放置方式下，最高温均集中在挡土墙的四角处，最低温均集中在挡土墙的中心处，
然后，结合现场试验在已定养护时间及湿度条件下，观测不同养护温度下混凝土的强度值；再通过已定养护温度及湿度下，观测不同养护时间下混凝土的强度值。根据试验数据，验证数模有效性，最终确定蒸养指标。基于本发明获得的不同养护温度与湿度条件下的蒸养效果，具体见下表1、表2和图9、图10所示。
表1不同养护温度下的挡土墙混凝土蒸养效果
表2不同蒸养过程下的挡土墙混凝土强度
基于以上现场试验结果，本实施例给出了静养2h，湿度≥90％，蒸汽养护时间5-7h范围内挡土墙预制构件混凝土强度与养护温度之间的拟合关系式为：
y＝43.06-2683.79×0.89°
式中：y是挡土墙混凝土强度，MPa；x是养护温度，℃。该拟合关系式的相关系数为0.97。
本发明的使用原理如下：
一方面利用有限元软件对装配式混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟，确定其最优蒸汽养护姿态(正放、倒放、斜放)、温度、湿度、时间、升降温速率等参数。然后通过蒸汽养护，控制混凝土养护的温度和湿度，使其在养护期间保持一定的湿度，防止水分的过早蒸发和混凝土表面的干燥，从而促进混凝土的强度发展和耐久性提升。
另一方面通过蒸汽养护智能化控制系统实现湿度和温度的精确控制。系统中的传感器会监测养护室的湿度和温度，并将数据反馈给控制器。控制器会根据预设的养护方案，自动调节蒸汽发生器的输出，控制蒸汽的供应量和温度，以达到设定的湿度和温度要求。同时，系统还可以远程监控和记录养护过程中的数据，为施工管理和质量控制提供便利。这样的智能化蒸汽养护系统能够提高养护效果和施工效率，确保混凝土的质量和强度发展。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
Claims (6)
1.一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，其特征在于，包括以下步骤：
对装配式混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟，得到数值模拟参数；
通过现场试验修正所述数值模拟参数，得到最优蒸汽参数；
采用所述最优蒸汽参数，在养护装置中对装配式混凝土挡土墙预制构件进行蒸汽养护；其中，所述养护装置包括多个传感器；
通过智能化控制系统实现对蒸汽养护过程的自动化控制，根据预设的蒸汽养护要求和所述养护装置中的传感器数据，自动调节蒸汽参数；
利用数据采集和分析技术，对养护过程中的数据进行处理和分析，并建立养护过程的模型和规律，优化所述最优蒸汽参数；
验证混凝土挡土墙预制构件在蒸汽养护结束后是否能达到预设的脱模强度，若是，则记录优化后的最优蒸汽参数，并进行脱模；
所述对装配式混凝土挡土墙预制构件进行多物理场数值模拟具体包括以下步骤：在有限元软件中根据挡土墙形状、尺寸和材料属性以及养护装置的养护室形状和尺寸，创建几何模型；
选择适当的物理场模块，根据数值模拟要求，设置相应的边界条件和初始条件；根据蒸汽养护要求，设置蒸汽养护参数；
运行模拟，计算得到装配式混凝土挡土墙预制构件在蒸汽养护条件下的温度、湿度和抗压强度分布和变化；
对模拟结果进行分析和评估，分析所述温度、湿度和抗压强度的变化趋势，判断所述蒸汽养护参数对装配式混凝土挡土墙预制构件的影响，并优化蒸汽养护方案；基于分析结果，得到最优的数值模拟参数；
所述多物理场数值模拟的传热方程为：
式中：ρ为水蒸气的密度；Cp为水蒸气恒压下的比热容；T为绝对温度；u为速度矢量；q为传导热通量；qr为辐射热通量；αp为热膨胀系数；p为压力；τ为粘性应力张量；Q为包含粘性耗散以外的热源。
2.根据权利要求1所述的装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，其特征在于，所述蒸汽参数包括养护姿态、养护温度、养护湿度、养护时间及养护装置的升降温速率。
3.根据权利要求2所述的装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，其特征在于，所述养护装置的升降温速率在每小时5-10℃以内。
4.根据权利要求1所述的装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，其特征在于，所述养护装置中包括温度传感器及湿度传感器。
5.一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护装置，其特征在于，适用于如权利要求1-4任一所述的一种装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护方法，包括蒸汽发生器(1)、流量调节器(2)、湿度传感器(3)、温度传感器(4)、蒸汽喷嘴(5)、轨道(6)、集水沟(7)及养护室(8)；
所述蒸汽发生器(1)通过管道于养护室(8)相连，用于向养护室(8)内输送蒸汽；
所述流量调节器(2)、湿度传感器(3)、温度传感器(4)、蒸汽喷嘴(5)、轨道(6)及集水沟(7)均设于养护室(8)内；
所述湿度传感器(3)、温度传感器(4)及蒸汽喷嘴(5)均设有多个；
所述流量调节器(2)用于调节大幅度的蒸汽输送流量；
所述湿度传感器(3)用于实时监测所述养护室(8)的湿度，所述温度传感器(4)用于实时监测所述养护室(8)的温度；
所述蒸汽喷嘴(5)用于调节小幅度的蒸汽输送流量；
所述轨道(6)用于将装配式混凝土挡土墙预制构件移入养护室(8)；
所述集水沟(7)用于回收蒸汽产生的冷凝水。
6.根据权利要求5所述的装配式混凝土挡土墙预制构件蒸汽养护装置，其特征在于，该装置连接有智能化控制系统，智能化控制系统用于接收所述温度传感器(4)与湿度传感器(3)实时监测得到的养护室(8)的湿度和温度，智能化控制系统会根据预设的养护方案，自动调节蒸汽喷嘴(5)的工作数量、流量调节器(2)的幅度以及蒸汽发生器(1)的工作功率，以便控制蒸汽的供应量和温度。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| KR20090078149A (ko) * | 2008-01-14 | 2009-07-17 | 양상규 | 증기양생 자동관리시스템 및 이를 이용한 관리방법 |
| CN113638613A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-11-12 | 上海建工集团股份有限公司 | 一种基础底板大体积混凝土智能化养护系统及方法 |
| CN114218645A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场理论模型和计算方法 |
| CN115719017A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-02-28 | 深圳大学 | 海水海砂混凝土多物理场耦合分析及施工质量控制方法 |
| CN116653079A (zh) * | 2022-02-26 | 2023-08-29 | 四川农业大学 | 一种适用于框架结构装配式构造柱预制砌块的生产方法 |
-
2023
- 2023-12-11 CN CN202311687057.9A patent/CN117428912B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 导管式混凝土高温蒸汽养护装置设计研究;周苗苗;冯拴;王一沛;麻建锁;;河北建筑工程学院学报;20160325(第01期);全文 * |
| 混凝土预制构件蒸汽养护工艺的探讨;马玉锰;;绿色环保建材;20170525(第05期);全文 * |
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