基于标养室内水泥砼试件智能养护系统研究

吴 奕，姜 华，唐 建

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

0 引言

目前水泥砼广泛应用于高速公路建设、大型桥梁和建筑工程中，水泥砼的质量好坏决定了工程建设的质量。水泥砼的标准养护条件对其强度发展要求以及耐久性能有着重要的作用。水泥砼是水硬性材料，温度和湿度是水泥砼水化和硬化的重要影响因素。建立一个标准养护技术系统，按照规范要求有效的控制温湿度范围，对于混凝土强度及耐久性等技术指标有重要的影响。

1 水泥砼标准养护室的规范要求

水泥混凝土标准养护室(以下简称标养室)是对混凝土试件在特定温度和湿度条件下，进行养护的专用房屋［1］。试验证明:温度和湿度是对混凝土的强度发展起决定作用的两大因素，温度、湿度偏差越小，强度数据的可比性就越好［2］。

1)根据《公路工程水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)中规定，混凝土试件标准养护的条件为:温度(20±2)℃，相对湿度在95%以上［3］。

2)水泥砼试件应摆放至专门存放混凝土试件的支架上，每个试件之间的距离应保持在10 ～20 mm 之间，标准养护的龄期为28 d，试件的表面应保持潮湿的状态。

3)统一为每个试件样本进行编号标记，实验人员应及时作好记录，如发现标养室内温度、湿度没有达到要求，应及时上报并采取措施。另外，实验人员在标养室内的停留时间不宜过长。

2 目前水泥砼的养生方式及存在的问题

2.1 水泥砼试件的浸泡养护［4］

这是最早的养护方案之一，该方法在夏季利用空调降低标养室内的温度，冬季利用加热管调节温度对水泥砼进行养护。由于养护池中的水深不同，通过空调降温和加热管升温的方法进行养护时，水温调整不均匀并且温度传递较慢，另外养护的温度难以控制在(20±2)℃之内，影响养护质量。试件浸泡在清水中，砼中的一部分Ca(OH)2会溶解在水中，就会影响水泥砼试件的强度。这种养护方式达不到标准养护的要求，现已基本淘汰。

2.2 水泥砼试件的蒸汽养护［5］

蒸汽养护主要体现在冬季利用蒸汽设备对水泥砼进行养护。该设备对水进行加热，水由液态变为气态对标养室内的温度和湿度进行调节。由于水蒸气的密度较空气的密度小，水蒸气悬浮于标养室上空，导致上下温差较大，达不到标准养护的效果，因此不采用该方法。

2.3 水泥砼试件的喷淋养护

在标养室内安装喷淋装置，通过喷头将水喷洒于养护室内，对试件进行养护。该方法基本能保证标养室内所需的温度和湿度，但是喷淋很难将水雾化，试件在加湿过程处于淋浴状态，影响试件总体质量，且用水量较大，市场主流养护系统能耗高，噪音大。喷淋依靠人工控制水阀，劳动强度较大。

3 标养室内标准养护系统设计

水泥砼的标准养护室应符合国家的最新规范，为解决上述系统存在的弊端，本项目采用工业恒温箱、工业超声波雾化加湿器、智能采集控制箱等设备，基于互联网技术，结合传感技术、自动化控制技术、数据库管理等先进技术设计适用于水泥砼试件的综合性养护系统。

3.1 标养室内主要设备配置

水泥砼标准养护室的主要配置(图1)有:

1)工业温湿度传感器;

2)工业恒温箱;

3)工业超声波雾化加湿器;

4)智能采集控制箱;

5)激光扫描仪;

6)智能开关电磁阀。

图1 标养室设备配置图

3.2 水泥砼养护配置功能实现

1)水泥砼的标准养护根据试件的数量，标准养护室空间的大小确定养护系统设备的安装。该系统设备能对养护室内进行全方位的监测，实时监测养护室内的温度和湿度，将监测数据直观的显示在液晶显示屏上。

2)在标养室内设置所需温度和湿度控制值范围，由工业温湿度传感器采集标养室内的温度和湿度进行计算［6］。如果其计算值超过或小于控制值范围，则会及时警报提示，并且通过系统智能控制空调的温度以及工业超声波雾化加湿设备进行湿度补偿，在短的时间内使标养室的温湿度达到控制要求。

3)通过系统设置监测周期，能够自动监测采集并记录各个点位的温度和湿度，将所采集的数据分别绘制成温度变化曲线和湿度变化曲线，也可向用户提供历史数据查询功能，根据用户的需要自动生成监测报告，并将监测报告打印。用户也可使用外部移动储存设备拷贝系统中监测的历史数据，便于用户进行数据分析。

3.3 标养室养护系统工作特点

标养室养护系统包括一个主控制单元、上位机采集单元和温湿度调节单元(图2)。其中主控单元由主控制电路、液晶显示器接口电路、按键输入电路、水位检测电路、电源电路组成。上位机采集单元由串口通信接口电路、工控机组成。温湿度调节单元由两路超声波加湿器开关驱动电路、超声波加湿器、报警驱动电路、水位阀门开关驱动电路、阀门、四路温湿度传感器接口电路、温湿度传感器组成(图3)。

图2 标养室系统单元组成

图3 标养室系统布置图

3.3.1 温湿度控制技术

温湿度控制技术主要由温湿度调节单元控制。在标养室中不同点位安置多个温湿度传感器，温湿度信息采集后经过单片机的滤波处理，将温湿度采集的信息以及工业恒温箱、超声波加湿器和加水阀门等设备状态信息通过工业RS485 串口总线发送至现场工控机上，再通过互联网将信息直接上传到远程中心服务器保存及显示。该系统通过主控板设定的标准温度和湿度范围与当前做采集的温度和湿度相比较，如果当前采集的温度和湿度分别接近设定的上下极限值，则会通过工业恒温箱和工业超声波雾化加湿器自动对标养室进行升温、降温、加湿处理，从而会加快标养室内温湿度传感器监测频率，当监测的温度和湿度值处于正常值范围之内时会自动停止工业恒温箱和工业超声波雾化加湿器的工作。最后系统将温湿度采集信息绘制成曲线，以及历史曲线和保存历史记录显示于客户端，也可根据用户的需要拷贝和打印数据监测报告(图4 主程序流程图)。

图4 主程序流程图

3.3.2 水位检测技术

水位检测技术由主控制单元控制。标养室内的液位检测器按照设置的时间频率检测容器内是否有水，如果检测容器内已充满水，水控制阀门则会一直处于关闭状态。如果检测容器内水量不足，就会启动水控制阀门自动给容器加水，此时会开启定时器给加水时间进行计时，加水时间根据容器的体积确定，计时单位信息为分钟，当容器内部水量达到要求时会自动关闭水控制阀门。一旦加水时间超过设定的加水时间，此时会自动关闭超声波加湿器以及启动报警电路装置，提醒现场工作人员检查水源和开关问题。

3.3.3 按键输入及液晶显示原理

按键输入以及液晶显示原理通过主控制单元控制。为方便使用者控制信息的输入，手控端设置4个按键分别为:退出键、向上翻键、向下翻键和菜单键，通过4 个键对需要的信息进行输入、修改、查看、删除和确定等处理。通过中央处理器外接LCD12864 液晶显示器，进行人际交互界面。实时显示当前采集的温湿度、修改温湿度的范围、确定加水时间和温湿度采集时间等信息参数。

4 结语

试验结果证明，标养室内水泥砼智能养护控制系统已基本达到智能化、信息化监测和养护目的。该系统通过多方位、合理布置温湿度传感器能够准确监测记录标养室内温度值和湿度值，采用工业恒温箱和超声波加湿器补给标养室内温度和湿度，保证了室内各个角落的温度和水汽分布均匀，将标养室的温度控制在(20±2)℃，相对湿度控制在≥95%以上，完全满足国家规范要求。标养室内水泥砼智能养护控制系统对硬件设备进行智能化管理，不仅有效的节约了水、电能耗的消耗，并且大量减少了所需的人力物力资源，提高了水泥砼养护的工作效率。

［1］刘祥志，许宏升.混凝土标准养护室的设计［J］.工程质量，1998(3):16－17.

［2］李俊成，李祖辉，彭亦博，等.混凝土标准养护室设计与施工［J］.混凝土与水泥制品，2012(11):74－76.

［3］JTG E30—2005，公路工程水泥混凝土试验规程［S］.

［4］陈新贵.浅谈混凝土试件标准养护的条件［J］.四川建材，2013，172(2):37－38.

［5］钟炯垣.蒸汽养护混凝土的几个问题［J］.混凝土及建筑构件，1981(5):25－30.

［6］张 阳，余月皎.混凝土标准养护室温湿度智能监控系统的设计与应用［J］.陕西建筑，2012(6):39－40.