公路智慧梁場混凝土質(zhì)量全過程智能監(jiān)測

向 洪 , 譚青山

[1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.交通運輸安全應急信息保障技術(shù)及裝備行業(yè)研發(fā)中心(長沙)，湖南 長沙 410015； 3.湖南建設(shè)投資集團有限公司，湖南 長沙 410600]

0 前言

工程中對梁場混凝土強度和外觀質(zhì)量要求高，因達不到其規(guī)范要求引發(fā)的質(zhì)量事件頻繁發(fā)生，雖各方都非常重視，可這個工程難題一直未能完全解決[1]。影響梁場混凝土質(zhì)量的因素多且復雜，因技術(shù)和費用等多方面制約，很難實現(xiàn)對影響混凝土質(zhì)量的每個參數(shù)指標進行實時監(jiān)控。目前一般對梁場混凝土在拌和生產(chǎn)階段和成品養(yǎng)生階段進行實時監(jiān)控，但因多種原因，對原材料骨料生產(chǎn)和混凝土澆筑階段很難進行實時監(jiān)控，這是混凝土質(zhì)量事故頻發(fā)的主要原因之一。如何利用新技術(shù)和方法對骨料生產(chǎn)和混凝土澆筑階段實行智能監(jiān)測是當前混凝土監(jiān)測研究的難點和熱點[2-3]。

梁場混凝土質(zhì)量智能監(jiān)測是以數(shù)字化、智能化為主要特征，以信息化和自動化為目標的新型監(jiān)控方式，通過把物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代新技術(shù)應用到骨料生產(chǎn)和混凝土澆筑過程中，提升混凝土生產(chǎn)質(zhì)量和澆筑水平，從而保證混凝土強度和外觀質(zhì)量都滿足規(guī)范相關(guān)要求[4]。

1 混凝土監(jiān)測存在的問題

公路梁場混凝土一般都來源于項目部攪拌站，由于對混凝土原材料骨料生產(chǎn)和澆筑缺乏在線監(jiān)控，梁場混凝土質(zhì)量管控中仍然存在諸多問題：

1)骨料級配變動大，機制砂含水率時常偏大，對于骨料質(zhì)量缺乏在線監(jiān)測。

2)因原材料等原因，攪拌站生產(chǎn)配合比與試驗配比差別大，使得混凝土實體強度不穩(wěn)定。

3)在混凝土需求高峰期，存在為追求產(chǎn)量而縮減混凝土拌和時間的現(xiàn)象，導致混凝土的均勻性較差。

4)大部分控制數(shù)據(jù)需人工錄入，錄入數(shù)據(jù)的準確性和真實性難以及時確認，未對混凝土生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控。

5)梁板制作過程中混凝土的振搗時間和頻率缺乏技術(shù)理論支撐。附著式振搗器的安裝位置和數(shù)量隨意性較大，缺乏科學依據(jù)。

6)梁板制作過程中，對布料的高度和長度缺乏明確的技術(shù)要求。

2 梁場混凝土質(zhì)量智能監(jiān)控

梁場混凝土強度等級高，外觀質(zhì)量要求嚴，確保梁場混凝土質(zhì)量滿足規(guī)范要求，必須建立梁場混凝土質(zhì)量全過程監(jiān)測，嚴格控制混凝土生產(chǎn)和制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。混凝土質(zhì)量全過程監(jiān)測依據(jù)梁板生產(chǎn)和制作主要分為4個階段：①第1階段為原材料骨料質(zhì)量監(jiān)測，主要包含原材料骨料粒徑和砂石含水率在線檢測；②第2階段為混凝土拌和生產(chǎn)監(jiān)測，包括混凝土生產(chǎn)時的拌和時間、配合比、材料用量實時監(jiān)控；③第3階段為混凝土澆筑監(jiān)測，包括梁板混凝土澆筑時附著式振搗器的振搗時長和頻率監(jiān)控；④第4階段為梁板構(gòu)件養(yǎng)生監(jiān)控，拆模后梁板的表面溫濕度和養(yǎng)生噴淋時間監(jiān)控。

2.1 原材料骨料質(zhì)量監(jiān)測

混凝土原材料主要包括粗集料、細集料、水泥、外加劑、水。水泥的安定性、粗集料的級配和壓碎值、粗細集料的含泥量等因素都對混凝土質(zhì)量起到非常大的影響。現(xiàn)有條件下這些關(guān)鍵指標檢測的抽樣都是隨機，試驗樣本與實際進入料倉的材料是否同批也存在疑義，試驗填報結(jié)果與材料本身的性能是否匹配不能確定。面對這些問題，混凝土質(zhì)量工程從業(yè)者經(jīng)常束手無策，采取有效監(jiān)測手段防止不合格材料使用對確?；炷临|(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

原材料骨料監(jiān)測和砂石含水率采用機器視覺、視頻識別、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展進行在線監(jiān)測。

2.1.1骨料粒徑在線檢測

通過高速高精度工業(yè)照相機對皮帶上實時運行的骨料圖像進行動態(tài)采集，采用機器視覺等技術(shù)手段進行實時檢測分析，得到粒形、粒徑在檢測周期內(nèi)的表征參數(shù)、分布情況、變化趨勢等信息，從而實現(xiàn)骨料產(chǎn)品質(zhì)量在線分析，實時分析圖像如圖1所示。

圖1 骨料實時分析圖像

2.1.2砂石含水率在線監(jiān)測

通過微波傳感器向被測介質(zhì)同時發(fā)射多段不同頻率的微波頻譜，介質(zhì)中水分子(極性分子)會在電磁場中吸收能量，水分子吸收的這部分能量和水分子含量成線性關(guān)系，系統(tǒng)以此建立相應的數(shù)學模型和特殊算法來計算被測介質(zhì)的水分含量。最后通過數(shù)據(jù)自動采集或數(shù)據(jù)接口等方式將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)平臺，現(xiàn)場采集裝置如圖2所示。

圖2 砂石含水率采集裝置

2.1.3現(xiàn)場取樣標識唯一性和視頻圖像識別

取樣樣品采用二維碼編碼，取樣過程實行視頻圖像識別，取樣位置和取樣樣品質(zhì)量等信息都被實時記錄和保存。在試驗室進行試驗時也必須進行掃碼，且在試驗室進行視頻監(jiān)控，樣品試壓視頻采集如圖3所示。

圖3 樣品試壓視頻采集圖像

2.2 混凝土拌和生產(chǎn)智能監(jiān)控

混凝土生產(chǎn)過程中應監(jiān)測每一盤料的材料用量、拌和時間、砂石含水率、配合比等參數(shù)，系統(tǒng)顯示屏如圖4。

圖4 拌和站監(jiān)控大屏

1)對混凝土拌和站所有生產(chǎn)活動信息、痕跡進行全天候?qū)崟r監(jiān)控；尤其是應重點對拌和時間實時監(jiān)控。

2)實際用量監(jiān)控。利用GPRS遠程信息傳輸和數(shù)據(jù)存儲、分析平臺，實時將混凝土拌和站生產(chǎn)情況采集到數(shù)據(jù)庫中，并與設(shè)計值進行比對，如發(fā)現(xiàn)超差，及時提醒相關(guān)人員，有效控制混凝土生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)混凝土施工過程信息數(shù)據(jù)處理的智能化，解決混凝土施工的過程管理信息的真實性和反饋響應及時性問題，達到對混凝土生產(chǎn)過程動態(tài)管理的目標。實時監(jiān)控拌和站的各種材料用量，界面如圖5，自動計算實際配比，試驗配合比是確?；炷粮黜椥阅苤笜说年P(guān)鍵。

圖5 混凝土拌和材料用量顯示界面

2.3 混凝土澆筑智能監(jiān)控

混凝土澆筑的智能管控主要包括布料的智能管控、振搗的智能管控。

1)混凝土澆筑過程中應確定好混凝土布料的分布位置，根據(jù)布料斗中混凝土的體積換算布料高度和長度，實時把控布料位置，現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 混凝土布料現(xiàn)場

2)開發(fā)軟件采集振搗頻率、激振力、振搗時間等振搗參數(shù)并進行優(yōu)化控制。振動頻率的選擇和時長與混凝土最后的密實性直接關(guān)聯(lián)，主要體現(xiàn)在混凝土的孔結(jié)構(gòu)情況，尤其是外觀質(zhì)量上[5]。振動頻率決定混凝土的振動能量，振幅決定振動影響的范圍。振動時間影響混凝土密實性，如果時間過長，會產(chǎn)生嚴重的離析問題。

通過改裝附著式振搗器控制柜PLC和開發(fā)監(jiān)控軟件，把附著式振搗頻率設(shè)置為120、150、180次/min 3個檔位，相應時長設(shè)置為12、8、5 s，每個時間間隔為30 s，混凝土澆筑到位時，通過手機App啟動控制器進行智能振搗。

2.4 梁場構(gòu)件養(yǎng)生智能監(jiān)控

梁場混凝土養(yǎng)生實行雙控，即溫度和濕度控制。通過在混凝土表面附著無線溫濕度傳感器，其信號定時通過無線方式發(fā)射回控制主機以監(jiān)測梁體表面真實的溫濕度，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷啟動噴淋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)梁體表面溫濕度值。

根據(jù)水化熱釋放規(guī)律及現(xiàn)場實測溫濕度由計算機自動計算分析養(yǎng)護時間間隔，不僅考慮混凝土水化熱，同時也考慮到現(xiàn)場實時的溫度與濕度條件，真正實現(xiàn)智能養(yǎng)護。

3 結(jié)論

混凝土質(zhì)量全過程智能監(jiān)控是梁場混凝土質(zhì)量的可靠保障。本文分4個階段對影響混凝土質(zhì)量的重要指標進行在線監(jiān)測，主要結(jié)論如下：

1)對混凝土原材料中的碎石級配和砂石含水率應進行在線監(jiān)測，依據(jù)現(xiàn)代新技術(shù)提出了最新的可靠在線監(jiān)控方法。

2)采用視頻識別和二維碼等新技術(shù)保證抽樣和試驗一致性，確保試驗數(shù)據(jù)的真實性。

3)在混凝土澆筑過程中監(jiān)測振搗時間和振搗頻率，實時把控混凝土澆筑的真實振搗狀態(tài)，增加混凝土密實性，提升混凝土的內(nèi)在品質(zhì)。

4)4個階段都進行在線監(jiān)測，建立完整的混凝土質(zhì)量全過程智能監(jiān)控體系，可保證混凝土強度和外觀質(zhì)量滿足規(guī)范相關(guān)要求。