水泥混凝土智能蒸汽养护系统的设计与应用研究

黄立浦， 徐有为， 陈康军

(1.长沙学院, 湖南 长沙　410003;　2.湖南聚创建筑科技有限公司, 湖南 长沙　410019)



水泥混凝土智能蒸汽养护系统的设计与应用研究

黄立浦1， 徐有为2， 陈康军2

(1.长沙学院, 湖南 长沙410003;2.湖南聚创建筑科技有限公司, 湖南 长沙410019)

冬季低温环境的混凝土养护措施是否得当关乎混凝土的强度形成及裂缝开展。本文通过分析当前各种冬季混凝土养护方式存在的不科学、不规范、不精细以及能耗高、污染重的现状，引入智能控制技术与无线传感技术结合蒸汽养护施工工艺，设计了一套智能化蒸汽养护系统用于现场混凝土施工养护，并对其现场应用情况进行了分析总结。

混凝土； 蒸汽养护； 智能控制； 温湿度

1　概述

冬季低温环境下的混凝土养护，北方严寒地区一般采用燃煤蒸汽养护，南方湿冷地区一般采用常压烧水供热，小型煤炉蓄热等方式，随着雾霾的日益加重，全社会对PM2.5的高度关注，北方常用的燃煤蒸汽养护以及南方常采用的小型煤炉蓄热养护的方式均会产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害气体以及PM2.5。此类燃煤蒸汽蓄热的方式已不能被全社会接受，我国水电能源相对较为充裕，同时不会产生此类污染，因此，电热产生蒸汽的方式尽管在费用方面略高，经济效益略差，但具有良好的社会效益，相比之下，混凝土电热蒸汽养护方式已逐步推广使用，随着可编程逻辑控制器在工业控制领域的广泛应用，基于电热蒸汽的基础上，引入无线测控技术与计算机数据处理技术，以实现现场电热蒸汽养护的自动化与程序化，同时提高其养护的精确性与科学性是完全可行的。

2　目前的混凝土冬季养护方式及其存在的问题分析

目前冬季低温环境的混凝土养护，北方地区一般采用的燃煤蒸汽养护，南方地区一般采用蜂窝煤炉蓄热养护和热水养护，电热蒸汽养护目前也逐步推广使用。

① 燃煤蒸汽养护。此方式在产生蒸汽的过程中，同时产生大量的有害气体(二氧化碳,二氧化硫，氮氧化物)以及PM2.5。一些较大的预制梁场，需要投入较多资金建设蒸汽锅炉房以及沿梁场所有台座处布置蒸汽输送管，蒸汽输送管的输送距离过远也直接导致沿途热量损耗大，且蒸汽养护的过程中需要人工24 h不间断轮班。

② 蜂窝煤炉蓄热养护。此方式一般在覆盖的混凝土内放置若干小型蜂窝煤炉，通过燃烧煤炉产生的热量进行蓄热保温，其在保湿上没有任何效果，且在燃烧过程中产生较多的一氧化碳气体，而一氧化碳在于混凝土表面接触后会加剧混凝土的碳化，同时一氧化碳的存在于养护棚罩内对进入内部的施工人员存在较大的安全隐患。

③ 冬季热水养护。此方式一般通过电热方式将水烧至一定温度再喷洒在混凝土表面上，有一定的保温保湿效果，但随着水的流失热量散失快，混凝土表面一些区域或蓄水，供热不及时，温度下降时可能结冰。

④ 电热蒸汽养护。此方式通过电热产生蒸汽，无污染，但在施工过程中仍需要人为控制启动与停止，通过人工测量养护的温度与湿度去判断是否供应蒸汽，因而养护质量与操作人员的责任性关系很大，尤其是夜间进行温度测量工作等难以落实，所有存在较大的局限性。

3　水泥混凝土智能蒸汽养护系统的原理及总体设计

3.1系统基本原理

水泥混凝土智能蒸汽养护系统有养护系统主机、若干从机，无线温湿度监测终端、养护管路、养护棚架等5部分组成。主机用于设置养护工艺参数以及进行数据汇总处理及控制；主机可控制1台或多台从机，每台主机或从机对应一台无线温湿度监测终端，用于监测该主机或从机对应的养护区域的温度与湿度；从机用于根据主机指令启动其对对应养护区域的蒸汽输送启停；蒸汽管路根据待养护混凝土的结构形状或尺寸布置和开孔；养护棚架用于覆盖待养护混凝土以保证养护状态的维持。

通过养护系统主机设置养护工艺参数，无线温湿度终端每30 s将其所在区域的温湿度传输给主机无线汇集终端，期间通过MODBUS通讯实现数据传输，主机CPU根据既定程序进行运算处理并根据计算结论指令主机或从机蒸汽阀门开、闭通过蒸汽养护管路往养护棚罩内输送蒸汽，同时无线温湿度监测终端不间断的传回温湿度监测数据执行下一轮的处理。基本原理见图1。

图1　系统基本原理图 Figure 1　The system principle diagram

3.2系统的硬件结构设计

根据系统原理图为实现以上功能而配置了相应的硬件元器件，核心部件包括可编程逻辑控制器PLC，无线温湿度监测终端与无线温湿度汇集终端；电热蒸汽产气器、人机交互界面-嵌入式工业平板电脑以及无线控制开关等等，其中无线控制开关用于执行主机指令从机蒸汽电磁阀的开启与关闭，电热蒸汽产生器用于产生低压饱和蒸汽，系统硬件结构见图2。

3.3系统的硬件选型参数

3.3.1可编程逻辑控制器

俗称PLC，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出信号控制各种类型的机械或生产过程。本次设计采用SIEMENSS7-200 224XP 一体式CPU模块，其集成度高、使用方便、编程直观明了、功能强、性价比高、适应性强、可靠性高、抗干扰能力强、维护方便。

3.3.2无线温湿度测试终端

系统采用的无线测温测湿终端防护等级为IP68，能满足户外全天候运行，测量精度可达温度±0.5 ℃，湿度±3% ，信号传输距离远，有效传输距离200 m以上。

3.3.3无线温湿度汇集终端

无线温湿度汇集终端与无线温湿度测试终端，1台无线温湿度汇集终端可对应多套无线温湿度测试终端，两者之间通过MODBUS通讯实现数据传输，测试终端每30 s更新一次温湿度数据，无线汇集终端将信号I/O转换后输出至中央处理器PLC中。

3.3.4人机界面

采用工业计算机作为系统的人机界面，由工业计算机通过自身的485串口与PLC进行ModBUS通讯进行数据的读写并将养护过程的数据写入外接的存储介质供用户对养护全过程进行追溯。并以人机界面的时钟作为养护控制施工时钟，其时钟保持时间为5 a，即系统在5 a以内可保证时钟的准确性。

3.3.5蒸汽电磁阀

本次设计选用的电磁阀为专用蒸汽电磁阀，常闭式，可在介质温度-5 ℃-180 ℃、压力0.03～1.60 MPa下正常工作，功率24 W，采用AC220 V驱动。

3.3.6无线控制开关

无线控制开关成对使用，分为无线控制开关IO采集端与无线输出开关IO输出端，相互之间采用ZIGBEE无线传输，本次设计仅需要无线启动或关闭蒸汽电磁阀，选用开关量输出、输入搭配，传输距离最远可达1000 m，采用外置2.4G SMA天线，发射功率25 dbm，工作温度-40～85 ℃，工作湿度10%～90%RH不结露，接受灵敏度-106 dbm，无线速率2.4 G(ISM全球免费频段)。其工作过程为：IO采集段接受PLC开关量输出信号，通过ZIGBEE无线传输，再由IO输出端输出相应的开关量。

3.4系统的软件设计

3.4.1系统软件的基本构成及主要功能

系统的软件设计遵循实用、简单的原则，分为上位机与下位机程序两部分。下位机集中逻辑与控制编程，程序写入PLC中。上位机程序用于人机交互，C++编程，程序写入嵌入式工控计算机中。通过上位机程序界面输入参数并将指令给下位机驱动各元器件执行处理，同时下位机将采集的数据反馈给上位机显示在程序界面上。上位机与下位机之间通过485串口通讯。

3.4.2控制工艺流程及框图

① 静置阶段。温度设置值T=10 ℃，误差区间±2 ℃，无线采集的温湿度经中央处理器处理后温度高于设定温度2 ℃时，PLC指令停止输送蒸汽；无线温湿度度采集的温度数据低于设定温度2 ℃时，PLC指令开启输送蒸汽。

② 升温阶段。温湿设置值a=5～8 ℃，误差区间±2 ℃，控制流程如下：升温速度大于设置速率2 ℃时，PLC停止蒸汽输送；：升温速度未超出设置速率2 ℃时，继续输送蒸汽，如图3所示。

图3　升温控制工艺流程图Figure 3　The process chart of the warming-up control

③ 恒温阶段。温度设置值a=45～60 ℃，误差区间±3 ℃；湿度设置b=90%～95%RH，控制流程如下：无线采集温度低于设置温度3 ℃，湿度低于8%RH，PLC指令输送蒸汽；无线温湿度采集温度高于设置温度3 ℃，PLC指令停止输送蒸汽。

④ 降温阶段。温度设置值a=3～5 ℃，误差区间±2 ℃，控制流程如下：降温速度大于设置速率2 ℃时，PLC指令蒸汽输送；降温速度未超出设置速率2 ℃时，PLC指令停止蒸汽输送。

4　智能蒸汽养护系统的现场应用

4.1智能蒸汽养护现场应用概况

本次设计的智能蒸汽养护系统样机2014年1月份应用于湖南湘西某高速公路预制梁场，该梁场为25 m预应力混凝土空心小箱梁，冬季施工进度1 d生产1片梁，现场配置1台主机，3台从机，对应的无线温湿度测试终端4台，每片梁板设置一组共2台(主机+1台从机或两台从机)，分别在预制箱梁的两端就近放置，参数设置静置时间为5 h，静置温度10 ℃，升温速率为7 ℃，恒温温度为45 ℃，恒温养护试件30 h，降温速率为4.0 ℃。使用过程中每0.5 h时间点的养护温度与湿度进行了记录，同时记录了该时间点的环境温度与湿度进行比对。为避免拆模时温度骤降，拆模时间选择在中午温度较高时，拆膜后即开始智能蒸汽养护施工。根据现场要求，蒸汽养护工艺部分参数做了修改，恒温温度降低至45 ℃，恒温养护时间做了缩减。每个设备自带的水箱连接梁场自来水，接电启动后自动运行至结束。

4.2智能蒸汽养护现场应用结果

以左3-1号梁养护为列，图4、图5为左3-1号梁养护过程温度、湿度于环境温度、湿度的对比曲线图，养护开始时间为1月4日10:25，养护结束时间为1月6日上午11:25。

图4　养护过程温度变化曲线Figure 4　The change curve of the curing temperature

图5　养护过程湿度变化曲线Figure 5　The change curve of the curing humiture

实际升温持续时间6 h，自12 ℃升高至46.5 ℃，升温速率5.75 ℃/h；恒温时间持续为30 h，平均温度为45.2 ℃，最大偏差为3.5 ℃；降温持续时间为8 h，自46.0 ℃降温至11.2 ℃，降温速率为4.38 ℃。养护过程最低湿度为85.5%RH；最高湿度为94.5%RH，平均湿度为90.4%RH。

通过以上曲线以及前述实测技术参数分析可知，应用智能蒸汽养护系统在蒸汽养护过程中湿度平均值约为90%RH，且偏离较少，保证度高；养护过程温度升温、恒温、降温时间均达到程序预设要求，虽在恒温过程中温度偶有降低至42 ℃以下、48 ℃以上，但系统在检测到温度变化后随即对蒸汽的输送进行了调整，恒温状态得以维持。

5　结论

① 目前普遍使用冬季燃煤蒸汽养护方式在节能、环保方面已不能满足现行需求，无污染、环保型的智能化替代产品的发展将逐步取而代之。

② 智能蒸汽养护系统的将无线传感技术、工业程控技术、计算机数据处理技术与传统蒸汽养护工艺结合，实现了蒸汽养护过程的全自动化，减少了人工投入，降低了劳动强度。

③ 智能蒸汽养护技术实现了养护温度、湿度的实时准确监测、无线传输与及时处理，为养护决策提供了及时可靠的数据，且处理过程智能化，降低了对使用者的能力要求，具有更好的适用性。

④ 智能蒸汽养护系统设备体积小、移动方便，组合灵活，适用性强，一台主机可以控制多台从机联机工作，实现了数据之间相互交换与并行不悖，一套系统框架内实现不同养护区域可处于不同的养护状态，相互之间互不影响。

[1]陈康军.水泥混凝土智能养护系统在桥梁工程中的应用研究[J].公路，2013(11 )：134-138.

[2]JTG T/F-2011,公路桥涵施工技术规范[S].

[3]王志武.水泥混凝土蒸汽养护自动控制技术在长沙湾特大桥箱梁加工中的应用[J]. 公路工程，2013, 38(2)：142-144.

[4]戚得众.砼养护室温湿度智能控制系统研究[D] . 武汉：湖北工业大学，2009.

[5]李敏霞.大型混凝土箱梁蒸汽养护工艺与温度场研究[D] .西安：西安建筑科技大学，2006.

[6]闵涛,罗亮, 夏晚晖,等.水泥混凝土智能养护系统的设计与关键技术研究[J].公路工程,2014,39(02 )：158-161.

[7]张晓军.基于组态软件的轨道板蒸汽养护监控系统的研究[D] . 南京：江南大学，2008.

[8]杨艳红,高文中,蒋云飞,等.混凝土箱梁蒸汽养护的温度控制[J]. 国防交通工程与技术,2005(4)：152-155.

[9]黄绪泉,彭艳周,杨雄利. 地铁隧道混凝土管片蒸汽养护恒温期研究[J]. 铁道建筑,2013(11)：132-136.

[10]曹土. 梁场蒸汽养护系统研究[J]. 水运工程，2014(1)：122-124.

The Design and Application Research of Concrete Intelligent Steam Curing System

HUANG Lipu1, XU Youwei2, CHEN Kangjun2

(1.Changsha University, Changsha,Hunan 410003,China;2.Hunan Jochon Architecture Technology Co.,Ltd, Changsha,Hunan 410019,China)

In winter low temperature environment, the strength forming of concrete and the developing of the cracks are influenced by whether the proper concrete curing measures have been taken. In this article, the current concrete curing forms in winter have been analyzed, which are not scientific, standard, fine and high energy consumption, severe pollution. Besides , the intelligent control technology and the wireless sensing technology have been introduced, combing with the construction technology of steam curing, a set of intelligent steam curing system has been designed, which can be used for curing of concrete construction in field and the field application is analyzed and summarized.

concrete; steam curing; intelligent control; temperature and humidity

2015 — 03 — 19

长沙市科技计划项目(k1407031-11)

黄立浦(1980 — )，男，湖南长沙人，工程师、讲师，主要从事结构、材料试验研究工作。

U 418.3

A

1674 — 0610(2016)04 — 0242 — 04