公路智慧梁場混凝土質量全過程智能監測

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及裝備行業研發中心(長沙)，湖南 長沙 410015； 3.湖南建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410600]

0 前言

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

梁場混凝土質量智能監測是以數字化、智能化為主要特征，以信息化和自動化為目標的新型監控方式，通過把物聯網、大數據、人工智能等現代新技術應用到骨料生產和混凝土澆筑過程中，提升混凝土生產質量和澆筑水平，從而保證混凝土強度和外觀質量都滿足規范相關要求[4]。

1 混凝土監測存在的問題

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和澆筑缺乏在線監控，梁場混凝土質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，對于骨料質量缺乏在線監測。

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

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

4)大部分控制數據需人工錄入，錄入數據的準確性和真實性難以及時確認，未對混凝土生產過程進行實時監控。

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

6)梁板制作過程中，對布料的高度和長度缺乏明確的技術要求。

2 梁場混凝土質量智能監控

梁場混凝土強度等級高，外觀質量要求嚴，確保梁場混凝土質量滿足規范要求，必須建立梁場混凝土質量全過程監測，嚴格控制混凝土生產和制作的關鍵環節?；炷临|量全過程監測依據梁板生產和制作主要分為4個階段：①第1階段為原材料骨料質量監測，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監測，包括混凝土生產時的拌和時間、配合比、材料用量實時監控；③第3階段為混凝土澆筑監測，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控；④第4階段為梁板構件養生監控，拆模后梁板的表面溫濕度和養生噴淋時間監控。

2.1 原材料骨料質量監測

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量起到非常大的影響?，F有條件下這些關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，混凝土質量工程從業者經常束手無策，采取有效監測手段防止不合格材料使用對確?；炷临|量起到關鍵作用。

原材料骨料監測和砂石含水率采用機器視覺、視頻識別、人工智能等現代技術發展進行在線監測。

2.1.1骨料粒徑在線檢測

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

圖1 骨料實時分析圖像

2.1.2砂石含水率在線監測

通過微波傳感器向被測介質同時發射多段不同頻率的微波頻譜，介質中水分子(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系，系統以此建立相應的數學模型和特殊算法來計算被測介質的水分含量。最后通過數據自動采集或數據接口等方式將數據傳輸至系統平臺，現場采集裝置如圖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 混凝土拌和生產智能監控

混凝土生產過程中應監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，系統顯示屏如圖4。

圖4 拌和站監控大屏

1)對混凝土拌和站所有生產活動信息、痕跡進行全天候實時監控；尤其是應重點對拌和時間實時監控。

2)實際用量監控。利用GPRS遠程信息傳輸和數據存儲、分析平臺，實時將混凝土拌和站生產情況采集到數據庫中，并與設計值進行比對，如發現超差，及時提醒相關人員，有效控制混凝土生產質量，實現混凝土施工過程信息數據處理的智能化，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，達到對混凝土生產過程動態管理的目標。實時監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，現場如圖6所示。

圖6 混凝土布料現場

2)開發軟件采集振搗頻率、激振力、振搗時間等振搗參數并進行優化控制。振動頻率的選擇和時長與混凝土最后的密實性直接關聯，主要體現在混凝土的孔結構情況，尤其是外觀質量上[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和開發監控軟件，把附著式振搗頻率設置為120、150、180次/min 3個檔位，相應時長設置為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 梁場構件養生智能監控

梁場混凝土養生實行雙控，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射回控制主機以監測梁體表面真實的溫濕度，根據監測數據判斷啟動噴淋系統，調節梁體表面溫濕度值。

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

3 結論

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

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測，依據現代新技術提出了最新的可靠在線監控方法。

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

3)在混凝土澆筑過程中監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，增加混凝土密實性，提升混凝土的內在品質。

4)4個階段都進行在線監測，建立完整的混凝土質量全過程智能監控體系，可保證混凝土強度和外觀質量滿足規范相關要求。