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混凝土运输信息化智能控制系统研究论文
摘要:本文聚焦商品混凝土运输环节，以信息化数字化技术为基础，阐述了混凝土运输过程工作性信息化智能控制构思与方案，着重研究并分析了混凝土运输过程工作性信息化智能控制系统构成及其工作原理，为混凝土运输过程的质量控制提供技术支撑，保障工程施工质量与安全。
关键词：混凝土；工作性；运输过程；信息化；智能；控制系统
随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加速，城市土地资源越来越稀缺，高层乃至超高层建设成为我国大中型城市发展的必然趋势［1］，而随着建筑高度的不断增加，混凝土输送难度不断增大，对混凝土的品质稳定性、工作性等方面均提出了更高的要求［2］，混凝土质量过程控制成为建筑业迫切需求。混凝土在运输过程中由于气温、水分蒸发、骨料吸水、运输时间、等待时间等原因，会造成不同程度的流动性经时损失，轻则导致泵送阻力增大，泵送困难，重则引发混凝土输送管堵塞，甚至爆管等事故，这给混凝土生产企业和施工单位带来了诸多不便［3］，必须及时采取有效技术措施进行处理，以免造成安全事故，影响建筑工程的顺利进行。现阶段控制混凝土流动性经时损失主要采取预处理方法，如采用缓释型减水剂。但采用缓释型减水剂对掺量控制要求高，效果难以把握，掺量不足则效果不明显，掺量过大又容易造成现场混凝土离析。与此同时，在缺乏科学控制方法的情况下，现场施工经常采取人为二次加水的方法，这不仅会导致泵送混凝土离析而堵管，而且会降低混凝土的强度，容易造成混凝土质量隐患［4］。总体而言，我国商品混凝土行业目前普遍存在工作性控制水平低、信息化程度不足、效果不理想等问题。为此，住房城乡建设部与工业和信息化部于2014年联合推出了《关于推广应用高性能混凝土的若干意见》，提出需着重研究混凝土应用先进技术，提升混凝土产品质量控制水平，加强全过程质量控制，提高工程质量等重要意见。因此，实现混凝土工作性过程控制（尤其是运输过程控制）的信息化与智能化转变，确保混凝土质量，尤其是工作性能的稳定性，提高施工效率，保障施工安全，降低对环境的影响，实现混凝土结构尤其是超高层建筑混凝土结构的绿色建造，促进产业转型升级，已俨然成为混凝土行业发展的迫切需求。
1总体构思
混凝土拌合物自出厂开始，至运输至工程现场，会因各种原因造成不同程度的工作性损失，为了使现场混凝土拌合物工作性恢复至出厂状态，需要完成以下关键两步：（1）获取工程现场混凝土拌合物工作性能指标值；（2）针对现场混凝土拌合物工作性能状态，进行二次调整，使其工作性满足施工要求。
1.1混凝土拌合物工作性指标值智能获取
混凝土搅拌车是将商品混凝土从搅拌站运输至工程现场的重要工具，搅拌罐内混凝土拌合物工作性能的优劣将对混凝土搅拌车内功率、油耗等工作参数指标值产生重要影响，可以认为，混凝土拌合物工作性能越好，混凝土搅拌车工作能耗越低，反之亦然，因此，可以通过获取混凝土搅拌车工作参数，来掌握搅拌罐内混凝土拌合物的工作性能状况。
1.2混凝土拌合物工作性信息化智能二次补偿调控
以出厂商品混凝土拌合物工作性指标为基准值，针对不同经时损失后混凝土拌合物工作性能指标值，采取二次补偿外加剂的措施，分析不同外加剂补偿量与混凝土拌合物工作性指标恢复规律，拟合出相应的二次补偿曲线方程。其中，还应重点关注以下两方面技术措施：（1）外加剂二次补偿后，可通过检测不同位置混凝土拌合物工作性能指标值，进行差异化比较，若三值偏差在允许范围内则表明拌合均匀，否则拌合不均，以此为据，确定快搅时间T快及快搅速度V；（2）以外加剂补偿量与自动化补偿开关启闭时间之间的内在关系为基础，设计一套依据补偿量指令自动控制补偿开关启闭的自动化智能补偿设备来实现外加剂的二次补偿操作。
2混凝土工作性信息化智能控制系统构成及其工作原理
2.1系统构成
混凝土运输过程工作性信息化智能控制系统主要由以下四部分组成，如图1所示：（1）混凝土搅拌车工作参数采集单元：用于检测混凝土搅拌车功率、油压等工作参数，如压力传感器等；（2）可编程逻辑控制单元：该单元写入外加剂二次补偿预警及控制方法，其中外加剂二次补偿控制方法主要由搅拌车工作参数与外加剂二次补偿量之间方程关系、外加剂二次补偿量与补偿开关启闭时间之间方程关系、外加剂二次补偿快搅时间/速度等构成；（3）电开关量控制单元：用于控制补偿开关的启闭操作；（4）外加剂二次补偿单元：主要由小型泵机、外加剂桶及外加剂输送管等部件组成。
2.2系统开发及工作原理
（1）针对不同强度等级（C30、C35、C40、C50、C60等）、不同坍落扩展度（160…mm、170…mm、180…mm等）性能要求，通过配合比设计，制备得到混凝土拌合物，通过《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T…50080-2002）及《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T…50081-2002）实测其初始坍落扩展度及28…d抗压强度指标。
（2）在混凝土搅拌车上安装搅拌车工作参数传感器（如在油泵上安装压力传感器或压力表），实时检测搅拌车工作参数（如工作油压P），开发混凝土搅拌车工作参数采集单元，实时监测并记录混凝土搅拌车在不同时点t（0.5…h、1.0…h、1.5…h、2.0…h、2.5…h、3.0…h等）的工作参数（如油压值P0.5、P1.0、P1.5、P2.0、P2.5、P3.0），探索不同温度条件下混凝土拌合物坍落扩展度与搅拌车工作参数（如油压）之间的映射关系P=F（S）。
（3）以映射关系P=F（S）为基础，根据适合泵送施工的混凝土拌合物坍落扩展度范围（Smin，Smax），确定相应适合泵送施工的混凝土搅拌车工作参数（如油压）范围（Pmin，Pmax），形成外加剂补偿预警边界条件，建立外加剂二次补偿预警机制，即当混凝土搅拌车实际工作油压超出泵送范围时，发出外加剂二次补偿警告，否则不发出补偿警告。
（4）选取某一混凝土搅拌车进行外加剂二次补偿控制试验，将混凝土倒入搅拌车，并测量其初始坍落度值，启动搅拌罐体，使其持续转动直至到达混凝土运输所需时间（如2…h、3…h）为止，检测此时混凝土坍落度值S0及搅拌车工作参数值（如油压P0），通过外加剂补偿单元往搅拌罐内逐渐掺入一定量K1的外加剂，并以一定的快搅速度V、快搅时间T快对搅拌罐内混凝土拌合物进行二次补偿改良处理，检测此时混凝土拌合物坍落度S1及搅拌车工作参数值（如油压P1），若S1小于S0，则继续掺入K2的外加剂，并以一定的快搅速度V、快搅时间T快对搅拌罐内混凝土拌合物进行二次补偿改良处理，检测此时混凝土拌合物坍落度S2及搅拌车工作参数值（如油压P2），若S2小于S0，则重复上述步骤，直至掺入Kn的外加剂时，混凝土拌合物坍落度值Sn及搅拌车工作参数值（如油压Pn）与初始值S0、Pn误差在允许范围内，停止补偿外加剂，记录补偿前后各阶段混凝土搅拌车工作参数（如油压）及混凝土拌合物坍落扩展度实测值、外加剂二次补偿量K、搅拌罐快搅时间T快与快搅速度V，研究外加剂二次补偿对混凝土工作性能恢复的影响规律，建立混凝土搅拌车工作参数（如油压P）与外加剂二次补偿量K之间的关系K=F（P），形成外加剂二次补偿控制机制。其中：①外加剂补偿单元设计及工作原理具体如下：在混凝土搅拌车圈梁部位安置小型泵机，并建立补偿量K与泵机排量Q、补偿时间T补之间的关系；泵机上方设置外加剂桶，用于提供补偿用外加剂；泵机出口处连接外加剂输送管路入口，外加剂输送管路出口固定于混凝土搅拌车进料口；泵机与电开关量控制箱连接在一起，当接收到电开关量控制箱操作指令时，泵机开始工作，进行外加剂二次补偿处理。②快搅时间T快、快搅速度V及混凝土拌合物均匀度控制方法如下：当二次补偿操作完成后，以一定快搅时间T快、快搅速度V快速搅拌搅拌车内混凝土，完成后，在搅拌车卸料过程中，获取卸料初始、卸料一半、卸料完成时三处混凝土拌合物，分别检测其坍落扩展度值，进行差异化比较，若三值偏差在允许范围内则表明拌合均匀，否则拌合不均，此时快搅时间T快及快搅速度V即为最佳值，否则对其进行调整，直至三值偏差在允许范围内为止。
（5）将外加剂二次补偿条件（主要包括预警机制、控制机制等）通过芯片以程序代码形式写入可编程逻辑控制器，开发可编程逻辑控制单元，接收混凝土搅拌车工作参数采集单元发送的工作参数（如油压P）数据，分析判断是否需要进行二次补偿操作以及相应的补偿量，并通过电开关量控制箱向外加剂补偿单元发出二次补偿操作指令。
（6）外加剂补偿装单元根据电开关量控制箱操作指令，严格控制补偿时间，直至外加剂按时按量补充完成。
（7）待外加剂补充完成后，可编程逻辑控制单元指示混凝土搅拌车以一定的快搅时间T及快搅速度V对搅拌罐内混凝土拌合物进行快搅处理，使二次补偿的外加剂均匀分散于混凝土拌合物中，完成对搅拌罐内混凝土拌合物工作性能的信息化智能调控，使其工作性能满足泵送施工需要。
3结论
（1）以信息化、数字化技术为基础，通过混凝土搅拌车工作参数采集单元、可编程逻辑控制单元、电开关量控制单元及外加剂二次补偿单元等核心部件的研究与设计，形成混凝土运输过程工作性信息化智能控制系统；（2）本系统研究条件的差异性，会对外加剂二次补偿机制造成较大影响，试验过程中应特别注意不同条件下的差异化处理，以保证本系统的适用性；（3）下一步需对本设计系统进行深入细部处理，并实现工业化生产与工程应用。
参考文献
［1］高兴夫.…超高层建筑施工动态仿真与模糊综合优化研究［博士学位论文］［D］.…天津:…天津大学,…2008.
［2］刘红艳.…高层建筑混凝土泵送施工系统分析与模拟［硕士学位论文］［D］.…大连:…大连理工大学,…2000.
［3］蒋卓君.…保坍时间可调聚羧酸保坍剂的合成及性能研究［J］.…新型建筑材料,…2014,…41（11）:…54-57.
［4］李和光.…二次加水对混凝土性能的影响［J］.…低温建筑技术,…1993（02）:…14-15.
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