一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置及方法

1.本发明属于道路工程技术领域，特别涉及一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置及方法。


背景技术：

2.水泥混凝土路面广泛应用于我国的公路建设中，在我国的路面结构中占有重要的地位。但混凝土路面在修建的时候，为了减小温度及循环荷载应力对于混凝土路面的损坏，需要对路面进行接缝锯切处理，使应力于接缝处集中释放，进而保护混凝土路面的结构完整性。然而混凝土路面的接缝需要在适当的时候进行锯切，当过早进行锯切时，会导致混凝土的松散与剥落，当锯切时间过晚时，会导致混凝土路面随机开裂，引起混凝土路面的结构损坏。目前我国规范中并没有对于混凝土路面的接缝锯切时间进行明确规定，而在现场施工过程中，常常根据经验来确定混凝土路面锯切的时机，常用的方法有两种，一种是用小刀在平板表面划痕，或者站在混凝土板上观察脚印的深度。另一种方法是尝试切割并观察散乱的程度。但这些预测方法往往是主观的，常常会导致锯切时间没有处于最佳时间，引起混凝土路面板随机裂缝破坏或松散、剥落的出现。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种水泥混凝土路面接缝锯切时间的预测装置及方法，利用超声波与温度作用来预测路面板的最佳接缝锯切时间，可准确测试水泥混凝土路面到达初凝状态的时间，同时利用初凝时间准确预测水泥混凝土路面解封开始锯切时间。
4.本发明的技术方案是：
5.一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置，包括：
6.箱体；
7.混凝土料筒，固定在所述箱体内部；
8.伸缩件，伸缩件的固定端固定在所述箱体上方与所述混凝土料筒的开口相对的位置，伸缩件的伸缩端纵向向下伸缩；
9.板体，固定在所述伸缩件伸缩端的端部，并且与所述混凝土料筒的内径适配，用于随伸缩件的伸缩端同步向下压实混凝土料筒内部的试件；
10.超声波发射装置，固定在所述板体上；
11.超声波接收装置，固定在所述混凝土料筒下表面与所述超声波发射装置相对，用于接收所述超声波发射装置发射的超声波脉冲信号；
12.测距装置，固定在所述箱体内部上表面与所述板体相对的位置，用于测量箱体内部上表面与板体之间的距离；
13.温度传感器，固定在所述混凝土料筒的外侧壁，用于测量混凝土内部温度。
14.上述混凝土料筒的外侧壁设有多个凹坑，每个凹坑内均设有一用于测量混凝土内部温度的温度传感器。
15.上述预测装置还包括控制系统，所述控制系统包括：
16.数据接收模块，与所述超声波发射装置连接用于记录所述超声波发射装置发射超声波脉冲信号的时间a
ti
；与所述超声波接收装置连接用于接收到超声波脉冲信号的时间b
ti
；与所述测距装置连接用于记录所述测距装置测量的所述箱体内部顶面与所述板体之间的距离数值l
i
，记录箱体内部高度默认值为l0；与所述温度传感器连接用于记录所述温度传感器测量的温度数值q
i
；
17.数据处理模块，通过数据传输模块接收所述数据接收模块记录的数据，并将该数据按照波速计算公式δv＝(l0‑
l
i
)/(st
i+1
‑
st
i
)进行处理；
18.中央处理器，用于协调所述数据接收模块、数据传输模块以及所述数据处理模块的工作；
19.电源模块，与所述中央处理器连接，用于给所述超声波发射装置、所述超声波接收装置以及所述测距装置供电。
20.上述伸缩件的伸缩端与圆杆的上端固定连接，圆杆的下端与所述板体中心固定连接；所述圆杆为中空的壳体结构，中空的壳体内部用于容纳所述超声波发射装置。
21.上述混凝土料筒的下表面固定有底板，底板固定在所述箱体底部，底板的下表面固定有所述超声波接收装置；所述箱体底部开设有用于容纳所述超声波接收装置的凹槽。
22.上述控制系统的中央处理器、数据接收模块、数据传输模块以及所述数据处理模块均设于电路板上，电路板固定在外壳体内部，外壳体固定在所述箱体上表面，外壳体正面设有显示装置、控制按钮以及设置按钮；所述显示装置、控制按钮以及设置按钮均与中央处理器连接。
23.上述超声波发射装置、所述超声波接收装置以及所述测距装置均通过线缆与位于所述外壳体内部的数据传输模块连接。
24.上述箱体内部位于所述混凝土料筒的一侧固定有卡口，卡口上卡接有用于校准该装置的玻璃棒。
25.一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测方法，包括如下步骤：
26.1)检测超声波脉冲信号在新拌混凝土试件内部的传播时间t；
27.2)根据所述传播时间t及试件高度h，计算得出超声波在试件内的传播速度v；每间隔时间i，对超声波在试件内的传播速度进行再次计算，得出传播速度v
i+1
；
28.3)对所述传播速度v随时间的变化求导，当导数在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t1，并通过计算公式计算出预测的开始锯切时间t2；
29.4)检测混凝土试件的温度q，每间隔时间i，对试件的温度进行再次检测，得出温度q
i+1
；
30.5)对所述温度q随时间变化积分，当积分在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t3，并通过计算公式计算出预测的开始锯切时间t4；
31.6)计算出(min(t2,t4),max(t2,t4))即为混凝土路面开始锯切的时间范围。
32.上述水泥混凝土路面接缝锯切时间预测方法，具体包括如下步骤：
33.1)利用超声波发射装置发射超声波穿透新拌混凝土试件，并记录此时的时刻a
ti
；
34.2)利用超声波接收装置接收经过试件衰减之后的超声波信号，并记录此时的时刻b
ti
；
35.3)计算出脉冲信号在混凝土试件内部的传播时间t＝b
ti
‑
a
ti
；
36.4)利用测距装置测量出试件高度h，计算得出超声波在试件内的传播速度v；每间隔时间i，对超声波在试件内的传播速度进行再次计算，得出传播速度v
i+1
；
37.5)对所述传播速度v随时间的变化求导，当导数在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t1，并通过计算公式计算出预测的开始锯切时间t2；
38.6)检测混凝土试件的温度q，每间隔时间i，对试件的温度进行再次检测，得出温度q
i+1
；
39.7)对所述温度q随时间变化积分，当积分在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t3，并通过计算公式计算出预测的开始锯切时间t4；
40.8)计算出(min(t2,t4),max(t2,t4))即为混凝土路面开始锯切的时间范围。
41.本发明的有益效果：
42.1、本发明提供的一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置及方法，利用超声波与温度作用来预测路面板的最佳接缝锯切时间，可准确测试水泥混凝土路面到达初凝状态的时间，同时利用初凝时间准确预测水泥混凝土路面解封开始锯切时间。可以使实际施工过程中，在路面达到初凝状态时，就已知何时开始进行接缝锯切，可以提早做好工作安排，避免耽误工期。
43.2、本发明提供的一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置及方法，通过智能化的方式有效的结合了超声波及混凝土材料水化机理，实时监控超声波波速变化及水化热温度变化，再通过优化算法及两种方式的自动校正，最终实现混凝土最佳接缝锯切时间的预测。本装置及方法可以有效的减少混凝土路面板接缝处的随机开裂，提升混凝土路面的耐久性，延长其使用寿命。
44.3、本发明提供的一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置及方法，利用温度与超声波作用来预测路面板的最佳接缝锯切时间。为了预测最佳接缝锯切时间，需要判断出水泥混凝土的水化程度，而水泥混凝土的水化凝结过程，实质上是水泥颗粒材料水化反应的进行，在水化反应过程中，伴随着固相的生成和液相的减少，并放出热量。本发明通过超声波发射装置及超声波接收装置和温度检测装置，利用超声波在固相和液相传播速度不同的原理，和对水化反应放出热量的检测，来确定水泥混凝土的初凝时间，从而利用初凝时间与接缝锯切时间的关系来预测最佳接缝锯切时间。
45.4、本发明提供的一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置及方法，能计算出混凝土路面开始锯切的最佳时间范围。施工工人可以在这一范围内任意时间开始路面的锯切工作。同时通过两种最佳接缝锯切时间的相互验证，可以判断并纠正单一最大接缝锯切时间可能出现的误差。
46.5、现有技术通过水泥混凝土水化过程中的温度变化确定混凝土路面的锯切时间，然而其方法只能在混凝土达到锯切时间时进行通知，并不能在混凝土初凝时直接给出混凝土的开始锯切时间，只能做到确定而不是早期进行预测，在实际施工过程中操作性不足。同时现有技术仅仅利用水化热进行温度测量，手段较为单一，容易产生较大的误差。而本发明通过对温度场和波速场两种情况下测得数据进行预测，大幅提高了混凝土最佳接缝锯切时间预测的准确性，对实际施工具有很准确的指导意义。
附图说明
47.图1为本发明的整体结构示意图。
48.图2为本发明中箱体内部料筒及上下固定与测试模块的结构示意图。
49.图3为本发明中箱体上部内部电路板的结构示意图。
50.图4为本发明的控制原理框图。
51.图5为采用本专利方法进行预测后锯切与经验法锯切效果的对比图。
52.图6为利用本专利方法进行试验之后的所得的对比数据。
53.附图标记说明：
54.1、外壳体；2、箱体；3、箱门；4、把手；5、显示装置；6、控制按钮；7、设置按钮；8、伸缩件；9、板体；10、温度传感器；11、混凝土料筒；12、底板；13、超声波发射装置；14、超声波接收装置；15、数据接收模块；16、数据传输模块；17、数据处理模块；18、电源模块；19、万向轮；20、测距装置；21、卡口；22、玻璃棒；23、电源插头；24、电源接口。
具体实施方式
55.下面结合附图1和附图4，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
56.实施例1：
57.如图1所示，本发明实施例提供了一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置，包括箱体2，箱体2内部固定有混凝土料筒11，箱体2上方与混凝土料筒11开口相对的位置固定有伸缩件8，伸缩件8优选电动推杆，伸缩件8的伸缩端纵向向下伸缩，伸缩件8的伸缩端的端部固定有板体9，板体9与混凝土料筒11的内径适配，伸缩件8向下伸缩带动板体9向下压实混凝土料筒11内部的试件；所述板体9上固定有超声波发射装置13，混凝土料筒11下表面固定有与超声波发射装置13相对的超声波接收装置14，超声波接收装置14用于接收所述超声波发射装置13发射的超声波脉冲信号；所述箱体2内部上表面与板体9相对的位置固定有用于测量箱体2内部上表面与板体9之间距离的测距装置20，测距装置20为激光测距装置；所述混凝土料筒11的外侧壁固定有用于测量混凝土内部温度的温度传感器10。
58.进一步地，所述混凝土料筒11的外侧壁设有多个凹坑，每个凹坑内均设有一用于测量混凝土内部温度的温度传感器10；本发明中利用多个温度传感器10对混凝土料筒11内的温度进行测量，能保证测量数据的准确性。
59.本发明中混凝土料筒11的外侧壁设有凹坑，凹坑为不与内壁打通的孔同时混凝土料筒11上凹坑位置所对应的壁厚足够薄，凹坑位置壁厚足够薄使位于凹坑内的温度传感器10能随时监测混凝土料筒11内的温度变化。
60.进一步地，所述预测装置还包括控制系统，所述控制系统包括数据接收模块15、数据传输模块16、数据处理模块17、中央处理器以及电源模块18；所述数据接收模块15，与所述超声波发射装置13连接用于记录所述超声波发射装置13发射超声波脉冲信号的时间a
ti
；与所述超声波接收装置14连接用于接收到超声波脉冲信号的时间b
ti
；与所述测距装置20连接用于记录所述测距装置20测量的所述箱体2内部顶面与所述板体9之间的距离数值l
i
，记录箱体2内部高度默认值为l0；与所述温度传感器10连接用于记录所述温度传感器10测量的温度数值q
i
；所述数据处理模块17，通过数据传输模块16接收所述数据接收模块15记录
的数据，并将该数据按照波速计算公式δv＝l0‑
l
i
/st
i+1
‑
st
i
进行处理；所述中央处理器，用于协调所述数据接收模块15、数据传输模块16以及所述数据处理模块17的工作；所述电源模块18，与所述中央处理器15连接，用于给所述超声波发射装置13、所述超声波接收装置14以及所述测距装置20供电，电源模块18还与电源插头23连接，电源插头23与外部电连接用于给电源模块18充电。
61.进一步地，所述控制系统的中央处理器、数据接收模块15、数据传输模块16以及所述数据处理模块17均设于电路板上，电路板固定在外壳体1内部，外壳体1固定在所述箱体2上表面，外壳体1顶端固定有把手4，箱体2的底部固定有万向轮结构19，外壳体1正面设有显示装置5、控制按钮6以及设置按钮7；所述显示装置5、控制按钮6以及设置按钮7均与中央处理器连接。
62.进一步地，所述超声波发射装置13、所述超声波接收装置14以及所述测距装置20均通过线缆与位于所述外壳体1内部的数据传输模块16连接。
63.本发明提供一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置，利用温度与超声波作用来预测路面板的最佳接缝锯切时间。为了预测最佳接缝锯切时间，需要判断出水泥混凝土的水化程度，而水泥混凝土的水化凝结过程，实质上是水泥颗粒材料水化反应的进行，在水化反应过程中，伴随着固相的生成和液相的减少，并放出热量，本发明通过超声波发射及接受装置和温度检测装置，利用超声波在固相和液相传播速度不同的原理，和对水化反应放出热量的检测，来判断水泥混凝土的初凝时间进行确定，从而利用初凝时间与接缝锯切时间的关系来预测最佳接缝锯切时间。可以使实际施工过程中，在路面达到初凝状态时，就已知何时开始进行接缝锯切，可以提早做好工作安排，避免耽误工期。
64.实施例2：
65.本实施例基于实施例1，所述伸缩件8的伸缩端与圆杆的上端固定连接，圆杆的下端与所述板体9中心固定连接；所述圆杆为中空的壳体结构，中空的壳体内部用于容纳所述超声波发射装置13，超声波发射装置13具有线缆，线缆穿过中空圆杆8，经上部箱体1的底部开孔连接至数据传输模块16上。
66.进一步地，所述混凝土料筒11的下表面固定有底板12，底板12固定在所述箱体2底部，底板12的下表面固定有所述超声波接收装置14；所述箱体2底部开设有用于容纳所述超声波接收装置14的凹槽，超声波接收装置14具有线缆，穿过箱体2进入到外壳体1内部，并与位于外壳体1内部的数据传输模块16连接。
67.本发明中混凝土料筒11为中空有底的圆柱形结构，混凝土料筒11的内部直径与板体9的直径相同，同时混凝土料筒11底部的外径与混凝土料筒11下部固定的底板12的直径相同，同时混凝土料筒11的底部设置有电源接口24。
68.实施例3：
69.本实施例基于实施例1，所述箱体2内部位于所述混凝土料筒11的一侧固定有卡口21，卡口21上卡接有用于校准该装置的玻璃棒22。
70.本发明中在箱体内部卡接有玻璃棒22，玻璃棒22用于校准该水泥混凝土路面接缝锯切时间预测装置。
71.实施例4：
72.本实施例提供了一种水泥混凝土路面接缝锯切时间预测方法，具体包括如下步
骤：
73.1)利用超声波发射装置发射超声波穿透新拌混凝土试件，并记录此时的时刻a
ti
；
74.2)利用超声波接收装置接收经过试件衰减之后的超声波信号，并记录此时的时刻b
ti
；
75.3)计算出脉冲信号在混凝土试件内部的传播时间t＝b
ti
‑
a
ti
；
76.4)利用测距装置测量出试件高度h，计算得出超声波在试件内的传播速度v；每间隔时间i，对超声波在试件内的传播速度进行再次计算，得出传播速度v
i+1i
；
77.5)对所述传播速度v随时间的变化求导，当导数在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t1，并通过计算公式计算出预测的开始锯切时间t2；
78.6)检测混凝土试件的温度q，每间隔时间i，对试件的温度进行再次检测，得出温度q
i+1
；
79.7)对所述温度q随时间变化积分，当积分在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t3，并通过计算公式计算出预测的开始锯切时间t4；
80.8)计算出(min(t2,t4),max(t2,t4))即为混凝土路面开始锯切的最佳时间范围。
81.工作原理：
82.利用上述预测装置，来预测水泥混凝土路面接缝锯切时间的具体步骤如下：
83.1)按下控制按钮6中的电源按键打开装置电源，将已知长度与内部声波传播速度的玻璃棒22从卡扣21上取下，竖直放入混凝土料筒11中，将混凝土料筒11放入箱体2中的底板12上；
84.2)按下设置按钮7中的校准按键，对装置进行波速测定校正。按下按钮6中的下降键，使伸缩件8推动中空圆杆8带动着圆盘9向下运动，进入混凝土料筒11内部，接触到混凝土料筒11内部的玻璃棒22，关闭箱门3；
85.3a)按下设置按钮7中的开始按键，使超声波发射装置13发射一次超声波脉冲信号，数据接收模块15记录下此时的时间st
i
，之后超声波接收装置14接收到信号，并记录下接收时间st
i+1
；
86.同时测距装置20开始工作，测得装置与圆盘9之间的距离l
i
，下部箱体2内部高度为默认值l0；
87.数据经数据传输模块16，进入数据数据处理模块17，测量波速为v＝(l0‑
l
i
)/(st
i+1
‑
st
i
)，对装置进行校正；
88.4a)校正完毕后，按下控制按键6中的上升按键，使伸缩件8带着中空圆杆8和圆盘9同步向上运动离开混凝土料筒11，取出玻璃棒22并放回卡扣21中。
89.5a)从箱体中取出混凝土料筒11，并向其中装入与混凝土路面铺筑同一批次的新拌混凝土，将装有混凝土的混凝土料筒11放入箱体2中的底板12上；
90.6a)按下控制按钮6中的下降按键，使伸缩件8带着中空圆杆8和圆盘9同步向下运动，进入混凝土料筒11内部，与混凝土料筒11内部的混凝土相接触，关闭箱门3；
91.7a)按下设置按键7中的测量按键，切换至测量模式，并按下按键7中的开始按键启动程序进行测试。测距装置20开始工作，测得装置与圆盘9之间的距离l1，下部箱体2内部高度为默认值l0；
92.超声波发射装置13产生一次固定频率的超声波脉冲，记录下此时的时间a
ti
，脉冲
信号经过混凝土料筒11内部混凝土衰减之后被超声波接收装置14接收到，记录下此时的时间b
ti
。脉冲信号在混凝土内部中的传播时间可以测得为b
ti
‑
a
ti
。结合之前所得的混凝土料筒11内部混凝土高度h＝l0‑
l1可知，v
i
＝(l0‑
l1)/(b
ti
‑
a
ti
)。
93.经过每隔u＝20
‑
30s的时间间隔之后，超声波发射装置13再次产生脉冲信号，测得v
i+1
＝(l0‑
l
1)
/(b
ti+1
‑
a
ti+1
)。之后记录下δv＝v
i+1
‑
v
i
，k
i
＝δv/u，当k
i
超过某一设定值δk0时，此时的时间记为混凝土初凝时间t1，通过计算公式t2＝1.24
×
t1+273，计算出开始锯切时间的预测值t2。
94.该步骤中进行超声波测试，通过超声波穿过混凝土的时间经换算得出声速，然后对于声速进行求导，当导数在某一时刻的数值超过设定数值时，即斜率变化超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t1。之后通过公式t2＝1.24
×
t1+273，数据处理模块17计算出开始锯切时间的预测值t2。
95.8a)温度传感器10每隔1s记录一次混凝土内部温度qi，并绘制出温度随时间变化的曲线，并对温度q随时间变化积分，得到实时的积分值w
i
，当积分在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻记为混凝土初凝时间t3，通过计算公式t4＝1.24
×
t3+273，数据处理模块17计算出开始锯切时间的预测值t4。
96.该步骤中通过温度传感器对于混凝土内部的温度进行实时检测，绘制出温度q随时间的曲线，并对温度q随时间的变化积分得到成熟度w，当成熟度w在某一时刻的数值超过设定数值时，此时的时刻为混凝土初凝时间t3。之后通过公式t4＝1.24
×
t3+273，计算出开始锯切时间的预测值t4。
97.9a)数据处理模块17计算得出(min(t2,t4),max(t2,t4))，即为混凝土路面开始锯切的最佳时间范围。
98.上述计算所得的(min(t2，t4)，max(t2，t4))即为混凝土路面开始锯切的最佳时间范围。施工工人可以在这一范围内任意时间开始路面的锯切工作。同时通过两种最佳接缝锯切时间的相互验证，可以判断并纠正单一最大接缝锯切时间可能出现的误差。
99.本发明在使用时，通过温度检测装置测得混凝土在凝结硬化过程中由于放热引起的温度变化，同时可以通过超声波装置测得混凝土凝结硬化过程中的波速变化。该方法通过对温度场与波速场两种情况下测得的数据进行预测，大幅提高了混凝土最佳接缝锯切时间预测的准确性，对施工过程提供有价值的指导意义。相比于已有专利中的混凝土路面锯切时间的确定方法，此方法可以在混凝土达到初凝时间时就给出路面开始锯切时间，可以为路面锯切做好充分前期准备。
100.相比于已有专利中仅针对水化热单因素进行预测的方法，本装置通过智能化的方式有效的结合了超声波及混凝土材料水化机理，实时监控超声波波速变化及水化热温度变化，再通过优化算法及两种方式的自动校正，最终实现混凝土最佳接缝锯切时间的预测。本装置及方法可以有效的减少混凝土路面板接缝处的随机开裂，提升混凝土路面的耐久性，延长其使用寿命。
101.试验验证：
102.新拌水泥混凝土在凝结硬化过程中会持续放热，同时放热量会随着时间的推移而不同，而混凝土的放热与凝结硬化的过程是同时进行的，因此可以通过放热量的测定，来表征混凝土的硬化状态，即可以确定初凝时间，进而确定混凝土路面板的最佳接缝锯切时间。
同时超声波测速的原理是由于超声波在固液等不同介质中的传输速度不同，在流体中的传播速度比在固体中慢。新拌水泥混凝土可以看作是流体，随着混凝土的凝结硬化，混凝土材料由流态向固态转变，超声波在混凝土中的传播速度变大。因此可以通过超声波速度表征混凝土的硬化状态。
103.若单独检测混凝土的放热量，即温度变化，或者混凝土内部超声波的速度的大小来预测混凝土的路面板的最佳接缝锯切时间，由于无关变量的影响，很容易使检测结果的精度达不到要求。而采用两种方法并行进行最佳接缝锯切时间的预测，可以有效的提高路面板接缝锯切预测的精度，使混凝土路面板经过锯切之后，达到最佳的使用状态。如附图5所示，左图为施工中采用经验法进行混凝土面板锯切的效果，右图为采用本专利方法进行预测后在最佳时间锯切的效果。可知右图在最佳时间锯切后的接缝锯切平整，相比于经验法，锯切后的接缝锯切两侧没有产生裂缝开裂，状态良好。如附图6所示，在利用本专利方法进行试验之后的所得的对比数据。可知混凝土的水化热测试与超声波测试得到的结果具有很好的相关性，可以相互验证。
104.综上所述，本发明提供一种水泥混凝土路面接缝锯切时间的预测装置及方法，利用温度与超声波作用来预测路面板的最佳接缝锯切时间，可准确测试水泥混凝土路面到达初凝状态的时间，同时可以利用初凝时间准确预测水泥混凝土路面解封开始锯切时间范围。
105.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。