混凝土浇筑后，表面水分迅速蒸发，内部水分迅速扩散^[1-3]，如不及时养护会使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化转化为稳定的结晶，从而缺乏足够的黏结力，会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。在混凝土尚未具备足够强度时，水分过早蒸发还会产生较大收缩变形，出现干缩裂纹，影响混凝土的耐久性和整体性^[4]。对于薄壁衬砌结构，湿度和干缩应力是早期裂缝的重要原因^[5]。

施工中，根据结构形式、环境特点和施工条件选用不同的养护方式，会在很大程度上影响混凝土的养护质量，从而影响混凝土的强度、干缩应力^[6-10]。虽然施工人员能够认识到混凝土保湿养护的重要性，但由于现场施工要求与环境的差异，混凝土保湿养护没有形成统一的标准(如不同气温、湿度、风速等条件下的养护间隔时间、混凝土面层的湿度等)，同时受到施工工期、技术、成本以及技术员责任心等因素的限制，容易导致混凝土保湿养护不到位。因此，一些技术人员和学者开始研究保湿养护的自动化、智能化问题，例如在面板、预制梁、隧洞衬砌混凝土表面或周围安装喷头，采用时控开关按固定间隔时间t₁、喷淋时间t₂进行循环养护^[11-13]。徐俊杰^[14]按现场喷淋试验确定t₁、t₂取值，康建荣等^[15]改为脉冲控制仪控制，曹新刚等^[16]则是对应不同的环境温度、湿度与风速预先设置不同的水温与t₁、t₂，这些方案均使得混凝土养护效果得以有效提升。但目前仍然是依赖技术人员对混凝土保湿的人工经验判断，没有明确的混凝土面层湿度标准；也没有能够适应环境温湿度、风速变化，自动计算混凝土面层湿度，实时智能控制t₁、t₂两个指标的保湿养护方法。

近几年，智能技术迅速发展和深度应用，已经成为欧美各国各行业布局的重点领域^[17-19]和《中国建造2035战略研究》^[20]的重点研究方向。众多学者结合行业应用，研究工程建设智能化实用技术^[21-25]，从行业需求和特性出发初步构建了智能建造的框架体系^[26]和成套技术^[27]，推进工程建设与智能技术深度融合已成为大势所趋。因此，本文针对混凝土保湿养护存在的上述技术问题，基于养护质量要求确定保湿标准，建立混凝土保湿养护数学模型，基于智能建造闭环控制理论提出混凝土保湿养护智能控制方法，从而实现混凝土保湿养护的智能控制。

1 混凝土智能养护湿度标准

水工混凝土的有关设计和施工规范，对混凝土保湿养护的龄期、水温做出了相关规定^[28-32]，例如：《混凝土坝温度控制设计规范》仅要求“宜养护至设计龄期，养护期不宜少于28 d”^[28]；其他规范要求保持湿润状态、保持混凝土表面湿润、保湿养护等，但都没有对面层混凝土湿度提出具体要求与规定。这样一来，就把湿度控制标准留给了“人为判断”。只有《普通混凝土力学性能试验方法标准》要求标准养护室的湿度达到95%以上^[32]。试块进入实验室时的内部和表层湿度都大于95%，内部甚至大于100%，所以在湿度大于95%环境养护的混凝土试块整个养护期的表层湿度都不低于95%。

要实现混凝土保湿养护智能化控制，首先必须要有湿度控制标准，依赖于“人为判断”难以保证养护质量，而且缺乏科学依据。混凝土在自然环境下浇筑完成后，初期内部和表层湿度≥100%。根据有关研究，混凝土配合比中的水量都大于水化反应需要水量，因此足以保持内部湿度，如果内部的水分不向外扩散流失是不需要养护的。水分流失主要是通过混凝土外表面。湿度的传导是非常缓慢的，经过14 d后湿度有15%变化的区域只限于距混凝土表层4.8 cm范围内，60 d后约为8.2 cm^[5]。所以，在养护过程中混凝土内部仍然富含水份，湿度达到100%甚至更高，而外表层的湿度逐步降低，不能满足水化要求^[1-3]。因此养护的主要目的是补充混凝土表层水分，可以借鉴文[32]要求“标准养护室的湿度达到95%”能够保证试块养护质量的成功经验，将表层湿度≥95%作为自然环境浇筑混凝土养护的保湿标准。

2 混凝土表面湿度控制数学模型

混凝土湿度场在第三类边界条件下的求解，边界条件复杂，无法得到精确理论解。马文彬等^[33]假定混凝土表面湿度始终等于环境湿度、内部无限远处湿度等于初始湿度，推导获得混凝土内部湿度计算方程。实际上混凝土表面湿度与环境湿度并不一致。Weiss等^[34]在Parrott等^[35-36]研究的理论基础上推导出混凝土内部湿度场数学模型，同样无法求解混凝土表面湿度场，且试件尺寸相关系数难以确定，也无法判断环境因素对混凝土湿度场影响。

朱伯芳^[37]选取厚度为2R(m)的无限大平板(见图 1)，假设初始状态t=0时平板内湿度处处相等且为H₀，两侧环境湿度为H_c并保持不变，内部湿度扩散系数为D(m²/h)、表面与环境之间表面水分交换系数为f(当f→∞时，第三类边界条件转化为第一类边界条件；当f=0时，$\frac{\partial H}{\partial n}=0$，转化为绝湿边界)，两侧扩散情况相同，湿度分布对称，中心为原点，取平板一半推导了更广泛的第三类边界条件下的理论解，平板任意时间t(h)、任意位置x(m)处的湿度值为

$ \begin{array}{c} H(x, t)=\theta_{0} \sum\limits_{n=1}^{n=\infty} \frac{2 \sin \left(\gamma_{n} R\right)}{\gamma_{n} R+\sin \left(\gamma_{n} R\right) \cos \left(\gamma_{n} R\right)}\cdot\\ \cos \left(\gamma_{n} x\right) \exp \left(-\gamma_{n}^{2} D t\right)+H_{\mathrm{c}}. \end{array} $

(1)

令x=R，即可得到混凝土表面湿度：

$ \begin{array}{c} H(R, t)=\theta_{0} \sum\limits_{n=\infty}^{n=1} \frac{2 \sin \left(\gamma_{n} R\right)}{\gamma_{n} R+\sin \left(\gamma_{n} R\right) \cos \left(\gamma_{n} R\right)}\cdot \\ \cos \left(\gamma_{n} R\right) \exp \left(-\gamma_{n}^{2} D t\right)+H_{\mathrm{c}}, \end{array} $

(2)

$ \theta_{n}(x, t)=\mathrm{e}^{-\gamma_{n}^{2} D t}\left[A_{n} \cos \left(\gamma_{n} x\right)\right] $

(3)

其中：系数$A_{n}=\frac{2 \sin \left(\gamma_{n} R\right)}{\gamma_{n} R+\sin \left(\gamma_{n} R\right) \cos \left(\gamma_{n} R\right)}$；θ₀=H₀-H_c；γ_n为系列方程(3)的特解。

综合工程应用的权威性和广泛适用性，采用CEB-FIP(90)规范推荐公式计算^[38]：

$ \frac{D}{D_{1}}=\alpha+\frac{1-\alpha}{1+ \ \left[(1-H) /\left(1-H_{\mathrm{p}}\right)\right] \ ^{n}} \ \ \ \ . $

(4)

其中：H为混凝土内部湿度；D₁为混凝土饱和状态时的湿度扩散系数；H_p为D=0.5D₁时混凝土湿度；当缺乏试验数据时，参考取值H_p=0.8，系数α=0.05，指数n=15。

同时D₁与混凝土强度有一定的函数关系，表示如下：

$ D_{1}=\frac{D_{1.0}}{f_{\mathrm{ck}} / f_{\mathrm{ck} 0}}. $

(5)

其中：D_1.0=3.6×10^-6 m²/h；f_ck0=10 MPa；轴心抗压强度标准值f_ck=f_cm-8 MPa，f_cm为平均抗压强度。

式(4)和(5)表明，湿度扩散系数D与混凝土内部湿度和强度有关。

混凝土表面与环境之间表面水分交换系数为f，是环境因素对混凝土表面水分损失速度影响的综合反映。采用GB/T 50081—2002^[32]推荐并经试验验证^[39]的理论计算公式：

$ \begin{array}{c} \text {层流}: R e_{l}<5 \times 10^{5}, \\ f=0.644 \frac{D_{a}}{l} R e_{l}{ }^{1 / 2} S c^{1 / 3}. \end{array} $

(6)

$ \begin{array}{c} \text {湍流}: R e_{l} \geqslant 5 \times 10^{5}, \\ f=0.0365 \frac{D_{a}}{l}\left(R e_{l}^{0.8}-A\right) S c^{1 / 3}, \end{array} $

(7)

$ D_{a}=\frac{1.659 \times 10^{-3}}{p_{0}} \times \frac{T^{5 / 2}}{1.8 T+441}, $

(8)

$ R e_{l}=\frac{l u_{0} \rho_{\mathrm{g}}}{\mu_{\mathrm{g}}}. $

(9)

$ S_{c}=\frac{\mu_{\mathrm{g}}}{\rho_{\mathrm{g}} D_{a}}. $

(10)

其中：l为平板壁面沿风速方向的长度，取1 m(实际工程中l远大于1 m，此处取1 m为保守估计)；Re_l为平板壁面Reynolds数，对于平板壁面对流传质临界Re通常取5×10⁵；μ_g为空气的黏滞系数，Pa·s；ρ_g为空气的密度，kg/m³；u₀为环境风速，m/s；D_a为空气湿度扩散系数，与温度和压强有关；p₀为大气压强，Pa，标准状况下p₀=1.013×10⁵ Pa；T为水蒸气的热力学温度，K；Sc为Schmidt数；A为校正系数，取A= 23 377。

式(6)和(7)表明：表面水分交换系数f与环境温湿度(T、H_c)、环境风速F=u₀等因素相关，是环境因素对混凝土表面水分损失速度影响的综合反映。

在进行混凝土保湿养护智能控制过程中，通过实时监测环境温湿度(T、H_c)、环境风速(F)，将混凝土内部湿度、强度代入式(4)和(5)计算湿度扩散系数D；将环境温湿度(T、H_c)、环境风速F等参数代入式(6)—(10)计算表面水分交换系数为f；最后将D、f、停止喷淋后的时间t及相关参数代入式(2)即可实时计算表层混凝土湿度。

衬砌结构不是厚度为2R的无限大平板，存在周边湿度散失影响，导致式(2)计算值大于混凝土面实际湿度。但由于厚度与衬砌面尺寸比值很小，近似无限大平板，而且是计算表层湿度，受到周边影响更小，所以误差非常小。

3 混凝土保湿养护智能控制有关参数

混凝土保湿养护已有一些相关研究^[40-42]，主要参数有：

1) 保湿养护表层混凝土湿度标准H_s。根据前面的分析取H_s=95%，有特殊要求的部位适当增大。在智能养护过程中，混凝土表层湿度≤95%时再次喷淋养护，始终保持表层湿度≥95%。

2) 养护水温T_w。由于过去大多采取间断性洒水养护，水工混凝土有关规范对于养护水温没有提出要求^[28-31]，仅《混凝土养护手册》要求：“若淋注于混凝土表面的养护水温度低于混凝土表面温度时，二者间温差不得大于15 ℃”。流水养护时，按照15 ℃温差控制是较合适的。对于保湿智能养护，采用间断性雾化喷淋制造湿润环境，可以参考混凝土内部温度与环境温度差进行控制。《混凝土养护手册》同时要求“养护期间混凝土的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过20 ℃”。因此雾化养护水与表层混凝土温差宜小于20 ℃，与混凝土芯部温差则可以达到近40 ℃。《混凝土结构工程施工规范》规定“当混凝土表面以内40~80 mm位置的温度与环境温度的差值小于25 ℃时，可结束覆盖养护。覆盖养护结束但尚未到达养护时间要求时，可采用洒水养护方式直至养护结束”^[31]。这一要求与“混凝土表层与环境之间的温差不宜超过20 ℃”相当。显然，如果能将混凝土芯部与雾化养护水温差控制在小于25 ℃，是足够安全的。

以3个代表性工程的水工隧洞衬砌混凝土为例(见表 1)，采用常温水养护，水温较高；采取了有效温控措施情况下，允许内部最高温度为34~44 ℃；混凝土芯部与养护水温差为14~23 ℃，小于25 ℃。因此，水工隧洞衬砌混凝土智能保湿养护，不专门进行水温控制。

3) 混凝土保湿养护龄期Y_d。水工混凝土有关规范^[28-31]一般要求“不宜少于28 d，有特殊要求的部位宜适当延长”。

文[7]研究表明，标准养护和自然养护环境的温湿度、风速等均不同，会不同程度上影响水工长龄期混凝土强度增长规律；而且对硅酸盐水泥混凝土、矿渣硅酸盐水泥混凝土、不同粉煤灰掺量混凝土的影响规律是不同的。无风、温度适宜、湿度大的标准养护环境下，各龄期混凝土的抗压强度增长率均大于自然养护环境下的强度增长率，因而最终强度也更高。

白鹤滩、乌东德水电站属于干热河谷，气温高、湿度低、风大，在此环境的新浇筑混凝土很容易失水收缩甚至产生微裂纹。白鹤滩水电站导流洞洞内气温适中、无风，2013年冬季浇筑期实测洞内湿度约60%，有的衬砌混凝土(低热水泥)早期发生了表面龟裂。采用有限元法仿真计算，在叠加温度应力的基础上，洞内湿度60%~70%情况下，至少需要保湿养护60 d以上(而且早期仍然显得不足)，宜90 d；70%~80%湿度情况宜60 d；湿度达到90%~95%以上条件下也需要28 d。

综上可知，一方面，在保湿养护智能控制过程中需要全面监测环境温湿度和风速，用以反馈混凝土养护湿度，实时控制间隔时间t₁和喷淋时间t₂；另一方面，实时调整养护龄期Y_d，在满足混凝土面层全时湿度≥95%的条件下取Y_d=28 d。

4) 喷淋标准时间T_k。是指在混凝土养护面湿度≤95%时再次喷淋，能够使得混凝土养护面全面湿润，恢复湿度达到100%的时间。由于各工程结构、环境和养护面大小均不同，宜根据现场喷淋试验确定。另外，喷淋装置的布置，也应该根据现场喷淋试验确定。

4 混凝土保湿养护智能控制技术方法

根据智能建造闭环控制理论^[43]，提高工程质量、节约成本、确保安全的智能控制，是一个“全面感知、真实分析、实时控制、持续优化”的闭环过程，混凝土保湿养护智能闭环控制过程如图 2所示。

针对不同的工程应用场景和建设目标要求，需要相适应的智能控制技术，人工智能是智能化的一种高级形式和技术手段。混凝土保湿养护智能控制，通过传感器感知环境温湿度和风速、智能控制器分析计算混凝土养护面湿度，并控制电磁开关(t₁、t₂)实现保湿养护，完成闭环控制，具体控制系统如图 3所示。由智能控制系统、温湿度和风速采集系统、喷淋养护系统和水电供应系统构成。智能控制系统包括保湿养护智能控制器^[44-45]、电磁阀及其连接电缆；温湿度和风速采集系统包括温湿度传感器、风速传感器及其与智能控制器的连接电缆；喷淋养护系统包括与电磁阀连接、用于进行喷水养护的装置整体；水电供应系统包括提供智能控制器和电磁阀的供电系统、连接于电磁阀前端提供养护用水的供水系统。

混凝土保湿养护智能控制的过程：实时采集环境温湿度和风速，并在线感知、智能识别；智能计算混凝土养护面湿度，并与设备设定湿度控制值比较、判别；实时自动控制电磁阀开关(间隔时间t₁、喷淋时间t₂)，进行混凝土喷淋养护，控制混凝土面湿度；反馈调控，科学实现混凝土保湿养护(见图 2)。目标是保持混凝土养护面湿度≥95%。在进行保湿养护前，先妥善安装智能控制系统，并全面调试、检验，确定养护参数。保湿养护智能控制实施过程如图 4所示。

(1) 启动保湿养护智能控制，智能控制器打开电磁阀，记录初始时刻T₀，开始喷淋养护，喷淋时间t₂=T_k，令i=0、n=0。

(2) 智能控制器每隔5 min(不含喷淋时间T_k)采集并自动记录环境的温度T、湿度H_c和风速F，并在第i次停止喷淋后记录采集次数n。则该次喷淋后至此共计停止喷淋时间t=5n/60。

(3) 智能控制器自动计算混凝土表层湿度H_s。喷淋后瞬间的初始湿度H₀=100%，停止喷淋时间t=5 n/60。将混凝土结构、养护环境、H₀、t等有关参数代入式(2)计算H_s。

(4) 混凝土保湿养护智能控制。如果混凝土表层湿度H_s≥95%，则不喷水，返回第2步；如果H_s≤95%，则反馈预警，智能控制器第i次打开电磁阀，喷淋时间t₂=T_k。令i=i+1。记录该次打开电磁阀的时刻T_i(年月日时分)，记录该次间隔养护时间t_1i= 5 n/60(h)。如果遇到不能打开电磁阀喷淋养护等情况，自动报警。

(5) 计算已经保湿养护的龄期T_y。至第i次喷水已经累计养护龄期T_y为T_i与T₀的时间差；或者采取累加计算所记录的养护时间的方法，即对至第i次时的累计喷淋时间和间隔时间(T_k/60+t_1i)求和。

(6) 关闭电磁阀终止保湿养护。如果T_y≤Y_d，令n=0，再次返回第2步，继续保湿养护；如果累计养护时间T_y≥Y_d，则自动断电关闭智能控制器和电磁阀，完成结构混凝土智能化保湿养护。

5 应用分析 5.1 工程概况及系统布置

白鹤滩水电站地处亚热带季风区，日照强、昼夜温差大，冬季干燥、风速大，夏季气温高、降雨多，气温骤降频繁。坝址区多年平均气温21.9 ℃，极端最高气温42.7 ℃；平均风速1.9 m/s，日极大风速出现7级以上年平均237 d。枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。泄洪设施包括大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪隧洞。3条泄洪洞布置在左岸，采用无压泄洪洞型，浇筑低热水泥混凝土。泄洪洞的断面大、泄洪流速高达45 m/s以上、混凝土强度C₉₀40~C₉₀60，且受河谷干热、大风、高温气候影响，混凝土浇筑温控防裂和养护要求极高。

泄洪洞边墙衬砌混凝土养护全部采用智能控制，其中2#洞上平段衬砌结构如图 5所示，采用皮带输送浇筑低坍落度C₉₀40混凝土。每条泄洪洞使用一套保湿养护智能系统，随混凝土浇筑、养护逐步推进。供水管利用洞内施工供水管线系统，分区引出，采用电磁阀控制。养护水管沿泄洪洞边墙顶部布置，将外径ϕ30 mm塑料水管正对衬砌边墙壁面沿长度方向每间隔30 cm均匀钻ϕ2 mm小孔，使水流直喷墙面。并在边墙顶部壁面与喷淋水管之间挂设0.5 m宽度土工布，使水流喷淋于土工布沿边墙均匀流下(见图 6和7)。温湿度传感器、风速传感器安装在养护边墙旁。考虑到施工人员安全，选择低压(12 V)电磁阀，管径ϕ30 mm，布置在进水口前端，连接于施工供水管。为保证安全与防水，保湿养护智能控制器(包括外连接计算机)安装在进水口前端，搭制简易棚子。

5.2 保湿养护系统调试与确定喷淋标准时间

每段衬砌混凝土浇筑完成，立即安装该浇筑段喷淋养护系统，将电磁阀电缆与保湿养护智能控制器联接，与该隧洞已经形成的保湿养护系统联网。在拆模后立即进行该浇筑段保湿养护系统调试。

1) 进行保湿养护控制系统的全面检查，按照电路安全要求进行电路、电气设备的安全检查，电线连接是否正确无误、有无漏电等；供水管、喷淋管布置与安装是否正确无误；温湿度、风速传感器布置与安装是否正确无误。

2) 进行保湿养护智能控制效果检查，观察衬砌混凝土表面是否全部足够湿润。根据连续5次喷淋效果检查、分析，并适当调整喷淋孔间距与方向(或者补加钻孔)，在图 6喷淋水管布置的情况下确定泄洪洞边墙养护每次喷淋标准时间T_k=180 s。

3) 进行保湿养护智能控制系统整体性能与安全性检查，确认智能控制器(计算机)、电磁阀等都能够按照事先设计安全、有效运行。

调试完成再次确认后，将该浇筑段喷淋养护系统与保湿养护系统联网，智能控制器打开电磁阀，开始保湿养护正常运行。

5.3 保湿养护运行效果

设计要求衬砌混凝土连续湿润养护的时间为90 d，如前所述保湿养护表面湿度标准≥95%。由于研制设备取n=5计算湿度时存在小于1%截断误差，理论及其简化假设与工程实际的差异导致误差，故本文智能化养护设备设定湿度控制值取98%，以不断反馈、优化修正自然环境养护下设备设定的湿度控制取值，确保混凝土养护面湿度≥95%。

2#泄洪洞上平段某浇筑段于2018年11月9日完成混凝土浇筑，2018年11月11日拆模后进行系统调试，验收合格后即开始智能保湿养护。整理28 d的智能控制结果，即2018年11月11日10∶00时至2018年12月9日10∶00时，泄洪洞内部环境参数实测数据和保湿养护智能化控制情况如图 8和9所示。由于电磁阀开、关的时间间隔一般都不足1 h，28 d的数据量巨大，图 9只整理了28 d智能控制器实测的隧洞内部环境温度、湿度、风速曲线。图 7是该浇筑段边墙混凝土智能保湿养护效果照片。根据以上智能检测、保湿养护控制成果以及现场检查情况可知：

1) 隧洞内部温度较稳定。由于是11月—12月，洞内环境温度在13 ℃左右。该浇筑段距洞口较远，白天与夜晚的温度基本相当。

2) 隧洞内部湿度变化较大，约50%~85%。湿度变化可能与隧洞内部的施工活动有关，刚拆模开始养护的2 d内，临仓混凝土浇筑和本仓养护用水多，湿度较大；后期10 d左右的湿度相对较小；而且一般白天湿度大，夜晚至早晨湿度小，与施工活动白天多、夜晚少有关。

3) 隧洞内部的风速基本为0，即基本无风。

4) 根据以上智能控制器采集隧洞内部环境的温度、湿度、风速，自动计算混凝土养护面湿度，长期在98%以上，保持湿润状态。环境湿度小时，喷淋时间间隔短；湿度大时，间隔时间长；间隔时间(即不喷水时间)都小于1 h。在停止喷淋期间的再次喷淋前，11次现场人工检测混凝土面层真实湿度96.5%~97.4%，平均96.9%，均大于95%，充分说明在智能控制初期采取适当大于标准值95%进行控制是合适的，下一步宜根据更多的现场检测结果不断优化控制湿度取值。

通过对白鹤滩泄洪洞混凝土采用智能保湿养护技术，有效进行了衬砌混凝土保湿养护，效果良好，形成“镜面”效果(见图 7)。同时有效控制了泄洪洞内混凝土裂缝的产生，经监测检查，各部位未出现温度裂缝和龟裂。

6 结论

借鉴文[32]要求“标准养护室的湿度达到95%”保证了试块养护质量的成功经验，将浇筑混凝土表层湿度≥95%作为自然环境养护的保湿标准是合适的。在目前智能控制尚未积累足够经验的情况下采取≥98%控制，可以更好地保证保湿养护效果。基于第三类边界条件下的湿度场理论解，建立自然环境混凝土保湿养护数学模型和表面湿度演变计算方法，可以科学实时计算混凝土养护面的湿度。建立智能控制技术方法并研制设备，自动采集自然环境温湿度和风速，科学计算混凝土表面湿度，实时反馈预警，智能控制喷淋系统，实现混凝土保湿养护智能控制，全过程无需人工控制。使用这套控制系统在白鹤滩泄洪洞有效进行衬砌混凝土保湿养护，质量良好，可以在其他工程中推广应用。本文对混凝土保湿养护智能控制进行了初步探讨，还有待进一步运用学习功能和混凝土面层湿度检测结果，反馈和不断优化控制湿度取值，实现人工智能控制，提高保湿效果与经济性。