一种基于非稳态热湿传输的混凝土养护过程动态调控方法与流程

本发明属于混凝土智能养护，尤其涉及一种基于非稳态热湿传输的混凝土养护过程动态调控方法。

背景技术：

1、混凝土浇筑后，其力学性能和耐久性能的发展高度依赖于早期的养护条件。养护的核心目标是维持适当的温度和湿度环境，以保证胶凝材料充分水化，同时避免因温度应力或干燥收缩引发裂缝。尤其在大体积混凝土（如大坝、基础底板、桥墩）和薄壁结构（如墙板、壳体）中，养护质量直接决定结构的承载能力、抗渗性和服役寿命。

2、传统养护方法采用定时定量的固定制度，例如“浇筑后覆盖保温被7天，每天洒水3次”。这种方法的根本缺陷在于：养护参数（保温厚度、洒水频次）是预先设定的，完全不响应混凝土内部实际的热湿状态变化。当遇到极端天气（如寒潮、高温干燥风）或混凝土配合比波动时，固定制度无法自适应调整，容易导致温峰失控、内外温差过大或表面失水过快。且现有调控决策高度依赖现场技术人员经验。判断“何时该加强保温”、“何时该增加洒水”缺乏定量依据。这种经验模式在大体积混凝土、高强混凝土、复杂气候条件等场景下，决策可靠性显著下降，质量波动大。

3、除此之外，传统方法通常是在裂缝出现或温度超标后才采取补救措施，本质上是被动的事后响应。缺乏对未来热湿状态的前瞻预测能力，无法在风险发生前进行预防性调控。而且现有养护技术通常将温度控制和湿度控制分开处理，忽略了两者之间强烈的物理耦合：水化放热驱动温度场，温度梯度驱动水分迁移，表面蒸发同时带走热量和水分的复杂交互。忽略这种耦合，控制策略往往顾此失彼。许多养护方案缺乏对该混凝土配合比下热湿本构参数的完整测定，温度应力计算和开裂风险评估依赖经验公式，精度不足。传感监测、仿真分析、调控决策往往各自独立，数据未能实时融合形成闭环。即使布设了传感器，数据也仅用于记录而非驱动主动控制。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于非稳态热湿传输的混凝土养护过程动态调控方法解决了传统养护采用定时定量的固定制度，无法响应材料内部热湿状态的时空演变，导致温峰失控、内外温差过大、表面失水过快的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于非稳态热湿传输的混凝土养护过程动态调控方法，包括：

3、确定待养护的混凝土构件的配比，基于混凝土构件的配比，在实验室测定混凝土的热湿本构模型参数；

4、基于混凝土的热湿本构模型参数建立非稳态热湿耦合传输控制模型；所述非稳态热湿耦合传输控制模型基于能量守恒方程、质量守恒方程、热边界和湿边界确定；

5、正式施工时，在待养护的混凝土构件中预埋温度传感器和湿度传感器，并在养护环境中布设用于采集环境数据的微型气象站；所述环境数据包括风速、环境温度、环境相对湿度和太阳辐射强度；

6、基于温度传感器、湿度传感器和微型气象站获取待养护的混凝土构件开始养护时的初始状态；根据热湿本构模型参数和初始状态初始化待养护的混凝土构件的数字孪生模型；

7、在当前时间步：基于温度传感器和湿度传感器获取实时观测数据，并基于实时观测数据，利用改进的集合卡尔曼滤波进行反演，并根据集合成员的反演结果均值更新数字孪生模型；所述改进的集合卡尔曼滤波的状态向量包括各监测点位的温度、各监测点位的湿度、当前等温水分扩散系数和导热系数；改进的集合卡尔曼滤波具体为在后验更新时引入增益衰减系数控制增益；

8、基于更新后的数字孪生模型的状态，构建mpc约束预测控制问题求解未来p个控制步使成本函数最小的最优养护动作序列。

9、进一步地，所述混凝土的热湿本构模型参数包括水化热特性参数、热物理参数、湿传输参数和边界特性参数；所述测定混凝土的热湿本构模型参数，具体为：

10、对相同配比的水泥净浆试样在不同温度条件下利用等温微量热仪连续测定热流若干小时，得到若干热流数据；基于不同温度条件下的热流数据，采用全局最小二乘法以最小化各温度条件下各时刻的水化度预测误差平方和为目标拟合动力学方程，得到水化热特性参数；所述动力学方程在现有反应动力学方程的基础上引入修正项补偿水化后期体积收缩和c-s-h致密化的非线性耦合效应：

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13、其中，为微分符号；为水化度；为时间；为表观活化能；为通用气体常数；为参考温度；为当前温度；为速率常数；为加速期的机理控制指数；为减速期的机理控制指数；为高水化度修正系数；为100%水化时的理论放热量；为最终水化度，即实际可达最大水化度；为水化放热功率密度；为混凝土密度；

14、浇筑不同尺寸的相同配比的混凝土试件，基于各混凝土试件确定热物理参数：利用排水法测量混凝土密度；采用瞬态平面热源法测量每个混凝土试件的导热系数，采用差示扫描量热法测量不同龄期混凝土试件粉末在不同温度下的比热容，并记录各测点对应的含水率、温度和水化度；基于各测点的导热系数、比热容、含水率、温度和水化度分别拟合导热系数模型和比热容模型：

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16、

17、为导热系数；为初始状态导热系数；为当前含水率；为初始含水率；为含水率影响指数；为水化增强系数；为比热容；为基础比热容；为温度修正系数；为水化修正系数；

18、基于相同配比的混凝土试件的水分特征曲线、等温水分扩散系数数据和热湿扩散系数数据，测定湿传输参数：基于水分特征曲线、等温水分扩散系数数据和非等温扩散系数数据拟合水分特性曲线模型、等温水分扩散系数模型、非等温扩散系数模型和化学结合水项：

19、

20、

21、

22、

23、其中，为有效饱和度；为残余含水率；为饱和含水率；为与进气值相关的拟合参数；为毛细压力头；为反应孔径分布宽度的拟合参数；为当前等温水分扩散系数；为基准扩散系数；为饱和度影响指数；为水化阻碍系数；为当前非等温扩散系数；为热扩散耦合因子；为化学结合水量；为单位水化度增量对应的结合水质量；

24、在风洞中确定裸露混凝土表面对流换热系数与风速的关系，并获取各养护覆盖材料的厚度和导热系数，测定边界特性参数：基于对流换热系数与风速的关系、各养护覆盖材料的厚度和导热系数，标定有覆盖物时的等效换热系数；基于对流换热系数与风速的关系，利用热质类比法标定对流传质系数；基于对流传质系数标定表面蒸发通量：

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27、

28、

29、

30、其中，为对流换热系数；为表面自然对流换热系数；为风速系数；为风速；为风速系数；为有覆盖物时的等效换热系数；为第层覆盖物的厚度；为第层覆盖物的导热系数；为覆盖物层数；为层间空气热阻；为对流传质系数；为空气密度；为空气比热容；为刘易斯数；为表面蒸发通量；为混凝土表面相对湿度；为饱和水蒸气密度；为混凝土表面温度；为环境相对湿度；为环境温度；为水的摩尔质量；为液态水密度；为毛细压力。

31、进一步地，所述能量守恒方程的表达式为：

32、

33、其中，为混凝土密度；为温度为，水化度为时的比热容；为当前温度；为时间；为梯度算子；为含水率为，水化度为时的导热系数；为温度梯度；为温度为，水化度为时的水化放热功率密度。

34、进一步地，所述质量守恒方程的表达式为：

35、

36、其中，为当前含水率；为时间；为梯度算子；为含水率为，水化度为时的当前等温水分扩散系数；为含水率梯度；为温度为，含水率为时的当前非等温扩散系数；为温度梯度；为化学结合水量。

37、进一步地，所述热边界和湿边界的表达式为：

38、

39、其中，为导热系数；为当前温度；为混凝土表面的单位外法线方向；为有覆盖物时的等效换热系数；为混凝土表面温度；为环境温度；为太阳辐射吸收率；为太阳辐射强度；为水的汽化潜热；为表面蒸发通量；为混凝土表面；

40、正常蒸发时湿边界的表达式为：

41、

42、其中，为当前等温水分扩散系数；为当前含水率；

43、喷淋调控时热边界采用定值边界：

44、

45、其中，为混凝土表面含水率；为饱和含水率。

46、进一步地，所述改进的集合卡尔曼滤波的后验更新的表达式为：

47、

48、

49、

50、其中，为第个带有扰动的集合成员的反演的后验更新结果；为基于上一时间步的最佳状态估计生成的第个带有扰动的集合成员在当前时间步的预测状态；为增益衰减系数；为卡尔曼增益矩阵；为传感器实时观测；为观测矩阵；为观测噪声模拟项；为非线性度指标；为非线性度临界阈值；为非稳态热湿耦合传输控制模型；为集合成员经非稳态热湿耦合传输控制模型传播后的实际协方差；为基于线性化近似的协方差；为f范数。

51、进一步地，所述mpc约束预测控制问题的成本函数为;

52、

53、其中，为成本函数；为控制步索引；为控制步总数；为时刻的内外温差；为目标温差；为温差项的权重矩阵；为时刻的混凝土表面相对湿度；为最低允许表面相对湿度；为湿度项的权重矩阵；为在时刻施加的控制向量；为能耗项的权重矩阵。

54、进一步地，所述控制向量包括混凝土养护环境的可调控数据，包括覆盖物厚度、预埋的冷却水管的冷却水流量、冷却水水温、喷淋启停和喷淋水温。

55、本发明的有益效果为：在动力学方程中引入修正项补偿水化后期体积收缩和c-s-h致密化的非线性耦合效应，传统的单参数模型（如固定指数）无法同时精确描述加速和减速两个阶段，用两个指数来“解耦”不同阶段的控制机理。在传统集合卡尔曼滤波基础上，引入“非线性度指标”，实时评估偏离线性的程度。当进入强非线性区（如温峰附近），自动衰减卡尔曼增益并膨胀集合离散度。在温峰、湿度陡降等强非线性时刻，避免因过度拟合有滞后性的观测而崩溃。将导热系数和水分扩散系数作为状态变量参与同化，实时校准模型内部参数，克服传统滤波仅更新状态的局限。无需人工试凑协方差参数，算法根据物理过程剧烈程度自动调节信任分配。