夜雨聆风
R. Sheng, Y. Yuan, J. Zhang, Y. Liu, X. Yao, Y. Tao, J.-L. Zhang, An Interpretable Multimodal Monitoring System for Mixing Process of Printcrete: Integrating Computer Vision, Torque, and Temperature, Cement and Concrete Composites (2026) 106685.
01
研究背景
可打印混凝土的建造过程包括搅拌、泵送和挤出，其中搅拌质量直接影响材料的均匀性、泵送稳定性和打印成形效果。现有搅拌过程多依赖固定时间或人工经验判断，难以实时反映材料状态。为此，本研究提出了一种可解释多模态监测系统，集成计算机视觉、动态扭矩和温度监测，用于识别可打印混凝土搅拌过程中的关键状态，并为搅拌时间程序提供依据。
02
监测方法
本研究将三类信号与明确物理含义对应：视觉纹理指数用于表征颗粒分散和混合均匀性；动态扭矩用于表征材料整体流变阻力和屈服应力发展；温度变化率用于区分干混、湿混和速凝剂诱导的快速水化阶段。基于这些信号，研究建立了分阶段决策逻辑：首先判断混合均匀度是否达到95%；随后根据温度变化率判断当前搅拌阶段；最后通过扭矩信号判断材料是否达到目标流变状态，并给出出料信号。
图1 可解释性多模态监测总体框架图
图2 多模态信号驱动的搅拌过程决策框架
03
试验验证
研究采用3 m³单轴立式搅拌机开展试验，材料包括水泥、细骨料、5-20 mm粗骨料、羟丙基甲基纤维素、聚羧酸减水剂和硫酸铝基无碱速凝剂。试验设置了干混、加水、加水和减水剂、完整配方四组工况，用于验证系统对不同搅拌阶段的识别能力。
图3 不同工况下视觉纹理指数随搅拌时间的发展
: (a)干拌阶段; (b)加水后搅拌阶段; (c)加水和加减水剂后搅拌阶段; (d)加速凝剂后搅拌阶段.
图4 不同工况下热导数随搅拌时间的发展
: (a)干拌阶段; (b)加水后搅拌阶段; (c)加水和加减水剂后搅拌阶段; (d)加速凝剂后搅拌阶段.
图5 不同工况下搅拌扭矩随搅拌时间的发展
: (a)干拌阶段; (b)加水后搅拌阶段; (c)加水和加减水剂后搅拌阶段; (d)加速凝剂后搅拌阶段.
图6 WU-1d数值模型破坏模式: (a)受拉损伤; (b)受压损伤; (c)钢筋应力.
图7 WU-3d数值模型破坏模式: (a)受拉损伤; (b)受压损伤; (c)钢筋应力.
04
结论
本研究提出的多模态监测系统能够同时识别可打印混凝土搅拌过程中的混合均匀性、流变性能发展和水化反应阶段。
视觉、扭矩和温度信号具有互补性。视觉信号可判断材料是否混合均匀，扭矩信号可反映内部结构建立，温度信号可识别速凝剂引发的快速水化过程。三者结合能够弥补单一传感方式的不足。
该系统将搅拌控制方式从“固定时间控制”推进到“基于材料实时状态的过程监测”，为打印混凝土的自动化和闭环生产提供了基础。
作者简介
第一作者：
同济大学 土木工程学院地下建筑与工程系
通讯作者:
张姣龙 副教授
同济大学 土木工程学院地下建筑与工程系
外事院长助理
文案：盛如意
审核：张姣龙
编辑：张津源
