混凝土结构剩余寿命分析系统

摘要

本发明公开了一种混凝土结构寿命预测系统，由混凝土结构耐久性参数测量系统、混凝土结构剩余寿命计算分析系统及预警系统组成，通过所述参数测量系统测量混凝土保护层质量的综合评定参数和钢筋表面状态情况并经混凝土结构剩余寿命计算分析系统计算，由预警系统发出预警指令。本发明集成计算机硬软件、混凝土结构耐久性研究、电化学技术、智能传感器技术、无线网络数字技术、数据采集分析技术等，可简化实际操作，提高工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种能够远程监控服役混凝土结构耐久性参数、并对耐久性极限健康与否利用无线网络远程传播发出预警、通过计算机程序软件进行混凝土结构剩余使用寿命计算分析的一整套系统流程设计。

背景技术

处于海洋环境下的港口码头、道路桥梁等海工混凝土结构，由于氯盐的侵蚀，造成钢筋腐蚀，被公认为是导致混凝土结构破坏的最主要原因，由此引起的混凝土结构破坏已成为全世界普遍关注并日益突出的一大灾害。钢筋腐蚀破坏造成的直接、间接损失之大远远超出人们的预料，在欧、美发达国家已构成严重财政负担。我国海工混凝土耐久性差、腐蚀破坏情况也尤其严重。

目前有代表性的氯盐环境下混凝土结构使用寿命计算模型主要有三类，分别是欧洲的DuraCrete模型、美国的Life-365模型和日本的土木学会模型。

DuraCrete是欧盟资助的有关混凝土结构耐久性的联合研究项目，提出的《耐久性设计指南》中采用的是可靠度设计方法，用多个分项系数来反映可靠指标，计算模型用的是性能表达式，称为以性能和可靠度为基础的耐久性设计方法。这一模型以钢筋锈蚀发展到混凝土保护层顺筋开裂的宽度达到1mm时作为寿命终结的极限状态，所以整个计算包括两个阶段，第一阶段为氯离子从保护层侵入使钢筋发生锈蚀的初始期，第二阶段为锈蚀发展直至裂缝宽度达1mm的发展期。除水下结构外，第二阶段的过程较短，所以也可仅考虑第一阶段，即当深度为保护层厚度x处的混凝土氯离子浓度c(x，t)达到钢筋锈蚀的临界浓度c。时作为极限状态。利用Fick第二定律的解析解，可列出设计方程如下：

$g=c_c^d-c^d(x,t)=c_c^d-c_s^d[1-\mathrm{erf}\frac{x^d}{2\sqrt{\frac{t}{R^d\left(t\right)}}}],g\≥0---\left(1\right)$

式中，C_c^d为氯离子临界浓度设计值，x^d为保护层厚度设计值，C_s^d为混凝土表面氯离子浓度设计值，R^d(t)为氯离子在混凝土中扩散系数D(t)的倒数，D(t)随时间变化。令g＝0，即可解得钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的年限。模型根据对混凝土耐久性的研究数据，确定了一系列拟和系数、氯离子临界浓度、扩散系数衰减指数等参数的取值范围，从而可以根据环境与材料情况计算结构物的使用寿命。

Life-365计算程序是美国混凝土学会365(使用寿命预测)委员会组织研究开发的，采用的也是Fick扩散模型，但用的是数值解，可以考虑氯离子从二维方向侵入，计算中不以显式列出安全系数，后者考虑在模型参数的取值中。与DuraCrete模型相比，Life-365模型同样认为氯离子扩散系数随时间增长而衰减，并且与胶凝材料种类有关；但是Life-365模型还考虑了混凝土表面氯离子浓度是一个不断增长累计直至稳定的过程，而且认为氯离子扩散系数在30年以后达到定值而不再降低。

日本土木学会混凝土标准中采用的计算模型也是用误差函数表示的Fick公式的解析解：

${\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cl}}{c}_s[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{{\mathrm{\γ}}_c\mathrm{Dt}}}\right)]\≤c_{c,\lim }---\left(2\right)$

式中的几个分项安全系数与参数分别为：

γ_i——结构物重要性系数，一般结构1.0，重要结构1.1；

γ_cl——考虑钢筋表面的氯离子浓度变异性的系数，取1.3；

γ_c——考虑混凝土材料性能变异性的系数，如果混凝土施工达不到与标准试件相同的养护条件取1.3，一般情况取1.0；

c_c，lim——引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度，一般情况取1.2kg/m³(每方混凝土中的氯离子量)，冻融环境取小于1.2；

c_s——混凝土表面氯离子浓度，依据结构物到海岸的距离选择某一定值；

x，t——保护层厚度和使用年限，后者不超过100年；

D——扩散系数，如混凝土有裂缝需乘以系数1.5以考虑裂缝对扩散系数的影响，此时裂缝最大宽度不应超过规定值。

该日本模型没有考虑扩散系数随时间的变化，并认为氯离子临界浓度一般在0.3～2.4kg/m³之间。

上述三种模型各有优缺点，但是由于混凝土原材料、环境条件、施工情况等因素的不同，并不一定适用于我国氯盐污染环境下的混凝土结构寿命计算，因此需要根据我国的具体情况，结合室内试验、混凝土构件暴露试验与港工结构物的原型检测结果，正确选择模型各项参数，确定可以反映我国实际情况的混凝土结构物使用寿命计算模型。

针对港工混凝土结构耐久性的健康诊断技术主要是指对钢筋混凝土腐蚀的监测和检测技术。近二三十年来，人们对钢筋混凝土的破坏和修复问题进行了大量的研究，提出了一些行之有效的方法。但是钢筋混凝土的破坏程度、破坏进程和修复后的效果仅靠外观观察是远远不能满足要求的，需要采用先进的物理、化学手段检测其所处的状态，对其进行“健康”评估，预测其剩余寿命。同时，有效的检测手段可以为钢筋混凝土的修复措施选择提供依据。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种适合于我国地理环境的混凝土结构寿命的分析系统。

为了达到上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种混凝土结构寿命预测系统，其特征在于，由混凝土结构耐久性参数测量系统、混凝土结构剩余寿命计算分析系统及预警系统组成，通过所述参数测量系统测量混凝土保护层质量的综合评定参数和钢筋表面状态情况并经混凝土结构剩余寿命计算分析系统计算，由预警系统发出预警指令，

所述混凝土结构剩余寿命计算分析系统按照以下步骤进行分析计算：

(1)测量室内试验电通量Q；

(2)通过电通量Q与氯离子室内扩散系数D^h的关系得到室内扩散系数D^h；

(3)由公式(a)换算得到室内参考扩散系数D^h_ref；

$D_t^h=D_{\mathrm{ref}}^h\·{\left(\frac{t_{\mathrm{ref}}}{t}\right)}^n---\left(a\right)$

(4)由暴露试验扩散系数D^e与室内试验扩散系统D^h关系式得到暴露试验参考扩散系数D^e_ref；

(5)由公式(b)换算得到有效扩散系数D^e_10ae；

$D_t^e=D_{\mathrm{ref}}^e\·{\left(\frac{t_{\mathrm{ref}}}{t}\right)}^m---\left(b\right)$

(6)由公式(c)换算得到混凝土结构使用寿命T。

$C_{\mathrm{xi}}=C_i+(C_5-C_i)[1-\mathrm{ref}\left(\frac{x}{\sqrt{{4D}_i\·T}}\right)]---\left(c\right)$

本发明能够远程监控服役混凝土的结构耐久性参数、利用计算机程序软件进行混凝土结构剩余使用寿命分析预测，并对耐久性极限的健康状况诊断、预警。本发明是利用混凝土实体结构氯离子浓度(氯离子扩散系数)、钢筋锈蚀状态(半电池电位)、腐蚀电流及混凝土电阻率等混凝土结构耐久性参数来计算其剩余使用寿命的。当长期在线监测的耐久性参数超过预先设定的预警级别时，可通过无线网络进行远程传播及控制。该方法集成计算机硬软件、混凝土结构耐久性研究、电化学技术、智能传感器技术、无线网络数字技术、数据采集分析技术等。

其中，寿命分析预测数学模型通过回归原型观测、暴露试验、室内试验，充分考虑到我国的实际情况，在混凝土原材料差异、环境条件变化、施工情况不同的条件下综合考虑氯离子扩散系数随各种参数的变化，建立了电通量和氯离子扩散系数之间的对应关系，通过对电通量的测量直观反映混凝土的抗氯离子渗透性。氯离子的扩散系数反映了氯离子在混凝土内的渗透情况，且是预测混凝土耐久年限的主要参数。电通量值的测定快速、简单单，而氯离子的扩散系数的测定较复杂，时间也长。因此，本发明通过快速、简捷的电通量测定来预测混凝土的耐久年限简化了实际操作，提高了工作效率。

附图说明

图1是混凝土结构寿命预测模型。

具体实施方式

1.剩余寿命预测数学模型设计

该数学模型通过回归原型观测、暴露试验、室内试验，建立起电通量和氯离子扩散系数之间的对应关系；利用相关模型参数进行定量计算。如表1所示，为高性能混凝土基本配合比一览表。

表1  高性能混凝土基本配合比一览表

  混凝土类型  试件  编号  w/b  F1  (％)  F2  (％)  K  (％)  S  (％)  SL  (mm)  基准混凝土  A01  0.50  0  0  0  0  170  A02  0.40  0  0  0  0  186  A03  0.35  0  0  0  0  183  A04  0.33  0  0  0  0  175  A05  0.29  0  0  0  0  165  掺I级粉煤灰  (F1)HPC  A1  0.35  30  0  0  0  194  A2  0.35  35  0  0  0  193  A3  0.35  40  0  0  0  195  A4  0.35  45  0  0  0  198  A5  0.33  35  0  0  0  197  A6  0.29  35  0  0  0  178  掺II级粉煤灰  (F2)HPC  B1  0.35  0  30  0  0  188  B2  0.35  0  35  0  0  198  B3  0.35  0  40  0  0  200  B4  0.35  0  45  0  0  200  掺矿粉(K)HPC  K60  0.35  0  0  60  0  200  K70  0.35  0  0  70  0  210  K80  0.35  0  0  80  0  205  掺硅灰(S)HPC  S01  0.35  0  0  0  3  182  S02  0.35  0  0  0  4  177  S03  0.35  0  0  0  5  171  硅灰(S)和I级  粉煤灰(F1)混掺  HPC  S1  0.35  35  0  0  3  205  S2  0.35  35  0  0  4  205  S3  0.35  35  0  0  5  198  硅灰(S)和II级  粉煤灰(F2)混掺  HPC  SB1  0.35  0  30  0  4  182  SB2  0.35  0  35  0  4  177  SB3  0.35  0  40  0  4  171  SB4  0.35  0  45  0  4  205  SB5  0.35  0  50  0  4  205  硅灰(S)和矿渣  粉(K)混掺HPC  KS3  0.35  0  0  67  3  152  KS4  0.35  0  0  67  4  160  KS5  0.35  0  0  67  5  166  矿粉(K)和I级  粉煤灰(F1)混掺  HPC  G50  0.35  10  0  60  0  210  G51  0.35  15  0  55  0  205  G52  0.35  20  0  50  0  205

注：w/b-水胶比，b-胶凝材料，F1-I级粉煤灰，F2-II级粉煤灰，S-硅灰，K-矿粉，下述内容配合比中符号与此相同。

表中SL指的是坍落度

如表2所示，是高性能混凝土抗氯离子渗透性试验结果。

表2  高性能混凝土抗氯离子渗透性试验结果

  试件  编号  w/b 混凝土 配合比  吸水率×10-3(mm/min1/2)  Cl-电通量  (库仑)  Cl-扩散系数  D×10-8(cm2/s)  28d  90d  初始  后期  初始  后期  28d  90d  180d  28d  90d  180d  A01  0.50 基准混凝土  8.6  1.3  7.1  2.6  2777  2228  -  11.00  8.67  -  A02  0.40 基准混凝土  4.6  0.9  3.6  1.0  2201  1630  -  7.51  6.86  -  A03  0.35 基准混凝土  1.8  0.2  2.8  0.8  2006  1218  861  5.00  5.60  3.40  A04  0.33 基准混凝土  1.4  0.6  2.6  0.6  1712  1167  931  4.90  5.08  -  A05  0.29 基准混凝土  3.2  0.9  1.3  0.5  1544  988  -  3.43  2.84  -  A1  0.35 掺30％F1  2.7  0.9  5.2  0.6  1664  562  227  4.28  3.92  -  A2  0.35 掺35％F1  10.1  2.4  4.5  0.8  1742  454  210  3.54  3.38  2.42  A3  0.35 掺40％F1  8.1  1.9  4.8  0.7  1494  416  207  3.93  2.56  -  A4  0.35 掺45％F1  9.1  0.8  3.4  0.8  1310  370  162  3.62  2.33  -  A5  0.33 掺35％F1  -  -  -  -  1202  379  163  3.06  1.98  -  A6  0.29 掺35％F1  -  -  -  -  1087  312  130  2.49  1.88  -  B1  0.35 掺30％F2  10.5  1.8  -  -  1503  425  185  4.02  3.15  -  B2  0.35 掺35％F2  -  -  -  -  1470  513  172  4.67  3.67  1.70  B3  0.35 掺40％F2  -  -  -  -  1200  376  170  5.27  2.75  -  B4  0.35 掺45％F2  -  -  -  -  1321  493  156  3.78  2.33  -  K60  0.35 掺60％K  7.0  1.4  2.4  2.1  1061  478  175  2.41  1.33  0.63  K70  0.35 掺70％K  5.2  1.2  5.9  2.1  931  383  121  2.74  0.93  0.70  K80  0.35 掺80％K  7.5  1.6  4.7  1.8  955  587  538  2.02  1.81  0.81  S01  0.35 掺3％S  1.6  0.1  1.9  0.3  770  517  286  3.80  1.73  -  S02  0.35 掺4％S  2.6  0.1  2.2  0.2  709  378  224  1.32  1.47  -  S03  0.35 掺5％S  -  -  -  -  625  302  209  1.23  1.44  -  S1  0.35 掺35％F1+3％S  5.0  0.2  2.5  0.2  734  358  142  2.19  1.73  -  S2  0.35 掺35％F1+4％S  1.4  0.3  2.0  0.4  609  249  122  1.63  2.06  1.26  S3  0.35 掺35％F1+5％S  2.4  0.4  1.6  0.5  521  223  102  1.34  1.51  -  SB1  0.35 掺30％F2+4％S  -  -  -  -  567  289  154  3.28  2.11  -  SB2  0.35 掺35％F2+4％S  -  -  -  -  536  211  164  1.99  2.14  1.80  SB3  0.35 掺40％F2+4％S  -  -  -  -  627  239  162  3.08  1.96  -  SB4  0.35 掺45％F2+4％S  -  -  -  -  599  264  136  2.42  1.94  -  SB5  0.35 掺50％F2+4％S  -  -  -  -  612  222  158  2.87  1.78  -  KS3  0.35 掺3％S+70％K  18.7  5.3  9.0  4.9  376  250  -  2.37  0.72  -  KS4  0.35 掺4％S+70％K  27.7  8.5  9.8  5.2  364  242  -  2.68  0.67  -  KS5  0.35 掺5％S+70％K  29.5  8.3  10.2  5.7  323  223  145  2.42  0.64  0.47  G50  0.35 掺10％F1+60％ K  8.8  4.4  -  -  386  255  -  -  0.44  -  G51  0.35 掺15％F1+55％ K  9.2  4.0  -  -  365  242  -  -  0.50  -

 G52 0.35掺20％F1+50％K 8.6 3.2 -  - 363 176 - - 0.41 - G53 0.35掺10％F1+55％K 10.2 4.4 -  - 474 315 - - 0.39 - W50 0.50掺5％S+70％K 36.2 28.0 18.2  13.9 451 279 - 2.24 0.75 - W40 0.40掺5％S+70％K 8.0 1.4 5.8  2.0 351 258 - 2.13 0.65 - W35 0.35掺5％S+70％K 29.5 8.3 10.2  5.7 323 223 145 2.42 0.64 0.47 W33 0.33掺5％S+70％K 19.6 5.2 7.6  4.1 288 217 - 2.15 0.55 - W29 0.29掺5％S+70％K 2.9 1.3 4.8  1.5 321 270 - 2.03 0.51 -

电通量值直观地反映了混凝土的抗氯离子渗透性。氯离子的扩散系数反映了氯离子在混凝土内的渗透扩散情况，并且是预测混凝土耐久年限的主要参数。电通量值的测定快速、简单，氯离子扩散系数的测定较复杂，且时间也长。从表3、4可以看出，电通量与扩散系数具有较好的相关关系，因此，也可以通过快速、简捷的电通量测定来预测高性能混凝土的耐久年限。

如表3所示，为室内试验扩散系数D^h和电通量Q的关系式。

表3室内试验扩散系数D^h和电通量Q的关系式

混凝土回归分析类别关系式28d扩散系数D₂₈^h与28d电通量D₂₈^h＝(2×1O^-6Q₂₈²-0.0013Q₂₈+2.28)×10^-8(cm²/s)90d扩散系数D₉₀^h与90d电通量D₉₀^h＝(0.0036Q₉₀+0.73)×10^-8(cm²/s)180d扩散系数D₁₈₀^h与180d电通量D₁₈₀^h＝(0.0036Q₁₈₀+1.06)×10^-8(cm²/s)90d扩散系数D₉₀^h与28d电通量D₉₀^h＝(10^-6Q₂₈²-0.0005Q₂₈+1.23)×10^-8(cm²/s)

如表4所示，为暴露试验扩散系数De和室内试验扩散系数Dh的关系式。

表4    暴露试验扩散系数D^e和室内试验扩散系数D^h的关系式

由此，建立的混凝土结构寿命预测模型如图1所示。

以建立的海港工程高性能混凝土寿命预测模型为例：

(1)室内快速试验测出室内试验电通量Q；

(2)由表3中电通量Q与室内扩散系数D^h关系式，得到室内试验扩散系数D^h。

(3)由公式(a)换算得到室内试验参考扩散系数D^h_ref；

$D_t^h=D_{\mathrm{ref}}^h\·\·{\left(\frac{t_{\mathrm{ref}}}{t}\right)}^n---\left(a\right)$

(4)以90天作为暴露时间，由表4中暴露试验扩散系数D^e_ref与室内扩散系数D^h_ref的关系式换算得到暴露试验参考扩散系数D^e_ref；

按不同配合比参数配合比参数(w/b、掺合料类型、掺量)建立各自的参照扩散系数D^e_ref；

(5)从安全考虑，高性能混凝土有效扩散系数的衰减年限暂按10年考虑。

由公式(b)换算得到有效扩散系数D^e_10a，

$D_t^e=D_{\mathrm{ref}}^e\·{\left(\frac{t_{\mathrm{ref}}}{t}\right)}^m---\left(b\right)$

扩散系数衰减值m按暴露试验数据经验值取值。

(6)按照Fick第二定律公式(c)计算HPC寿命T。

$C_{\mathrm{xi}}=C_i+(C_5-C_i)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{\sqrt{4D_i\·T}}\right)]---\left(c\right)$

浪溅区混凝土表面浓度暂取C_s＝1.00％，氯离子临界浓度C_r取值为0.05％(按混凝土质量计)。

表5为某工程计算实例，按照本发明的寿命预测数学模型进行的不同保护层厚度、不同配合比混凝土的使用寿命计算，结果如下：：

表5

  混凝土配合比参数  180d暴露时间  使用年限(a)  扩散系数  D×10^-8(cm²/s)  表面浓度  (％)  保护层厚度(mm)  50  65  70  基准混凝土，w/c＝0.50  3.43  0.324  6  10  11  基准混凝土，w/c＝0.40  2.20  0.324  9  15  18  基准混凝土，w/c＝0.35  1.02  0.324  19  33  38  基准混凝土，w/c＝0.33  0.96  0.324  20  35  40  基准混凝土，w/c＝0.29  0.68  0.324  29  49  57  掺30％粉煤灰，w/b＝0.35  0.84  0.324  23  40  46  掺35％粉煤灰，w/b＝0.35  0.65  0.324  30  51  59  掺40％粉煤灰，w/b＝0.35  0.69  0.324  29  48  56  掺45％粉煤灰，w/b＝0.35  0.70  0.324  28  48  55  掺硅灰3％，w/b＝0.35  0.70  0.324  28  48  55  掺硅灰4％，w/b＝0.35  0.58  0.324  34  57  67  掺硅灰5％，w/b＝0.35  0.48  0.324  41  69  80  掺矿粉60％，w/b＝0.35  0.73  0.324  27  46  53  掺矿粉70％，w/b＝0.35  0.70  0.324  28  48  55  掺矿粉80％，w/b＝0.35  0.71  0.324  28  47  54  硅灰4％+30％粉煤灰混掺，w/b＝0.35  0.59  0.324  33  56  65  硅灰4％+35％粉煤灰混掺，w/b＝0.35  0.56  0.324  35  59  69  硅灰4％+40％粉煤灰混掺，w/b＝0.35  0.54  0.324  36  62  71  硅灰4％+45％粉煤灰混掺，w/b＝0.35  0.43  0.324  46  77  90  硅灰4％+50％粉煤灰混掺，w/b＝0.35  0.46  0.324  43  72  84

2.耐久性参数测量系统设计

本发明设计的耐久性监测系统能提供长期的混凝土保护层质量的综合评定参数和钢筋表面状态情况。保护层的质量参数主要包括中性化程度、渗透速率、离子(气体)侵入、水分的散失和内部湿度分布、温度分布、混凝土的电化学性能、水化程度等；钢筋表面状态涉及由钝化到活化的转变形式、锈蚀开始后的锈蚀速率及随时间的演化规律。

耐久性参数监测系统包括了传感器的设计、标定及封装，与数据采集分析两部分。

2.1埋入式、多功能、长效性混凝土耐久性监测传感器的设计、标定与封装具有下列特征：

(1)本发明集成混凝土各耐久性参数测试元件的组合技术、电极设计、电路设计、兼容性与多信号采集硬件技术。

(2)本发明传感器材料选用锰氧化物(MnO₂)，金属-金属氧化物(MMO)、石墨参比传感器、纳米材料电极等，该元件在混凝土碱性环境中的能够长期稳定(极化行为、阻抗特征)。

(3)组合式传感器的测试范围广、测试精度高、抗干扰能力强，可重复使用。

(4)通过耐腐蚀电路保护技术与传感器封装技术，智能传感器适用于海工混凝土环境、且能同时测试以上各耐久性参数的埋入式、多功能、长效性等功能。通过植入技术，能在役防护与系统标定。

2.2埋入式港工混凝土结构劣化监测传感器的数据采集、分析集成技术

(1)应用与这种传感器相对应的智能型、自动数据采集系统硬件技术；

(2)多因素复合作用下，应用传感器信号采集、数据分析、校正软件系统，将所采集的原始数据进行综合分析、校正，获取直观、准确的结构耐久性监测数据。

3.健康诊断及预警系统设计具有下列功能特征：

(1)提供与大型数据库或监测系统的良好软件接口、保证数据安全性；

(2)对采集的数据进行实时处理和分析，根据设定条件或模型，对钢筋腐蚀状态进行实时监控、预测和报警，若报警则同时给出相应处理建议；

(3)应用钢筋混凝土结构耐久性使用寿命预测模型，实时判断结构的健康状况并对其使用寿命进行预测；

(4)根据实际要求，规定结构耐久性预警级别，系统通过与实时判定结果之比较，实时给出结构耐久性健康状态或报警，报警则同时提供应急预案和处理措施。

(5)对于硬件系统，提供支持RS232/485/USB等串口、TCP/IP通讯协议，支持GPRS/CDMA无线数据通讯；

(6)提供单机版和网络版，提供网络发布、查询、或远程控制功能。