一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法

摘要

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法，包括以下步骤：对浸泡在水中的混凝土梁试件实施时间反转试验获取损伤因子DI0，对完全浸泡的混凝土立方块试件实施单轴压缩试验获取抗压强度和弹性模量将混凝土梁试件和混凝土立方块试件浸没在盐酸溶液中，分别在第10、20和30天，对浸泡在盐酸溶液中的混凝土梁试件实施时间反转试验获取损伤因子DI′，对混凝土立方块试件实施单轴压缩试验，获取抗压强度Fcp′和弹性模量Ec′；利用上述计算结果分别求取腐蚀指标CI、抗压强度损失率LRF、弹性模量损失率LRE、腐蚀指标和抗压强度损失率的误差δCF、腐蚀指标和弹性模量损失率的误差δCE，实现在不破坏水下混凝土结构的情况下对其腐蚀演化过程评价。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法。

背景技术

水下混凝土结构(例如桥墩、大坝和水下混凝土管道等)通常是混凝土建筑中重要的承载构件。由于水下混凝土结构服役环境复杂，尤其是长期遭受水的侵蚀，容易造成腐蚀损伤从而引起水下混凝土结构力学性能如抗压强度和弹性模量的退化。这些腐蚀损伤是影响水下混凝土结构安全性，适用性和耐用性的主要因素。因此，开发适用于水下混凝土结构的腐蚀损伤演化评价的方法尤为重要。

目前，常用于水下混凝土结构损伤评价的方法主要有基于光学成像和基于声学成像的方法。其中，基于光学成像的方法主要有人工潜水摄像和水下摄像机器人等，基于声学成像的方法主要有声发射和声呐等。然而这些方法有以下局限性：(1)测量的数据容易受到水质干扰而影响评价结果的准确性；(2)水下水流情况复杂测量设备不能很好地放置在预定位置；(3)设备布置复杂、检测耗时长；(4)不易检测结构整体和结构内部的损伤。这些缺点使得这些方法不能很好的用于水下混凝土结构的腐蚀损伤评价。

近年来，基于应力波的时间反转方法因其空间自适应性，时间聚焦特性，高信噪比和对各向异性材料的适用性被广泛应用于混凝土结构的损伤评价中。研究结果表明，基于应力波的时间反转方法可用于识别和定位混凝土结构中的裂纹，但将基于应力波的时间反转方法应用于水下混凝土结构的腐蚀损伤评价的可行性还缺乏论证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法，以便解决上述提到的技术问题。本发明属于水下混凝土结构无损检测领域，特别涉及盐酸对水下混凝土结构造成的腐蚀损伤，其基于应力波时间反转，为水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价提供可行方法。

本发明的技术方案是：

一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法，包括以下步骤：

(a)将一个混凝土梁试件和多个混凝土立方块试件浸没在水中；

(b)对放置在水中的混凝土梁试件实施时间反转试验，获取混凝土被水浸泡状态的损伤因子DI

(c)将混凝土梁试件和多个混凝土立方块试件浸没在盐酸溶液中，分别在第10天、第20天和第30天，对放置在盐酸溶液中的混凝土梁试件实施时间反转试验，获取混凝土被盐酸浸泡腐蚀状态的损伤因子DI′，取出一个混凝土立方块试件实施单轴压缩试验，获取混凝土被盐酸溶液浸泡腐蚀状态的抗压强度F

(d)利用式(1)计算腐蚀指标CI，利用式(2)计算抗压强度损失率LR

CI＝DI′-DI

其中，CI为腐蚀指标，DI

(e)利用式(4)计算腐蚀指标和混凝土抗压强度损失率的误差δ

δ

δ

其中，δ

优选的，对混凝土梁试件实施时间反转试验，获取混凝土损伤因子的方法包括以下步骤：

(21)确定激励信号V

(22)对混凝土梁试件A处的传感器⑤输入激励信号V

V

该响应信号在时域的表达式为式(7)，

其中，r是A处到B处的距离，k

⑥的传递函数，V

(23)对响应信号加式(8)的矩形窗去电磁串扰后进行时间反转得到反转信号，

反转信号在频域表达式为式(9)，

反转信号在时域表达式为式(10)，

其中，

(24)在混凝土梁试件B处传感器输入反转信号，在A处传感器接收到聚焦信号，聚焦信号在频域表达式为式(11)，

聚焦信号在时域的表达式为式(12)，

(25)对聚焦信号进行时间反转重构得到重构信号，重构信号在频域表达式为式(13)，

其中，

重构信号在时域上的表达式为式(14)，

(26)利用式(15)对激励信号和重构信号进行归一化处理，

N

其中，V

(27)将归一化处理后的激励信号和重构信号代入式(16)计算损伤因子；

其中，DI为损伤因子，t

N

优选的，确定激励信号V

5周期正弦函数加汉宁窗的调制信号其表达式为式(17)，

其中，f

确定调制信号中心频率的方法为：

从0-10MHz，间隔10KHz调制不同中心频率的调制信号，在混凝土梁试件A处的传感器⑤上分别输入不同中心频率的调制信号，在B处传感器⑥上接收响应信号，比较多个响应信号，选取响应信号幅值最大的调制信号作为激励信号V

优选的，利用式(18)获取混凝土被水浸泡状态的的抗压强度

其中，F

优选的，制备混凝土梁试件的方法包括以下步骤：

将一对传感器进行防腐蚀、绝缘和防水处理；

搭建混凝土梁试件模板；

将处理后的传感器分别放置在混凝土梁试件模板中的预定位置；

浇筑混凝土，并按标准规范完成养护。

与现有技术相比，本发明提供的一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法，其优点有：不易受水质影响，传感器布置简单，能够检测水下混凝土结构整体性损伤，在不破坏水下混凝土结构的情况下对其腐蚀演化过程评价，实用性强，值得推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以利用这些附图获得其他的附图。本发明实施例以pH＝1的盐酸溶液浸泡C30混凝土试件造成腐蚀损伤为例对水下混凝土腐蚀演化进行评价。

图1为本发明中方法的流程图；

图2为为本发明中混凝土梁试件时间反转试验系统示意图；

图3为为本发明中混凝土梁试件构造示意图；

图4为为本发明中传感器构造示意图；

图5为为本发明中时间反转试验流程图；

图6为本发明中不同中心频率(60-140kHz)的调制信号及其响应信号图；

图7为本发明中不同中心频率(60-140kHz)的响应信号幅值图；

图8为本发明中选定的中心频率为100kHz的激励信号：(a)时域图；(b)频域图；

图9为本发明中混凝土梁试件在不同腐蚀时间执行时间反转试验的响应信号图；

图10为本发明中混凝土梁试件在不同腐蚀时间执行时间反转试验的反转信号图；

图11为本发明中混凝土梁试件在不同腐蚀时间执行时间反转试验的聚焦信号图；

图12为本发明中混凝土梁试件在不同腐蚀时间执行时间反转试验归一化处理后的激励信号和重构信号图；

图13为本发明中不同腐蚀时间的混凝土立方块试件单轴压缩应力应变曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图1到图13，具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

一种水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法，基本步骤如图1所示的流程图。本实施例中混凝土梁试件的时间反转试验系统如图2所示，时间反转试验系统的结构由电脑、信号发生器、信号放大器及示波器组成，试验进行前，将电脑与信号发生器电连接，信号发生器与示波器电连接，示波器与信号放大器电连接，在信号放大器与信号发生器上分别引出一个夹头，用来在实验中和混凝土梁试件电连接，以对混凝土梁试件实施时间反转试验。防腐蚀的水箱中装有水/盐酸，足够浸没混凝土试件。

以下结合图1及试验过程进一步说明本发明：

(1)制备混凝土梁试件的方法包括以下步骤：

将一对传感器进行防腐蚀、绝缘和防水处理，具体的操作方法如图4所示：传感器选用直径为14mm厚度为1mm的d

之后，搭建混凝土梁试件模板，并将处理后的传感器分别放置在混凝土梁试件模板中的预定位置A处和B处，导线③引出后浇筑混凝土，选用标号为32.5的普通硅酸盐水泥、细骨料粒径为0.25-0.5mm的中砂和粗骨料粒径为5-30mm的石子，按质量比1:0.958:2.462，水灰比0.38，制作C30混凝土试件。如图3所示，混凝土梁试件尺寸为500*100*100mm，混凝土立方块试件尺寸为100*100*100mm，两个传感器分别布置在混凝土梁试件纵轴线上距左端面和右端面各20mm的预定位置A、B处，并按标准规范完成养护。

(2)混凝土梁试件和立方块试件完成养护后，在水中浸泡10天，以达到充分浸泡；

接下来对混凝土梁试件实施应力波的时间反转试验，试验前，如图3所示，将两个夹头分别与两个导线③电连接，两个导线③分别是从混凝土梁试件上A处的传感器⑤和B处传感器⑥上引出，A处的传感器⑤和B处传感器⑥预设在混凝土梁试件上。

时间反转试验的流程如图5所示，先选择激励信号V

(3)通过信号发生器生成幅值为8Vp-p中心频率为0-10mHz间隔为10kHz的5周期正弦波加汉宁窗调制信号，其表达式为

其中，f

(4)通过信号发生器将幅值为8V

V

在时域的表达式为：

其中，r是A到B的距离(即应力波传播的距离)，k

(5)对响应信号V

反转信号在频域表达式为：

反转信号在时域表达式为：

其中，

(6)在混凝土梁试件B处传感器输入步骤(6)所述反转信号，在A处传感器接收到聚焦信号，如图11所示，聚焦信号在频域表达式为：

聚焦信号在时域的表达式为：

(7)对如步骤(6)所述聚焦信号进行时间反转重构得到重构信号，重构信号在频域表达式为：

其中，

重构信号在时域上可表示为：

(8)对如步骤(3)所述激励信号和步骤(7)所述重构信号归一化处理，归一化的公式为：

N

其中，V

归一化处理后的激励信号和重构信号如图12所示。由归一化后的激励信号和重构信号即可计算损伤因子，损伤因子的计算公式为：

其中，DI为损伤因子，t

接下来对混凝土立方块试件实施单轴压缩试验，：

(9)对混凝土立方块试件实施单轴压缩试验，获得混凝土应力应变曲线计算混凝土的抗压强度和弹性模量，混凝土抗压强度和弹性模量的计算公式为：

其中，F

(10)把水箱中的水换成PH＝1的盐酸溶液，将混凝土梁试件和立方块试件浸没在盐酸溶液中以引入腐蚀损伤，分别在被盐酸溶液浸泡的第10、20和30天重复步骤(4)～(9)，计算被盐酸腐蚀后混凝土的损伤因子、抗压强度和弹性模量；

(11)利用损伤因子、抗压强度和弹性模量，计算腐蚀指标、抗压强度损失率和弹性模量损失率，计算公式为：

CI＝DI′-DI

其中，CI为腐蚀指标，DI

(12)由腐蚀指标和混凝土抗压强度损失率计算腐蚀指标和混凝土抗压强度损失率的误差，由腐蚀指标和混凝土弹性模量损失率计算腐蚀指标和混凝土弹性模量损失率的误差，计算公式如下；

δ

δ

其中，δ

如图12所示是归一化处理后的激励信号和重构信号，如图13所示为本发明中不同腐蚀时间的混凝土立方块试件单轴压缩应力应变曲线，将上述的试验数据汇集成表1和表2如下所示：

表1

表2

由表1和表2可见，腐蚀指标和弹性模量损失率及弹性模量损失率的误差均小于5％，则腐蚀指标能合理评价混凝土的腐蚀状态。上述结果表明，所提出的方法用于水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价的可行性和有效性。

本发明提出的水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价方法，实时、有效地表征了水下混凝土结构因腐蚀引起的力学性能退化程度，为实现水下混凝土结构腐蚀损伤演化评价提供了可行方法，实用性强，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。