海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统

摘要

本申请实施例中公开了一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统，包括：环境数据实时监测系统、数据传输存储系统以及数据处理平台，其中：环境数据实时监测系统包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和氯离子浓度传感器，分别用于采集钢筋混凝土结构在海洋环境下的温度值、湿值度、二氧化碳值和大气盐雾含量；数据传输存储系统，用于将采集到的环境数据上传至云端服务器；数据处理平台，用于从云端服务器中获取环境数据，并通过数据处理平台中的多场耦合综合数值分析软件，基于获取到的环境数据，实现钢筋混凝土结构腐蚀全过程的监测和寿命的评估。该系统可以能够提高海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化的评估精度。

说明书

技术领域

本申请涉及结构健康监测技术领域，具体涉及一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统。

背景技术

海洋大气环境下，钢筋混凝土结构的腐蚀劣化非常严重，根据相关统计，每年因结构腐蚀造成的损失高达上千亿人民币。在众多导致混凝土耐久性下降的因素中，氯离子侵蚀是最严重的。若直接对构件进行实际的耐久性测试不仅花费高昂、测试周期长，且在钢筋混凝土结构的设计阶段，很难提前对其耐久性进行评估。

而在现有的钢筋混凝土结构腐蚀劣化评估系统，只能将氯离子的侵蚀简化为一稀物质传递问题来近似预估钢筋去钝化的时间。而在实际工程中，氯离子侵蚀并不是唯一导致混凝土结构劣化的因素，经常会出现多个劣化因素同时发生的情况，其中碳化和冻融损伤与氯离子侵蚀的耦合作用是最为危险的。此外，钢筋腐蚀引起的劣化是一个复杂的物理-化学-电化学-力学耦合过程，它可以被细分为以下三个子过程：考虑扩散过程中化学反应的粒子传输、电化学反应和锈胀导致的力学损伤。这三个子过程是相互影响的，任何子过程的单独分析都会导致预测精度的严重不足。

对于混凝土结构方面的研究者，更加重视的是能否有效且较精确地评估不同腐蚀程度下结构的安全状况和可靠度，进而预测其剩余寿命和修复窗口期。但是现有的钢筋混凝土结构腐蚀劣化评估系统其评估的精准度还有待提高。

发明内容

本申请实施例中提供一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统，能够提高海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化的评估精度等。

一方面，本申请提供一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统，包括：环境数据实时监测系统、数据传输存储系统以及数据处理平台，其中：

所述环境数据实时监测系统包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和氯离子浓度传感器，分别用于采集钢筋混凝土结构在海洋环境下的温度值、湿值度、二氧化碳值和大气盐雾含量；

所述数据传输存储系统，用于将采集到的所述温度值、所述湿度值、所述二氧化碳值和所述大气盐雾含量上传至云端服务器；

所述数据处理平台，用于从所述云端服务器中获取所述温度值、所述湿度值、所述二氧化碳值和所述大气盐雾含量，并通过所述数据处理平台中的多场耦合综合数值分析软件，基于所述温度值、所述湿度值、所述二氧化碳值和所述大气盐雾含量，实现所述钢筋混凝土结构腐蚀全过程的监测和寿命的评估。

在一些实施例中，所述氯离子浓度传感器黏贴于所述钢筋混凝土结构的表面。

在一些实施例中，所述氯离子浓度传感器包括允许氯离子通过的选择性半透膜、氯离子收集装置以及氯离子测量装置，所述氯离子收集装置包括气泵、去离子水蠕动泵、去离子水以及气体流量计。

在一些实施例中，所述数据传输存储系统包括MCU控制元件、SIM卡、GPRS模块以及移动电源。

在一些实施例中，所述MCU控制元件包括STM32单片机。

在一些实施例中，所述STM32单片机的工作电压为2.0V-3.6V，兼容5V的I/O管脚，带有安全时钟模式与唤醒功能的低功耗模式，内部带RC振荡器且内嵌复位电路。

在一些实施例中，所述数据传输存储系统包括GPRS天线接口、SIM卡插口、RFRD天线接口、电源接口、网络接口、液晶显示屏、安装螺栓以及物理按键。

在一些实施例中，所述数据传输存储系统实时存储采集到的所述温度值、所述湿度值、所述二氧化碳值和所述大气盐雾含量，并按照预设的时间间隔上传所述温度值、所述湿度值、所述二氧化碳值和所述大气盐雾含量至所述云端服务器。

在一些实施例中，所述时间间隔大于1秒且小于10000秒。

在一些实施例中，所述数据处理平台还可以根据所述温度值、所述湿度值、所述二氧化碳值和所述大气盐雾含量计算并全面呈现各类腐蚀参数，并能模拟所述钢筋混凝土结构中钢筋锈胀开裂后腐蚀的进一步演化，同时提供锈胀裂缝的分布云图和截面承载力变化的曲线图。

本申请具有以下有益效果：

(1)环境数据(温度值、湿值度、二氧化碳值和大气盐雾含量)可实时采集传输，并基于逐渐增多的信息，在计算中不断修正边界条件，以获得更精确的预测结果。

(2)自主研发的多场耦合综合数值分析软件，弥补了现在市场上诸多软件的缺陷和不足，冻融、碳化、腐蚀各个子过程之间的耦合影响和混凝土力学性能的影响等都将在系统中被考虑，使其具有更广泛的适用性。

(3)通过多测点布设、整体结构受力分析和失效概率计算，可对观测结构整体的使用可靠度进行评估。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统一个实施例结构示意图；

图2为本申请实施例提供的海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统一个实施例框架示意图；

图3为本申请实施例提供的氯离子浓度传感器的一个结构示意图；

图4为本申请实施例提供的数据传输存储系统的一个结构示意图；

图5为本申请实施例提供的天线的一结构示意图；

图6为本申请实施例提供的温湿度传感装置的一个结构示意图；

图7为本申请实施例提供的数据处理平台中多场耦合综合数值分析软件的一个计算流程示意图；

图8为本申请实施例提供的数据处理平台的一个示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

针对现有技术的缺陷，申请发明人考虑到结构健康监测的重要性，研发了一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统，该系统为针对钢筋混凝土结构在多劣化因素同时作用的复杂环境下腐蚀和混凝土锈胀开裂全过程的检测与评估系统。对于一些刚刚接触混凝土耐久性课题的科研人员或者非该领域的结构设计人员，只需在一款数值工具中输入材料参数和环境参数，系统便能提供详尽的各个腐蚀数据，并直接给出结构承载能力随时间的变化曲线，这将会大大节约其时间与精力。

本申请实施例提供一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统，请参阅图1，图1是本申请实施例提供的海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统一个实施例结构示意图，如图1所示，该系统包括环境数据实时监测系统1、数据传输存储系统2以及数据处理平台3，具体地，实时监测系统1采集到环境数据之后，将环境数据发送给数据传输存储系统2，然后数据传输存储系统2通过已有基站将环境数据上传至云端服务器，数据处理平台3再从云端服务器获取获取环境数据，并根据获取到的环境数据进行海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统一个实施例框架示意图。

环境数据实时监测系统1包括温度传感器11、湿度传感器12、二氧化碳浓度传感器13和氯离子浓度传感器14，分别用于采集钢筋混凝土结构在海洋环境下的温度值、湿值度、二氧化碳值和大气盐雾含量，本申请采用温度传感器11、湿度传感器12、二氧化碳浓度传感器13和氯离子浓度传感器14进行环境数据的采集，其数据精确，安装简单，对结构影响小。

其中，本申请中的环境数据实时监测系统1包括多个温度传感器11、多个湿度传感器12、多个二氧化碳浓度传感器13以及多个氯离子浓度传感器14，在布置时，需要在处于海洋环境的钢筋混凝土结构的多个监控点分别进行传感器的安装，其中，在每个监控点安装一套传感器(包括一个温度传感器11、一个湿度传感器12、一个二氧化碳浓度传感器13以及一个氯离子浓度传感器14)，通过多测点布设、整体结构受力分析和失效概率计算，可对观测结构整体的使用可靠度进行评估。

数据传输存储系统2，用于将采集到的温度值、湿度值、二氧化碳值和大气盐雾含量上传至云端服务器，具体地，数据传输存储系统2实时存储采集到的温度值、湿度值、二氧化碳值和大气盐雾含量，并按照预设的时间间隔上传温度值、湿度值、二氧化碳值和大气盐雾含量至云端服务器，其中，该时间间隔可以根据自定义设置，且间隔时间大于1秒且小于10000秒。

数据处理平台3，用于从云端服务器中获取温度值、湿度值、二氧化碳值和大气盐雾含量，并通过数据处理平台中的多场耦合综合数值分析软件，基于温度值、湿度值、二氧化碳值和大气盐雾含量，实现钢筋混凝土结构腐蚀全过程的监测和寿命的评估。

在一些实施例中，数据传输存储系统2包括微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)控制元件21、SIM卡22、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)模块23以及移动电源24。

其中，核心的MCU控制元件21选择STM32系列单片机，该单片机系统担任命令程序的处理部分，可以快速高效地处理数据。工作电压为2.0V-3.6V，兼容5V的I/O管脚，带有安全时钟模式与唤醒功能的低功耗模式，内部带RC振荡器，内嵌复位电路。

本实施例中，为了更好地测量钢筋混凝土结构表面的大气盐雾含量，在安装时需将氯离子浓度传感器14黏贴于钢筋混凝土结构的表面。

在一些实施例中，请参阅图3，图3为本申请提供的氯离子浓度传感器14的一个结构示意图，氯离子浓度传感器14包括允许氯离子通过的选择性半透膜141、氯离子测量装置142、气泵143、去离子水蠕动泵144、去离子水145以及气体流量计146。

在一些实施例中，请参阅图4，图4是本申请提供的数据传输存储系统2的一个结构示意图，数据传输存储系统2包括GPRS天线接口21、SIM卡插口22、RFRD天线接口23、电源接口24、网络接口25、液晶显示屏26、安装螺栓27以及物理按键28，具体地，数据传输存储系统2是通过GPRS技术，搭配SIM卡及已有的基站，实现对现场环境数据的无线传输。

其中，图5为本申请中天线的一结构示意图，该天线与数据传输存储系统2中的RFRD天线接口23相匹配。

其中，本申请使用GPRS技术实现无线传输，依靠数据流量计费，传输迅速，网络覆盖范围广，能够稳定且连续地在线。

图6为本申请实施例提供的温湿度传感装置4的一个结构示意图，在一些实施例中，温度传感器11及湿度传感器12可以集成安装在一个温湿度传感装置，该温湿度传感装置包括温度传感器11、湿度传感器12、电源接口41、安装螺栓42、液晶显示屏43以及按键面板44。

在一些实施例中，数据处理平台3还可以根据温度值、湿度值、二氧化碳值和大气盐雾含量计算并全面呈现各类腐蚀参数，并能模拟钢筋混凝土结构中钢筋锈胀开裂后腐蚀的进一步演化，同时提供锈胀裂缝的分布云图和截面承载力变化的曲线图。

其中，图7为本申请实施例提供的数据处理平台3中多场耦合综合数值分析软件的一个计算流程示意图。

图8为本申请实施例提供的数据处理平台3的一个示意图，由电脑主机31以及液晶显示屏32构成，其中，电脑主机31中安装有多场耦合综合数值分析软件。

其中，本申请提供的数据处理平台3基于稳定且高效的云端服务器开发。

数据处理平台3中的多场耦合综合数值分析软件腐蚀各个子过程之间的耦合影响，尤其是钢筋腐蚀开始后腐蚀电流对混凝土中氯粒子输送的影响也将被充分考虑。据此，活化区在钢筋表面的演化及腐蚀产物的分布将直接被软件自动模拟，而不用基于经验公式被提前假定。

本申请通过多测点布设、整体结构受力分析和失效概率计算，可对观测结构整体的使用可靠度进行评估。

其中，由于混凝土结构本身各类参数的离散性比较大，故多场耦合综合数值分析软件的计算控制误差可取为10％。

为了进一步理解本申请提供的海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统，以下以一实施例对本申请提供的海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统进行描述：

分散安装在海洋环境中不同位置的高精度的传感器，可以监测和采集在混凝土结构所处的环境中的各种环境数据，比如：温度、湿度、二氧化碳含量、空气中的氯离子含量等。紧接着，将采集到的相关数据通过无线传输的方式传递给环境监控主机(数据传输存储系统2)：统计各个监控点位的实时信息，同时可以在液晶屏上显示，并以图表的方式呈现。主机收集好所有传感器采集的数据，并按设定的上传间隔(1S～10000S可设)，通过GPRS/4G、以太网等方式将数据发送至云端服务器。云端服务器接受并存储数据。数据处理平台3从云端服务器接收环境数据，数据处理平台3中的多场耦合综合数值分析软件基于环境数据分析处理，可预测大气环境下混凝土结构承载力随使用时间的变化和钢筋锈胀开裂后的修复窗口期，评估结构的安全状况，对结构的寿命评估，以及修复加固提供数据支撑。结果可以在电脑终端屏幕显示，并上传至云端保存，此时，通过其他移动端设备也可链接云端查看结果，方便用户对结果的查看。

综上所述，该系统可实现对数据的现场测量、无线传输、存储与分析，从而对近海环境下的钢筋混凝土结构进行综合的寿命和剩余承载力评估等。

以上对本申请实施例所提供的一种海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀劣化过程的无损评估系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。