一种多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法

摘要

本发明提供了一种多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法，属于高温后混凝土寿命预测技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括如下步骤：S1：前期调研：对火灾作用参数、混凝土结构参数以及环境参数三部分进行调查，得出混凝土高温作用参数；S2：获得混凝土火灾高温后暴露于氯离子侵蚀环境的剩余寿命预测模型；S3：获得混凝土火灾高温后混凝土结构的碳化剩余寿命预测模型；S4：获得火灾后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型；S5：综合输出预测寿命；本发明应用于混凝土寿命预测。

说明书

技术领域

本发明提供了一种多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法，属于火灾后建筑物寿命预测方法技术领域。

背景技术

近年来，国民经济和生存空间扩展需求的快速发展，城市建设呈立体扩展，而混凝土所具有的优异的可加工性和机械性能，恰好满足了时代需求，被广泛应用到现代建筑中，但是随着大量新材料应用于建筑行业及电器、燃气的广泛使用，建筑物的灾害风险系数也在不断加大，火灾就是主要灾害之一。

火灾发生后，建筑物构件的承载能力与耐久性都将受到不同程度的损伤，高温会使混凝土结构的原生孔隙和裂纹不断扩展，新生裂纹不断增多，为外界因子进入混凝土内部提供了通道，导致混凝土的耐久性不断降低，而且冻融循环和碳化还会促进混凝土火灾高温后产生的劣化损伤持续进行，最终导致混凝土结构失去安全性、使用性、耐久性。如果能及时预测混凝土结构在遭受火灾高温后在不同环境作用下的使用寿命，那就可以为相关工程的设计提供理论指导，并可以为人民的生命安全提供一份保障、减少不必要的财产损失。

目前，针对混凝土结构在不同条件下的寿命预测问题，国内外研究学者进行了大量的试验研究。Xiaoxian Wang等采用恒电位加速法，研究了钢筋混凝土在单氯化物盐和含氯离子和硫酸根离子的复合盐的作用下劣化情况，并建立了腐蚀引起的膨胀应力模型；路承功等利用非单调Wiener随机退化过程建立钢筋混凝土在地下腐蚀环境中耐久性寿命预测模型；陈森等建立了一种既有混凝土氯离子侵蚀寿命预测模型的方法。Guofang Chen根据政府间气候变化专门委员会第五次评估报告对21世纪气候变化趋势的预测和不同气候区的气候观测记录，提出一种考虑气候变化的改进碳酸化模型；徐小华基于气体扩散理论碳化模型并考虑碳化残量，对大掺量矿物掺合料混凝土桥梁结构的碳化寿命进行预测，发现采用大掺量矿物掺合料的混凝土桥梁结构，可以完全保证100年以上的寿命。Jun Tian基于盐冻融循环下ECC-混凝土界面的微观损伤机理，提出一种ECC-到混凝土界面的损伤预测模型；Jisheng Qiu基于压缩失效过程中CGC的声发射特性，建立了CGC的载荷损伤演化模型，结合冻融损伤演化模型，建立了可以同时考虑冻融损伤和负荷损伤的CGC的冻融损伤本构关系；Dingshi Chen在损伤指标分析和力学试验结果的基础上，建立了混凝土的损伤演变方程和损伤本构模型；Wujian Yan等采用相对动态弹性模量法、相对P波速度法和相对横波速度法建立了混凝土结构在冻融循环作用下的使用寿命预测方法；然而，上述混凝土结构寿命预测方法仅考虑常温下的单一因素或多种因素组合情况，忽略了高温条件下的其他因素对混凝土结构寿命的影响，而对遭受火灾高温后的混凝土结构来说，在离子侵蚀、碳化乃至冻融的环境下，会使其结构损伤更加严重，不断降低混凝土的耐久性，直至达到结构的承载力极限状态，造成大量的人员伤亡和财产损失。所以本发明考虑了火灾高温作用后，多种环境耦合作用对混凝土结构寿命的影响，来预测结构寿命。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法，包括如下步骤：

S1：前期调研：对火灾作用参数、混凝土结构参数以及环境参数三部分进行调查，得出混凝土高温作用参数；

S2：获得混凝土火灾高温后暴露于氯离子侵蚀环境的剩余寿命预测模型：根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，通过RCM法或电通量法对常温时混凝土进行氯离子渗透实验，由Fick第二定律、稳定边界体条件、质量守恒定律建立以混凝土常温时暴露于氯离子侵蚀环境的时间计时的氯离子扩散模型，根据前期调研的混凝土高温作用参数求出温度影响系数、高温影响系数、湿度影响系数、其他掺量影响系数来修正暴露于氯离子侵蚀环境的氯离子渗透扩散系数；

S3：获得混凝土火灾高温后混凝土结构的碳化剩余寿命预测模型：根据热传导微分方程、初始条件、边界条件、混凝土碳化深度的随机模型得出火灾引起的碳化深度本构关系，根据前期调研的混凝土高温作用参数修正正常碳化深度达到火灾引起的碳化深度时所需要的时间；

S4：获得火灾后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型：根据混凝土结构的抗冻等级以及当地年等效冻融循环次数，得出火灾高温后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型；

S5：综合输出预测寿命。

所述步骤S1中火灾作用参数包括：受火时间、受火面积、表面最高温度；

所述步骤S1中混凝土结构参数包括：水灰比、混凝土保护层厚度、新增骨料、强度、热扩散率、抗冻等级、饱含水时间；

所述步骤S1中环境参数包括：环境温度、CO

所述步骤S2中由Fick第二定律、稳定边界体条件、质量守恒定律建立以混凝土常温时暴露于氯离子侵蚀环境的时间计时的氯离子扩散模型的计算公式如下：

上式中：c

所述温度影响系数、高温影响系数、湿度影响系数的计算公式如下：

上式中：k

修正氯离子渗透扩散系数方程为：

上式中：k

火灾后混凝土氯离子侵蚀寿命预测模型为：

所述步骤S3中的传导微分方程为：

初始条件为：θ(t，x)＝θ

边界条件为：

混凝土碳化深度的随机模型为：

上式中，a为混凝土的热扩散率，

偏于安全考虑，认为混凝土在高于400℃温度的区域完全碳化，θ(x)

上式中，t

根据前期调研的混凝土高温作用参数求出温度修正系数，修正正常碳化深度达到火灾引起的碳化深度时所需要的时间；

碳化深度温度修正系数为：

上式中，k′为温度修正系数，ω为火灾从发生到结束所持续的时间(Min)；

修正后的正常碳化深度达到火灾引起的碳化深度时所需要的时间为：

火灾高温后混凝土结构的碳化剩余寿命预测模型为：

所述步骤S4中根据混凝土结构的抗冻等级以及当地年等效冻融循环次数，得出火灾高温后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型为：

上式中：t

所述步骤S5中综合输出预测寿命，具体包括根据混凝土保护层厚度上述寿命预测模型，得出不同环境下混凝土的预测使用寿命，偏于安全考虑，取其中的最小值得出混凝土在多种环境耦合作用下的预测寿命：

T＝min(t

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

(1)建立了高温后混凝土多种作用下的剩余寿命预测模型，能够模拟不同环境对混凝土结构所造成的影响。

(2)结构根据其不同温度的损伤程度分别定义了混凝土氯离子扩散系数、碳化深度，能够更加精确的模拟实际情况。

(3)是一套便于广大工程人员使用的多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明寿命预测方法的流程图；

图2为本发明寿命计算流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明目的在于提供一种多种环境耦合作用下的高温后混凝土寿命预测方法，本发明能够快捷、准确地预测出混凝土结构火灾后混凝土结构的使用寿命，操作简单且实用。

本发明的多种作用下的高温后混凝土寿命预测方法包括如下步骤：

第一步：前期调研；

第二步：获得混凝土火灾高温后暴露于氯离子侵蚀环境的剩余寿命预测模型；

第三步：获得混凝土火灾高温后混凝土结构的碳化剩余寿命预测模型；

第四步：获得火灾后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型；

第五步：综合输出预测寿命。

结合图1，本发明根据真实环境数据得到试验参数，进而模拟试验的试样寿命，得出真实环境下的混凝土结构的使用寿命，从而实现高温环境下混凝土结构的服役寿命预测。本发明的具体实施方式如下：

第一步：前期调研，具体包括：分为火灾作用参数调查、混凝土结构参数调查以及环境参数调查三部分。火灾作用参数调查包括：受火时间、受火面积、表面最高温度。混凝土结构参数调查包括：水灰比、混凝土保护层厚度、新增骨料、强度、热扩散率、抗冻等级、饱含水时间。环境参数调查包括：环境温度、CO

第二步：获得混凝土火灾高温后暴露于氯离子侵蚀环境的剩余寿命预测模型，具体包括：

根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，通过RCM法或电通量法对常温时混凝土进行氯离子渗透实验。

由Fick第二定律、稳定边界体条件、质量守恒定律建立以混凝土常温时暴露于氯离子侵蚀环境的时间计时的氯离子扩散模型：

式中，c

根据前期调研的混凝土高温作用参数等求出温度影响系数、高温影响系数、湿度影响系数、其他掺量影响系数来修正暴露于氯离子侵蚀环境的氯离子渗透扩散系数。

温度影响系数、高温影响系数、湿度影响系数、其他掺量影响系数为：

式中，k

修正氯离子渗透扩散系数方程为：

火灾后混凝土氯离子侵蚀寿命预测模型：

第三步：获得混凝土火灾高温后混凝土结构的碳化剩余寿命预测模型，具体包括：根据热传导微分方程、初始条件、边界条件、混凝土碳化深度的随机模型得出火灾引起的碳化深度本构关系：

传导微分方程：

初始条件：θ(t，x)＝θ

边界条件：

θ(t，x)＝θ(t，∞)(x→∞)；

混凝土碳化深度的随机模型：

式中，a为混凝土的热扩散率，

偏于安全考虑，认为混凝土在高于400℃温度的区域完全碳化，θ(x)

式中，t

根据前期调研的混凝土高温作用参数等求出温度修正系数，修正正常碳化深度达到火灾引起的碳化深度时所需要的时间。

碳化深度温度修正系数为：

式中，k′为温度修正系数，ω为火灾持续时间(Min)；

修正后的正常碳化深度达到火灾引起的碳化深度时所需要的时间为：

火灾高温后混凝土结构的碳化剩余寿命预测模型为：

第四步：获得火灾高温后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型，具体包括：

根据混凝土结构的抗冻等级以及当地年等效冻融循环次数，得出火灾高温后混凝土结构受冻融循环作用后的剩余寿命预测模型：

式中：t

第五步：综合输出预测寿命,具体包括根据混凝土保护层厚度上述寿命预测模型，得出不同环境下混凝土的预测使用寿命，偏于安全考虑，取其中的最小值得出混凝土在多种环境耦合作用下的预测寿命：

T＝min(t

实施例1

现用烧失量分别为2.69％、2.30％、氯离子含量依次为0.031％、0.10％的P.O42.5普通硅酸盐水泥、硅灰，粒径0.15mm～5mm的河砂作为细骨料，体积密度为1480kg/m

采用加热能力为1250℃的SX2-16-10高温箱式电阻炉加热各混凝土试件，为模拟实际的火灾情况，根据标准ISO834中定义的加热曲线，简化加热过程，直至试件烧透至内外温度均衡同一。

采用ASTM C1202182中的电通量法进行高温后混凝土氯离子渗透性能检测，得到混凝土常温时暴露于氯离子侵蚀环境下氯离子扩散系数为2.584×10-11m

本实验忽略温度影响系数、湿度影响系数及其他掺量影响系数，仅高温影响系数：

k

400℃条件下高温影响系数约为7.349。

代入修正氯离子渗透扩散系数方程：

得400℃条件下的玻化微珠混凝土的氯离子扩散系数为18.990×10-11m

取混凝土保护层厚度为50mm，带入寿命预测方程：

由于试件只处于氯离子侵蚀的环境中，所以不计碳化侵蚀和冻融循环作用对该试件寿命的影响

综合得预计400℃条件下的玻化微珠混凝土使用寿命为T＝min(t

实施例2

太原市某高层住宅3层板采用C30混凝土，混凝土保护层为25mm，在400℃的高温中持续燃烧1个小时，预测该板的剩余寿命。

f

则，碳化系数为：

温度修正系数为：

碳化剩余寿命为：

冻融循环作用后的剩余寿命为：

由于该楼板不受氯离子侵蚀，所以不计氯离子侵蚀对该楼板寿命的影响。

综合得预计400℃条件下的该楼板使用寿命为T＝min(t

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。