專利名稱：混凝土結構剩余壽命分析系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種能夠遠程監控服役混凝土結構耐久性參數、并對耐久性極限健康與否利用無線網絡遠程傳播發出預警、通過計算機程序軟件進行混凝土結構剩余使用壽命計算分析的一整套系統流程設計。
背景技術：
處于海洋環境下的港口碼頭、道路橋梁等海工混凝土結構，由于氯鹽的侵蝕，造成鋼筋腐蝕，被公認為是導致混凝土結構破壞的最主要原因，由此引起的混凝土結構破壞已成為全世界普遍關注并日益突出的一大災害。鋼筋腐蝕破壞造成的直接、間接損失之大遠遠超出人們的預料，在歐、美發達國家已構成嚴重財政負擔。我國海工混凝土耐久性差、腐蝕破壞情況也尤其嚴重。
目前有代表性的氯鹽環境下混凝土結構使用壽命計算模型主要有三類，分別是歐洲的DuraCrete模型、美國的Life-365模型和日本的土木學會模型。
DuraCrete是歐盟資助的有關混凝土結構耐久性的聯合研究項目，提出的《耐久性設計指南》中采用的是可靠度設計方法，用多個分項系數來反映可靠指標，計算模型用的是性能表達式，稱為以性能和可靠度為基礎的耐久性設計方法。這一模型以鋼筋銹蝕發展到混凝土保護層順筋開裂的寬度達到1mm時作為壽命終結的極限狀態，所以整個計算包括兩個階段，第一階段為氯離子從保護層侵入使鋼筋發生銹蝕的初始期，第二階段為銹蝕發展直至裂縫寬度達1mm的發展期。除水下結構外，第二階段的過程較短，所以也可僅考慮第一階段，即當深度為保護層厚度x處的混凝土氯離子濃度c(x，t)達到鋼筋銹蝕的臨界濃度c。時作為極限狀態。利用Fick第二定律的解析解，可列出設計方程如下 式中，Ccd為氯離子臨界濃度設計值，xd為保護層厚度設計值，Csd為混凝土表面氯離子濃度設計值，Rd(t)為氯離子在混凝土中擴散系數D(t)的倒數，D(t)隨時間變化。令g＝0，即可解得鋼筋表面氯離子濃度達到臨界濃度的年限。模型根據對混凝土耐久性的研究數據，確定了一系列擬和系數、氯離子臨界濃度、擴散系數衰減指數等參數的取值范圍，從而可以根據環境與材料情況計算結構物的使用壽命。
Life-365計算程序是美國混凝土學會365(使用壽命預測)委員會組織研究開發的，采用的也是Fick擴散模型，但用的是數值解，可以考慮氯離子從二維方向侵入，計算中不以顯式列出安全系數，后者考慮在模型參數的取值中。與DuraCrete模型相比，Life-365模型同樣認為氯離子擴散系數隨時間增長而衰減，并且與膠凝材料種類有關；但是Life-365模型還考慮了混凝土表面氯離子濃度是一個不斷增長累計直至穩定的過程，而且認為氯離子擴散系數在30年以后達到定值而不再降低。
日本土木學會混凝土標準中采用的計算模型也是用誤差函數表示的Fick公式的解析解 式中的幾個分項安全系數與參數分別為 γi——結構物重要性系數，一般結構1.0，重要結構1.1； γcl——考慮鋼筋表面的氯離子濃度變異性的系數，取1.3； γc——考慮混凝土材料性能變異性的系數，如果混凝土施工達不到與標準試件相同的養護條件取1.3，一般情況取1.0； cc，lim——引起鋼筋銹蝕的氯離子臨界濃度，一般情況取1.2kg/m3(每方混凝土中的氯離子量)，凍融環境取小于1.2； cs——混凝土表面氯離子濃度，依據結構物到海岸的距離選擇某一定值； x，t——保護層厚度和使用年限，后者不超過100年； D——擴散系數，如混凝土有裂縫需乘以系數1.5以考慮裂縫對擴散系數的影響，此時裂縫最大寬度不應超過規定值。
該日本模型沒有考慮擴散系數隨時間的變化，并認為氯離子臨界濃度一般在0.3～2.4kg/m3之間。
上述三種模型各有優缺點，但是由于混凝土原材料、環境條件、施工情況等因素的不同，并不一定適用于我國氯鹽污染環境下的混凝土結構壽命計算，因此需要根據我國的具體情況，結合室內試驗、混凝土構件暴露試驗與港工結構物的原型檢測結果，正確選擇模型各項參數，確定可以反映我國實際情況的混凝土結構物使用壽命計算模型。
針對港工混凝土結構耐久性的健康診斷技術主要是指對鋼筋混凝土腐蝕的監測和檢測技術。近二三十年來，人們對鋼筋混凝土的破壞和修復問題進行了大量的研究，提出了一些行之有效的方法。但是鋼筋混凝土的破壞程度、破壞進程和修復后的效果僅靠外觀觀察是遠遠不能滿足要求的，需要采用先進的物理、化學手段檢測其所處的狀態，對其進行“健康”評估，預測其剩余壽命。同時，有效的檢測手段可以為鋼筋混凝土的修復措施選擇提供依據。
發明內容
本發明的目的在于彌補現有技術的不足，提供一種適合于我國地理環境的混凝土結構壽命的分析系統。
為了達到上述發明目的，本發明采用了以下技術方案 一種混凝土結構壽命預測系統，其特征在于，由混凝土結構耐久性參數測量系統、混凝土結構剩余壽命計算分析系統及預警系統組成，通過所述參數測量系統測量混凝土保護層質量的綜合評定參數和鋼筋表面狀態情況并經混凝土結構剩余壽命計算分析系統計算，由預警系統發出預警指令， 所述混凝土結構剩余壽命計算分析系統按照以下步驟進行分析計算 (1)測量室內試驗電通量Q； (2)通過電通量Q與氯離子室內擴散系數Dh的關系得到室內擴散系數Dh； (3)由公式(a)換算得到室內參考擴散系數Dhref； (4)由暴露試驗擴散系數De與室內試驗擴散系統Dh關系式得到暴露試驗參考擴散系數Deref； (5)由公式(b)換算得到有效擴散系數De10ae； (6)由公式(c)換算得到混凝土結構使用壽命T。
本發明能夠遠程監控服役混凝土的結構耐久性參數、利用計算機程序軟件進行混凝土結構剩余使用壽命分析預測，并對耐久性極限的健康狀況診斷、預警。本發明是利用混凝土實體結構氯離子濃度(氯離子擴散系數)、鋼筋銹蝕狀態(半電池電位)、腐蝕電流及混凝土電阻率等混凝土結構耐久性參數來計算其剩余使用壽命的。當長期在線監測的耐久性參數超過預先設定的預警級別時，可通過無線網絡進行遠程傳播及控制。該方法集成計算機硬軟件、混凝土結構耐久性研究、電化學技術、智能傳感器技術、無線網絡數字技術、數據采集分析技術等。
其中，壽命分析預測數學模型通過回歸原型觀測、暴露試驗、室內試驗，充分考慮到我國的實際情況，在混凝土原材料差異、環境條件變化、施工情況不同的條件下綜合考慮氯離子擴散系數隨各種參數的變化，建立了電通量和氯離子擴散系數之間的對應關系，通過對電通量的測量直觀反映混凝土的抗氯離子滲透性。氯離子的擴散系數反映了氯離子在混凝土內的滲透情況，且是預測混凝土耐久年限的主要參數。電通量值的測定快速、簡單單，而氯離子的擴散系數的測定較復雜，時間也長。因此，本發明通過快速、簡捷的電通量測定來預測混凝土的耐久年限簡化了實際操作，提高了工作效率。
圖1是混凝土結構壽命預測模型。
具體實施例方式 1.剩余壽命預測數學模型設計 該數學模型通過回歸原型觀測、暴露試驗、室內試驗，建立起電通量和氯離子擴散系數之間的對應關系；利用相關模型參數進行定量計算。如表1所示，為高性能混凝土基本配合比一覽表。
表1 高性能混凝土基本配合比一覽表 注w/b-水膠比，b-膠凝材料，F1-I級粉煤灰，F2-II級粉煤灰，S-硅灰，K-礦粉，下述內容配合比中符號與此相同。
表中SL指的是坍落度 如表2所示，是高性能混凝土抗氯離子滲透性試驗結果。
表2 高性能混凝土抗氯離子滲透性試驗結果 電通量值直觀地反映了混凝土的抗氯離子滲透性。氯離子的擴散系數反映了氯離子在混凝土內的滲透擴散情況，并且是預測混凝土耐久年限的主要參數。電通量值的測定快速、簡單，氯離子擴散系數的測定較復雜，且時間也長。從表3、4可以看出，電通量與擴散系數具有較好的相關關系，因此，也可以通過快速、簡捷的電通量測定來預測高性能混凝土的耐久年限。
如表3所示，為室內試驗擴散系數Dh和電通量Q的關系式。
表3室內試驗擴散系數Dh和電通量Q的關系式 如表4所示，為暴露試驗擴散系數De和室內試驗擴散系數Dh的關系式。
表4暴露試驗擴散系數De和室內試驗擴散系數Dh的關系式
由此，建立的混凝土結構壽命預測模型如圖1所示。
以建立的海港工程高性能混凝土壽命預測模型為例 (1)室內快速試驗測出室內試驗電通量Q； (2)由表3中電通量Q與室內擴散系數Dh關系式，得到室內試驗擴散系數Dh。
(3)由公式(a)換算得到室內試驗參考擴散系數Dhref； (4)以90天作為暴露時間，由表4中暴露試驗擴散系數Deref與室內擴散系數Dhref的關系式換算得到暴露試驗參考擴散系數Deref； 按不同配合比參數配合比參數(w/b、摻合料類型、摻量)建立各自的參照擴散系數Deref； (5)從安全考慮，高性能混凝土有效擴散系數的衰減年限暫按10年考慮。
由公式(b)換算得到有效擴散系數De10a， 擴散系數衰減值m按暴露試驗數據經驗值取值。
(6)按照Fick第二定律公式(c)計算HPC壽命T。
浪濺區混凝土表面濃度暫取Cs＝1.00％，氯離子臨界濃度Cr取值為0.05％(按混凝土質量計)。
表5為某工程計算實例，按照本發明的壽命預測數學模型進行的不同保護層厚度、不同配合比混凝土的使用壽命計算，結果如下 表5 2.耐久性參數測量系統設計 本發明設計的耐久性監測系統能提供長期的混凝土保護層質量的綜合評定參數和鋼筋表面狀態情況。保護層的質量參數主要包括中性化程度、滲透速率、離子(氣體)侵入、水分的散失和內部濕度分布、溫度分布、混凝土的電化學性能、水化程度等；鋼筋表面狀態涉及由鈍化到活化的轉變形式、銹蝕開始后的銹蝕速率及隨時間的演化規律。
耐久性參數監測系統包括了傳感器的設計、標定及封裝，與數據采集分析兩部分。
2.1埋入式、多功能、長效性混凝土耐久性監測傳感器的設計、標定與封裝具有下列特征 (1)本發明集成混凝土各耐久性參數測試元件的組合技術、電極設計、電路設計、兼容性與多信號采集硬件技術。
(2)本發明傳感器材料選用錳氧化物(MnO2)，金屬-金屬氧化物(MMO)、石墨參比傳感器、納米材料電極等，該元件在混凝土堿性環境中的能夠長期穩定(極化行為、阻抗特征)。
(3)組合式傳感器的測試范圍廣、測試精度高、抗干擾能力強，可重復使用。
(4)通過耐腐蝕電路保護技術與傳感器封裝技術，智能傳感器適用于海工混凝土環境、且能同時測試以上各耐久性參數的埋入式、多功能、長效性等功能。通過植入技術，能在役防護與系統標定。
2.2埋入式港工混凝土結構劣化監測傳感器的數據采集、分析集成技術 (1)應用與這種傳感器相對應的智能型、自動數據采集系統硬件技術； (2)多因素復合作用下，應用傳感器信號采集、數據分析、校正軟件系統，將所采集的原始數據進行綜合分析、校正，獲取直觀、準確的結構耐久性監測數據。
3.健康診斷及預警系統設計具有下列功能特征 (1)提供與大型數據庫或監測系統的良好軟件接口、保證數據安全性； (2)對采集的數據進行實時處理和分析，根據設定條件或模型，對鋼筋腐蝕狀態進行實時監控、預測和報警，若報警則同時給出相應處理建議； (3)應用鋼筋混凝土結構耐久性使用壽命預測模型，實時判斷結構的健康狀況并對其使用壽命進行預測； (4)根據實際要求，規定結構耐久性預警級別，系統通過與實時判定結果之比較，實時給出結構耐久性健康狀態或報警，報警則同時提供應急預案和處理措施。
(5)對于硬件系統，提供支持RS232/485/USB等串口、TCP/IP通訊協議，支持GPRS/CDMA無線數據通訊； (6)提供單機版和網絡版，提供網絡發布、查詢、或遠程控制功能。
權利要求
1.一種混凝土結構剩余壽命分析系統，其特征在于，由混凝土結構耐久性參數測量系統、混凝土結構剩余壽命計算分析系統及預警系統組成，通過所述參數測量系統測量混凝土保護層質量的綜合評定參數和鋼筋表面狀態情況并經混凝土結構剩余壽命計算分析系統計算，由預警系統發出預警指令，
所述混凝土結構剩余壽命計算分析系統按照以下步驟進行分析計算
(1)測量室內試驗電通量Q；
(2)通過電通量Q與氯離子室內擴散系數Dh的關系得到室內擴散系數Dh；
(3)由公式(a)換算得到室內參考擴散系數Dhref；
(4)由暴露試驗擴散系數De與室內試驗擴散系統Dh關系式得到暴露試驗參考擴散系數Deref；
(5)由公式(b)換算得到有效擴散系數D10ae；
(6)由公式(c)換算得到混凝土結構使用壽命T。
2.根據權利要求1所述的混凝土結構剩余壽命分析系統，其特征在于所述步驟(2)是通過回歸原型觀測、暴露試驗及室內室驗，建立電能量Q和氯離子擴散系數之間的對應關系。
3.根據權利要求1所述的混凝土結構剩余壽命分析系統，其特征在于所述混凝土結構耐久性參數測量系統包括一埋入式的多功能長效性混凝土耐久性監測傳感器，及與之對應的智能性自動數據采集分析系統。
全文摘要
本發明公開了一種混凝土結構壽命預測系統，由混凝土結構耐久性參數測量系統、混凝土結構剩余壽命計算分析系統及預警系統組成，通過所述參數測量系統測量混凝土保護層質量的綜合評定參數和鋼筋表面狀態情況并經混凝土結構剩余壽命計算分析系統計算，由預警系統發出預警指令。本發明集成計算機硬軟件、混凝土結構耐久性研究、電化學技術、智能傳感器技術、無線網絡數字技術、數據采集分析技術等，可簡化實際操作，提高工作效率。
文檔編號G06F19/00GK101122595SQ20071003005
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月4日 優先權日2007年9月4日
發明者王勝年, 潘德強, 黃君哲, 范志宏, 王迎飛, 熊建波 申請人:中交四航工程研究院有限公司