本發(fā)明屬于公路橋梁施工與檢測，具體涉及非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法。

背景技術(shù)：

1、玄武巖網(wǎng)格混凝土在實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要承受車輛荷載的反復(fù)作用，還要面臨外界二氧化碳的侵蝕。這種車輛荷載的反復(fù)作用會(huì)使玄武巖網(wǎng)格混凝土內(nèi)部的微裂紋和孔隙不斷發(fā)生或發(fā)展，為二氧化碳進(jìn)入玄武巖網(wǎng)格混凝土內(nèi)部提供了便利的通道，從而加速玄武巖網(wǎng)格混凝土的碳化進(jìn)程。然而，玄武巖網(wǎng)格混凝土的疲勞損傷的量化表征仍然是一個(gè)不成熟的領(lǐng)域，尤其是在玄武巖網(wǎng)格混凝土梁承受反復(fù)的彎曲拉應(yīng)力之后。

2、目前，對(duì)于在靜載作用下的玄武巖網(wǎng)格混凝土結(jié)構(gòu)的碳化研究已經(jīng)比較充分，但對(duì)于在反復(fù)荷載引起的疲勞損傷作用下的碳化研究還相對(duì)較少。在實(shí)際運(yùn)營中的玄武巖網(wǎng)格混凝土，不僅要受到二氧化碳的侵蝕，還要承受車輛荷載引起的應(yīng)力循環(huán)。即使是低應(yīng)力水平的反復(fù)荷載，也會(huì)導(dǎo)致玄武巖網(wǎng)格混凝土中微裂紋和孔隙的疲勞增長，從而進(jìn)一步加速玄武巖網(wǎng)格混凝土的碳化。

3、因此，對(duì)于玄武巖網(wǎng)格混凝土的耐久性研究來說，能夠可靠地表征混凝土的疲勞損傷程度、全面地考慮疲勞損傷對(duì)碳化的影響、謹(jǐn)慎地建立疲勞損傷作用下玄武巖網(wǎng)格混凝土的碳化模型是非常重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：提供非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。

2、技術(shù)方案：非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，包括以下步驟：

3、步驟s1、獲取混凝土樣本，對(duì)混凝土樣本進(jìn)行碳化試驗(yàn)；

4、步驟s2、獲取步驟s1中混凝土樣本碳化試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)溫度、相對(duì)濕度的變化，分析混凝土樣本的實(shí)際碳化深度的變化；

5、步驟s3、基于混凝土抗壓強(qiáng)度搭建碳化深度初步預(yù)測模型，依據(jù)arrhenius定律獲取化學(xué)反應(yīng)系數(shù)與溫度之間的關(guān)系，建立溫度影響系數(shù)式，并利用二次多項(xiàng)式建立濕度影響系數(shù)式；

6、步驟s4、獲取初步預(yù)測模型與溫度、濕度之間的非線性關(guān)系，采用levenberg-marquart算法得到修正預(yù)測模型；

7、步驟s5、獲取步驟s2中的實(shí)際碳化深度，利用步驟s4中修正預(yù)測模型計(jì)算溫度、相對(duì)濕度條件下混凝土預(yù)測碳化深度，驗(yàn)證實(shí)際碳化深度與預(yù)測碳化深度之間相對(duì)誤差，驗(yàn)證修正預(yù)測模型。

8、優(yōu)選的，步驟s1的碳化試驗(yàn)過程如下：

9、步驟s11、將獲取的混凝土樣本試件，將試件放入干燥箱內(nèi)烘干后取出后，用加熱后的石蠟對(duì)非碳化面密封，將密封的試件放入碳化箱，按照溫度、相對(duì)濕度和二氧化碳濃度進(jìn)行碳化試驗(yàn)；

10、步驟s12、當(dāng)碳化至預(yù)定天數(shù)后，切割一半的試件放入壓力試驗(yàn)機(jī)中做碳化深度測試，得到短碳化試件；

11、步驟s13、對(duì)剩余的試件的切割面再次用石蠟密封后，再次進(jìn)行碳化試驗(yàn)；

12、步驟s14、當(dāng)碳化至預(yù)定天數(shù)后，對(duì)剩余的試件放入壓力試驗(yàn)機(jī)中做碳化深度測試，得到長碳化試件；

13、步驟s15、分別獲取短碳化試件、長碳化試件的碳化深度后，取短碳化試件、長碳化試件的平均碳化深度。

14、優(yōu)選的，步驟s2中，溫度、相對(duì)濕度變化對(duì)實(shí)際碳化深度的變化過程如下：

15、步驟s21、控制碳化過程中，溫度由低至高變化，得到不同溫度下短碳化試件或長碳化試件的碳化深度變化；

16、步驟s22、控制碳化過程中，控制碳化濕度由低到高變化，得到不同濕度下短碳化試件或長碳化試件的碳化深度變化。

17、優(yōu)選的，步驟s3中，初步預(yù)測模型初始計(jì)算公式如下：

18、

19、式中：a為混凝土碳化深度，h為相對(duì)濕度，為水灰比，c為水泥用量，環(huán)境中二氧化碳濃度，為水化程度修正系數(shù)，為水泥修正系數(shù)，t為碳化時(shí)間。

20、優(yōu)選的，步驟s3中，溫度影響系數(shù)依據(jù)混凝土碳化深度與碳化反應(yīng)系數(shù)成正比的關(guān)系，建立溫度影響系數(shù)方程式如下：

21、

22、式中：e表示化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，a表示前因子，ea表示碳化反應(yīng)的表觀活化能，r表示摩爾氣體常數(shù)，t表示環(huán)境溫度。

23、優(yōu)選的，根據(jù)溫度影響系數(shù)方程式，建立溫度影響系數(shù)式如下：

24、

25、式中：x、d表示待定系數(shù)，f表示歐拉數(shù)；

26、步驟s34、依據(jù)相對(duì)濕度對(duì)碳化深度的影響，建立濕度影響系數(shù)式如下：

27、

28、式中：y、z表示待定系數(shù)。

29、優(yōu)選的，通過初步預(yù)測模型的初始計(jì)算公式，引入溫度和濕度影響系數(shù)，對(duì)初步預(yù)測模型的初始計(jì)算公式進(jìn)行修正，修正后的公式如下：

30、

31、優(yōu)選的，步驟s4中，在高斯牛頓法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，利用梯度求值的算法，引入阻尼因子來調(diào)節(jié)算法，當(dāng)阻尼因子大于零時(shí)，確定迭代的下降方向，采用levenberg-marquart算法得到溫度影響系數(shù)、濕度影響系數(shù)的公式分別如下：

32、

33、通過公式(6)、(7)代入公式(5)中，得到修正預(yù)測模型：

34、

35、優(yōu)選的，通過公式(8)的修正預(yù)測模型計(jì)算出混凝土碳化深度預(yù)測值，獲取步驟s2中的混凝土樣本實(shí)際碳化深度的試驗(yàn)值，對(duì)碳化深度預(yù)測值與實(shí)際碳化深度的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，對(duì)修正預(yù)測模型驗(yàn)證。

36、有益效果：本發(fā)明涉及非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，依據(jù)arrhenius定律獲取化學(xué)反應(yīng)系數(shù)與溫度之間的關(guān)系，建立溫度影響系數(shù)式，并利用二次多項(xiàng)式建立濕度影響系數(shù)式，對(duì)初步預(yù)測模型修正，能夠更精準(zhǔn)的預(yù)測玄武巖網(wǎng)格混凝土在不同環(huán)境條件的碳化深度，使模型更加符合實(shí)際工程應(yīng)用情況，通過精準(zhǔn)預(yù)測玄武巖網(wǎng)格混凝土的碳化深度，有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制定更有效的維護(hù)策略，從而延長結(jié)構(gòu)的使用壽命并減少維護(hù)成本。

技術(shù)特征：

1.非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，步驟s1的碳化試驗(yàn)過程如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，步驟s2中，溫度、相對(duì)濕度變化對(duì)實(shí)際碳化深度的變化過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，步驟s3中，初步預(yù)測模型初始計(jì)算公式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，步驟s3中，溫度影響系數(shù)依據(jù)混凝土碳化深度與碳化反應(yīng)系數(shù)成正比的關(guān)系，建立溫度影響系數(shù)方程式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，根據(jù)溫度影響系數(shù)方程式，建立溫度影響系數(shù)式如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，通過初步預(yù)測模型的初始計(jì)算公式，引入溫度和濕度影響系數(shù)，對(duì)初步預(yù)測模型的初始計(jì)算公式進(jìn)行修正，修正后的公式如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，步驟s4中，在高斯牛頓法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，利用梯度求值的算法，引入阻尼因子來調(diào)節(jié)算法，當(dāng)阻尼因子大于零時(shí)，確定迭代的下降方向，采用levenberg-marquart算法得到溫度影響系數(shù)、濕度影響系數(shù)的公式分別如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，其特征在于，通過公式(8)的修正預(yù)測模型計(jì)算出混凝土碳化深度預(yù)測值，獲取步驟s2中的混凝土樣本實(shí)際碳化深度的試驗(yàn)值，對(duì)碳化深度預(yù)測值與實(shí)際碳化深度的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，對(duì)修正預(yù)測模型驗(yàn)證。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了非穩(wěn)態(tài)條件下玄武巖網(wǎng)格混凝土碳化擴(kuò)散系數(shù)確定方法，屬于公路橋梁施工與檢測技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：獲取混凝土樣本，對(duì)混凝土樣本進(jìn)行碳化試驗(yàn)；獲取混凝土樣本碳化試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)溫度、相對(duì)濕度的變化，分析混凝土樣本的實(shí)際碳化深度的變化；基于混凝土抗壓強(qiáng)度搭建碳化深度初步預(yù)測模型，依據(jù)Arrhenius定律獲取化學(xué)反應(yīng)系數(shù)與溫度之間的關(guān)系，建立溫度影響系數(shù)式、建立濕度影響系數(shù)式；獲取初步預(yù)測模型與溫度、濕度之間的非線性關(guān)系，采用Levenberg?Marquart算法得到修正預(yù)測模型并驗(yàn)證修正預(yù)測模型。本發(fā)明通過精準(zhǔn)預(yù)測玄武巖網(wǎng)格混凝土的碳化深度，有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制定更有效的維護(hù)策略，從而延長結(jié)構(gòu)的使用壽命并減少維護(hù)成本。

技術(shù)研發(fā)人員：湯彬偉,陳文凱,王芮文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鐵四局集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10