CN111307874A - 一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法 - Google Patents

一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法 Download PDF

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蒋建华
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Abstract

本发明公开了一种考虑气候环境影响的混凝土电阻率预测方法。该方法通过对气象环境资料的处理，构建了环境温度作用谱与湿度作用谱，考虑外界环境作用的滞后性，利用模型公式计算得到了混凝土内部温湿度响应值。根据得到的内部温湿度可以计算出内部孔隙水饱和度，最后根据孔隙水饱和度可以计算得到混凝土电阻率的最终预测结果。本发明预测模型具有较强的适用规律性，解决了电阻率测试的人工干预问题、时效问题。

Description

一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法
技术领
本发明涉及混凝土材料传热学、传湿学领域，特别是一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法。
背景技术
混凝土电阻率是混凝土的一项重要基本物理指标，也是钢筋混凝土耐久性劣化过程的重要影响因素之一。混凝土内部微环境一定程度上取决于气候环境条件，外界的温湿度影响着混凝土内部的温湿度，而内部的温湿度条件又决定着混凝土材料的电阻率。在现有的技术手段中，混凝土试件电阻率主要依靠电阻率测试装置实测得到，对于混凝土电阻率的预测较为匮乏，特别是自然环境下混凝土电阻率的预测方法更为稀少。
发明内容
发明目的，本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，该方法通过对气象资料中环境温湿度进行系列处理计算最终得到混凝土电阻率。
技术方案，本发明公开了一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，该方法包括如下步骤：
步骤1、构建自然条件下的气候环境作用谱。具体地，构建环境温度作用谱和环境湿度作用谱。
进一步地，步骤1中所述气候环境温度或湿度作用谱，是对波动变化的自然环境的温度或湿度条件进行处理后得到的简化的温度或湿度与时间的变化曲线。
步骤2、构建带有x、y、z的三维正交坐标系，计算混凝土内部温湿度。
所述步骤2中，根据步骤1中构建的自然环境下温度作用谱，利用混凝土内温度响应预计模型(1)计算混凝土内部温度。
Figure BDA0002443788340000011
公式(1)中，
Figure BDA0002443788340000012
Figure BDA0002443788340000013
Figure BDA0002443788340000014
Figure BDA0002443788340000021
对公式(1)、(2)：x、y、z为混凝土内位置坐标参数，τ为时间变量。
其中，t(x,y,z,τ)为任意位置任意时刻混凝土内部的温度，t∞为混凝土所处环境温度(瞬间恒定不变)，t0为混凝土内部初始温度(均匀一致)；θ0为初始时刻过余温度，θ0＝t0-t∞；
其中，λ为混凝土的导热系数，导热系数λ＝1.99-1.4×(w/c)+9.67×ω计算，ω为含水率，w/c为混凝土水灰比，为混凝土中拌和水与水泥的用量比，环境与混凝土间的表面传热系数h为常数，导温系数为a，Bi为毕渥数，δ为一常数，
Figure BDA0002443788340000022
FO为傅里叶准则数，FO＝aτ/δ2,(2)中μ1、A为计算参数，a，b，d为常数。
所述步骤2中，根据步骤1中构建的自然环境下湿度作用谱，利用公式(3)计算混凝土内部相对湿度：
Figure BDA0002443788340000023
式(3)中，H为混凝土内部相对湿度，H0为内部初始相对湿度，He为环境相对湿度，
Figure BDA0002443788340000024
为误差函数；x1为距离混凝土表面的深度，m；
Figure BDA0002443788340000025
为湿混凝土内的等效扩散系数，τ为时间，h。
进一步地,式(3)中，涉及误差函数
Figure BDA0002443788340000026
的计算采用双曲正切函数近似计算法公式(4)：
Figure BDA0002443788340000027
其中，tanh为双曲正切函数，
Figure BDA0002443788340000028
进一步地,当混凝土内部相对湿度低于环境相对湿度时，在湿度差的作用下，湿气自混凝土表面向内部传输，混凝土处于吸湿状态，将此过程定义为混凝土相对湿度正向扩散响应，此时等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000029
以正向等效湿气扩散系数
Figure BDA00024437883400000210
代入式(3)；同样地，当混凝土内部相对湿度高于环境相对湿度时，混凝土处于干燥状态，将此过程定义为混凝土相对湿度反向扩散响应，此时等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000031
以反向等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000032
代入式(3)，
Figure BDA0002443788340000033
按式(5a)、(5b)计算。
Figure BDA0002443788340000034
Figure BDA0002443788340000035
式(5)中，w/c为混凝土水灰比，为混凝土中拌和水与水泥的用量比；t为步骤2中为经分区段处理的混凝土内部温度，℃，为变量，取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值；ΔH0＝|He-H0|，H0为内部初始相对湿度，He为环境相对湿度，％。
步骤3、利用步骤2得到的混凝土温湿度，将混凝土分成不同的温湿度区段，按式(6)计算各区段的混凝土孔隙水饱和度S。
Figure BDA0002443788340000036
式(6)中，S为混凝土中孔隙水饱和度，H为混凝土的相对湿度，λ1、λ2、λ3为系数，其与水灰比和温度有关，λ1、λ2、λ3按式(7a)、(7b)、(7c)计算。
λ1＝(2.9142w/c-2.5849)×10-3t-0.1994w/c+0.1647 (7a)
λ2＝(2.907w/c-1.1446×10-3t+1.5594×10-5t3+4.4465)×10-3 (7b)
λ3＝(2.158w/c-3.2774)×10-3t-0.3272w/c+0.3154 (7c)
式(7)中，w/c为混凝土水灰比，t为步骤2中经分区段处理的混凝土内部温度，为变量，按步骤2取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值。
步骤4、根据步骤3所得各区段的孔隙水饱和度S按混凝土电阻率预计公式(8)计算，输出结果为各区段的混凝土电阻率。
Figure BDA0002443788340000037
式(8)中，ρc为电阻率；w/c为混凝土水灰比；T为混凝土内部的绝对温度，K；Cl为混凝土总的氯离子含量，即占水泥质量百分比，％。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明通过环境温湿度的气象学资料，构建了自然环境下温度作用谱，先后求得混凝土试件内部温湿度、孔隙水饱和度等所需量，最终预测混凝土的电阻率。本发明采用的所有模型公式是基于大量试验结果建立并与理论拟合良好，因而能较好地反映出电阻率的大小，也避免了电阻率测试装置的使用，人工干预较少，本发明具有较强的普适性规律。
附图说明
图1是本发明方法的实施流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述，实施例给出了考虑气候环境影响的混凝土电阻率预测方法。
实施例。
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，该方法能够通过环境温湿度的气象资料经过系列计算最终得到混凝土的电阻率。图1是本发明的实施流程图。
基于试验结果与理论分析的结果，本发明公开了一种考虑气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，具体包括以下步骤：
步骤1、构建自然条件下的气候环境作用谱。具体地，构建环境温度作用谱和环境湿度作用谱。
进一步地，步骤1中所述气候环境温度或湿度作用谱，是对波动变化的自然环境的温度或湿度条件进行处理后得到的简化的温度或湿度与时间的变化曲线。
进一步地，构建环境温度作用谱时：按照极差最小的原则，将环境温度分割为3段，每一段内温度视为恒定。在24小时内，按照环境温度分割的3段分别是0:00→9:00；10:00→20:00；21:00→23:00，取每段中温度平均值作为该段的恒定温度。
步骤2、构建带有x、y、z的三维正交坐标系，计算混凝土内部温湿度。
所述步骤2中，根据步骤1中构建的自然环境下温度作用谱，利用混凝土内温度响应预计模型(1)计算混凝土内部温度。
Figure BDA0002443788340000041
公式(1)中，
Figure BDA0002443788340000042
Figure BDA0002443788340000051
Figure BDA0002443788340000052
Figure BDA0002443788340000053
对公式(1)、(2)：x、y、z为混凝土内位置坐标参数，τ为时间变量。
t(x,y,z,τ)为任意位置任意时刻混凝土内部的温度，t∞为混凝土所处环境温度(瞬间恒定不变)，t0为混凝土内部初始温度(均匀一致)。
θ0为初始时刻过余温度，θ0＝t0-t∞。
混凝土的导热系数为λ，导热系数λ＝1.99-1.4×(w/c)+9.67×ω计算，ω为含水率，w/c为混凝土水灰比，为混凝土中拌和水与水泥的用量比，环境与混凝土间的表面传热系数h为常数，导温系数为a，Bi为毕渥数，δ为一常数，
Figure BDA0002443788340000054
FO为傅里叶准则数，FO＝aτ/δ2,(2)中μ1、A为计算参数，a，b，d为常数。
进一步地，对温度t(x,y,z,τ)计算结果进行处理，对混凝土划分不同温度区段，得到经分区段处理的混凝土内部温度t，为变量，取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值。
所述步骤2中，根据步骤1中构建的自然环境下湿度作用谱，利用公式(3)计算混凝土内部相对湿度：
Figure BDA0002443788340000055
式(3)中，H为混凝土内部相对湿度，H0为内部初始相对湿度，He为环境相对湿度，
Figure BDA0002443788340000056
为误差函数；x1为距离混凝土表面的深度，m；
Figure BDA0002443788340000057
为湿混凝土内的等效扩散系数，τ为时间，h。
进一步地,式(3)中，涉及误差函数
Figure BDA0002443788340000058
的计算采用双曲正切函数近似计算法公式(4)：
Figure BDA0002443788340000059
其中，tanh为双曲正切函数，
Figure BDA0002443788340000061
进一步地,当混凝土内部相对湿度低于环境相对湿度时，在湿度差的作用下，湿气自混凝土表面向内部传输，混凝土处于吸湿状态，将此过程定义为混凝土相对湿度正向扩散响应，此时等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000062
以正向等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000063
代入式(3)；同样地，当混凝土内部相对湿度高于环境相对湿度时，混凝土处于干燥状态，将此过程定义为混凝土相对湿度反向扩散响应，此时等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000064
以反向等效湿气扩散系数
Figure BDA0002443788340000065
代入式(3)，
Figure BDA0002443788340000066
按式(5a)、(5b)计算。
Figure BDA0002443788340000067
Figure BDA0002443788340000068
式(5)中，；w/c为混凝土水灰比，为混凝土中拌和水与水泥的用量比；t为步骤2中为经分区段处理的混凝土内部温度，℃，为变量，取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值；ΔH0＝|He-H0|，H0为内部初始相对湿度，He为环境相对湿度，％。
步骤3、利用步骤2得到的混凝土温湿度，将混凝土分成不同的温湿度区段，按式(6)计算各区段的混凝土孔隙水饱和度S。
Figure BDA0002443788340000069
式(6)中，S为混凝土中孔隙水饱和度，H为混凝土的相对湿度，λ1、λ2、λ3为系数，其与水灰比和温度有关，λ1、λ2、λ3按式(7a)、(7b)、(7c)计算。
λ1＝(2.9142w/c-2.5849)×10-3t-0.1994w/c+0.1647 (7a)
λ2＝(2.907w/c-1.1446×10-3t+1.5594×10-5t3+4.4465)×10-3 (7b)
λ3＝(2.158w/c-3.2774)×10-3t-0.3272w/c+0.3154 (7c)
式(7)中，w/c为混凝土水灰比，t为步骤2中经分区段处理的混凝土内部温度，为变量，取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值。
步骤4、根据步骤3中所得各区段的孔隙水饱和度S按混凝土电阻率预计公式(8)计算，输出结果为各区段的混凝土电阻率。
Figure BDA0002443788340000071
式(8)中，ρc为电阻率；w/c为混凝土水灰比；T为混凝土内部的绝对温度，K；Cl为混凝土总的氯离子含量(占水泥质量百分比)，％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1、构建环境温度作用谱和环境湿度作用谱；
步骤2、根据步骤1中的作用谱，构建带有x、y、z的三维正交坐标系，计算混凝土内部温湿度；
步骤3、利用步骤2得到的混凝土温湿度，将混凝土分成不同的温湿度区段，计算各区段的混凝土孔隙水饱和度S；
步骤4、根据步骤3所得各区段的孔隙水饱和度S计算电阻率，得到各区段的混凝土电阻率。
2.根据权利要求1所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，步骤1中环境温度或湿度作用谱是对波动变化的自然环境的温度或湿度条件进行处理后得到的温度或湿度与时间的变化曲线。
3.根据权利要求1或2所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，所述步骤2中，根据步骤1中构建的温度作用谱，利用混凝土内温度响应预计模型(1)计算混凝土内部温度：
Figure FDA0002443788330000011
公式(1)中，
Figure FDA0002443788330000012
Figure FDA0002443788330000013
Figure FDA0002443788330000014
Figure FDA0002443788330000015
对公式(1)、(2)：x、y、z为混凝土内位置坐标参数，τ为时间变量；
其中，t(x,y,z,τ)为任意位置任意时刻混凝土内部的温度，t∞为混凝土所处环境温度，t0为混凝土内部初始温度；θ0为初始时刻过余温度，θ0＝t0-t∞；
其中，λ为混凝土的导热系数，ω为含水率，w/c为混凝土水灰比，为混凝土中拌和水与水泥的用量比，环境与混凝土间的表面传热系数h为常数，导温系数为a，Bi为毕渥数，δ为一常数，
Figure FDA0002443788330000021
FO为傅里叶准则数，FO＝aτ/δ2,(2)中μ1、A为计算参数，a，b，d为常数。
4.根据权利要求3所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，导热系数λ＝1.99-1.4×(w/c)+9.67×ω。
5.根据权利要求3或4所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，所述步骤2中，根据步骤1中构建的湿度作用谱，利用公式(3)计算混凝土内部相对湿度：
Figure FDA0002443788330000022
式(3)中，H为混凝土内部相对湿度，H0为内部初始相对湿度，He为环境相对湿度，
Figure FDA0002443788330000023
为误差函数；x1为距离混凝土表面的深度，m；
Figure FDA0002443788330000024
为湿混凝土内的等效扩散系数，τ为时间，h，涉及误差函数
Figure FDA0002443788330000025
的计算采用双曲正切函数近似计算法公式(4)：
Figure FDA0002443788330000026
其中，tanh为双曲正切函数，
Figure FDA0002443788330000027
6.根据权利要求5所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002443788330000028
分为正向等效湿气扩散系数
Figure FDA0002443788330000029
和反向等效湿气扩散系数
Figure FDA00024437883300000210
所述
Figure FDA00024437883300000211
按式(5a)、(5b)计算：
Figure FDA00024437883300000212
Figure FDA00024437883300000213
式(5)中，w/c为混凝土水灰比，为混凝土中拌和水与水泥的用量比；t为步骤2中为经分区段处理的混凝土内部温度，℃，取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值；ΔH0＝|He-H0|，H0为内部初始相对湿度，He为环境相对湿度，％。
7.根据权利要求6所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，步骤3中利用步骤2得到的混凝土温湿度，将混凝土分成不同的温湿度区段，计算各区段的混凝土孔隙水饱和度S，方法如下：
Figure FDA00024437883300000214
式(6)中，S为混凝土中孔隙水饱和度，H为混凝土的相对湿度，λ1、λ2、λ3为系数，其与水灰比和温度有关，λ1、λ2、λ3按式(7a)、(7b)、(7c)计算：
λ1＝(2.9142w/c-2.5849)×10-3t-0.1994w/c+0.1647 (7a)
λ2＝(2.907w/c-1.1446×10-3t+1.5594×10-5t3+4.4465)×10-3 (7b)
λ3＝(2.158w/c-3.2774)×10-3t-0.3272w/c+0.3154 (7c)
式(7a)-(7b)中，w/c为混凝土水灰比，t为步骤2中经分区段处理的混凝土内部温度，按步骤2取对应于不同温湿度区段的t(x,y,z,τ)的值。
8.根据权利要求7所述的一种气候环境影响的混凝土电阻率预测方法，其特征在于，步骤4中根据步骤3所得各区段的孔隙水饱和度S计算电阻率，得到各区段的混凝土电阻率，方法如下：
Figure FDA0002443788330000031
式(8)中，ρc为电阻率；w/c为混凝土水灰比；T为混凝土内部的绝对温度，K；Cl为混凝土总的氯离子含量，即占水泥质量百分比，％。
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