[发明专利]一种混凝土冻融劣化后热学参数及演化过程获取方法

说明书

一种混凝土冻融劣化后热学参数及演化过程获取方法，该方法包括以下步骤：步骤1：确定待反演热学参数；步骤2：得到热学参数取值组合正交设计表；步骤3：获得混凝土试件内部温度实测值；步骤4：得到热学参数正交设计表中不同热学参数取值组合下混凝土内部温度计算值；步骤5：组成神经网络学习样本；步骤6：进行神经网络模型训练，获得较为合理的反演冻融劣化前后混凝土热学参数的神经网络模型；步骤7：得到混凝土试件的热学参数；步骤8：得到混凝土热学参数的演化过程。本发明提供的一种混凝土冻融劣化后热学参数及演化过程获取方法，可以解决现有混凝土温度场数值计算中，计算结果难以合理反映冻融条件下混凝土的损伤劣化机制的问题。

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，尤其是一种混凝土冻融劣化后热学参数及演化过程获取方法。

背景技术

水工程是我国国民经济的重要基础设施，在国民经济建设和社会安定中发挥了巨大的作用。然而，由于多种原因，约有1/3的水工程存在不同程度的病险问题；且随着时间的推移，水工程的老化和病害越来越严重。从20世纪80年代开始，水利部门和电力部门组织了对水工程的定期检查，检查发现冻融破坏和温度疲劳是影响长效服役水工程强度、稳定和耐久性的重要因素，严重制约着水工程的服役寿命。全国水工建筑物耐久性调查资料显示，在32座大型混凝土坝工程和40余座中小型工程中，有22％的大坝和21％的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题。其中，大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华北和西北地区，而中小型水工建筑物的冻融破坏问题不仅在“三北”地区存在，而且在气候比较温和、但冬季也有冰冻的华东、华中地区和西南等地区也广泛存在着混凝土冻融破坏问题。

冻融破坏是指混凝土在饱水状态下因冻融和温度交变作用产生的破坏。如上所述，这是我国北方地区和长江流域地区水工程混凝土结构常见的破坏形式之一。在这些地区，冬、夏两季的平均气温相差大，混凝土水工程在服役过程中温度正负交替，混凝土凝固硬化后微孔隙中的游离水将形成膨胀压力以及渗透压力联合作用的疲劳应力，对混凝土的耐久性产生不利影响，日积月累，则会使得混凝土力学和热学性能降低，导致混凝土结构产生冻融破坏。例如，在已经服役的水工程中，混凝土常常裸露在外，表面与空气和水接触，混凝土结构在历经冻融破坏后，其中的微孔隙、微裂纹快速扩展融合，形成较大的孔隙结构，使得混凝土结构变得疏松，比表面积增大，密度大幅度降低，从而导致混凝土力学性能和热学性能劣化。目前从力学角度对混凝土冻融损伤的研究成果较多，而关于混凝土冻融劣化后热学性能的研究方面很少。《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中给出了关于通过室内试验测定混凝土导温系数、导热系数、比热、绝热温升等参数的方法，但这些方法所使用的仪器价格昂贵、专业性强，大部分实验室缺乏这些试验设备。数值模拟方法是一种高效和经济的分析手段，将实测值和数值模拟相结合，可以方便快速获得混凝土热学参数，一定程度上可以替代室内物理试验。目前，关于冻融劣化后混凝土温度场数值计算方面有较多的文献报导。Bishno等通过预埋温度计对不同混凝土进行冻融循环试验，发现通过温度场仿真得到的应变与试验结果吻合较好，从而证明在冻融循环过程中混凝土产生的应变与混凝土内部、外部温度有着十分紧密的联系。郜旭等通过商用有限元软件ANSYS对混凝土在受到压力作用和冻融循环作用下的损伤情况分别进行模拟，并从中得到了温度应力对混凝土造成的损伤情况。赵玮璇通过将试验和模拟相结合的办法，利用预埋热电偶采集混凝土内部的温度与通过ANSYS进行模拟得到的温度进行对比，从而验证所建造的模型的正确性，并提出运用混凝土内部的主拉应力作为混凝土抗拉强度的判断依据。马德群等通过对冻融循环下完全饱水的混凝土温度场与温度应力进行有限元模拟，将模拟温度与实测混凝土温度进行对比，从而验证了所建立的有限元模型在模拟冻融循环下混凝土温度的可行性与准确性。曾述主等对冻融循环下混凝土试件进行温度场仿真计算，提出了混凝土构件任意点温度场峰值的实用计算方法，同时探讨了冻融温度场在混凝土结构中的作用深度。邢凯利用有限元ANSYS软件对冻融循环下混凝土试样进行了数值模拟，并对不同冻融循环次数下混凝土的温度场分布云图以及温度应力分布云图进行了分析，进而验证了数值模拟的可行性。侯志伟等通过ANSYS有限元软件分析了混凝土在温变条件下温度应力分布及其随时间的变化规律，测量在温变疲劳作用下混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度与动弹性模量，并与模拟的温度应力作比较，建立宏观力学性能与温度应力的相关性。综上可见，虽然关于冻融劣化下混凝土温度场数值计算的研究成果较多，但这些研究都是基于混凝土试件在冻融劣化后热学参数不变这一假定上进行的，这导致计算结果难以合理反映冻融条件下混凝土的损伤劣化机制。