[发明专利]一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备

说明书

本发明公开了一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备，该方法首先选择氯离子的扩散过程作为研究对象，获取不同时刻氯离子浓度随空间变化的试验数据，然后建立变扩散系数分形导数模型，推导分形导数模型解析解，结合试验数据，确定变扩散系数分形导数模型的参数，量化氯离子反常扩散的浓度曲线，预测氯离子浓度的变化规律，指导工程实际应用。本发明预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法中，采用了时间幂律依赖的扩散系数，解析解清晰，计算简便，预测精度高，具有广泛的工程应用背景，可以为混凝土结构的防护和设计提供有效的指导作用。

技术领域

本发明涉及混凝土耐久性检测技术，特别是涉及一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备。

背景技术

混凝土材料以其低廉的造价、较高的抗冲击性、柔韧性和耐火性能成为应用最广泛的建筑材料。因此，对其耐久性和使用寿命的研究已成为热门，在当今的土木工程中，混凝土结构的耐久性并不理想。氯离子主要通过扩散、渗透和毛细管作用侵蚀混凝土表面，一般来说，氯离子侵蚀是多种入侵技术混合作用的结果，例如结合，对流，电迁移效应。然而，在许多情况下，扩散被认为是入侵的主要方式。水泥胶凝材料在混凝土中的不断水化，优化了混凝土的孔隙结构，增加了材料的密实度，降低了内部渗透性，从而降低了氯离子的扩散速率。由于水泥水化过程时间较长，往往一直到结构设计使用寿命结束，氯离子在混凝土中的输运率会随着暴露时间的增加而不断降低，说明氯离子在混凝土中的扩散具有时间依赖性。菲克第二定律使用了恒定的扩散速率，高估了氯离子在混凝土中的扩散影响。

分形导数模型具有简单、准确的特点，分形导数模型也被证明是足够描述良好的试验数据与拓展高斯分布。现有多项发明专利技术也涉及到氯离子在混凝土中的反常扩散中分形导数模型问题，如发明专利CN201710140574.2“一种氯离子在混凝土中反常扩散动态数据重构的分形导数模拟方法”采用数值计算的方法去测算氯离子在混凝土中浓度的变化，该方法未考虑到氯离子扩散系数的时间尺度关联；发明专利CN201711187430.9“氯离子在混凝土中反常扩散的变阶数分形导数模拟方法”同样采用数值计算的方法去测算氯离子在混凝土中的浓度变化，与前者相比，该专利提出了分形变阶数导数的新方法，但未考虑到扩散系数的时间尺度关联。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，采用变扩散系数分形导数模型来预测氯离子在混凝土中分布规律，使扩散作为主要的运输机制。

本发明的另一个目的是提供一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的系统。

技术方案：本发明的一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，包括以下步骤：

S1、选定具体混凝土中氯离子扩散过程作为研究对象，对混凝土块进行浸泡试验，获得在不同浸泡时刻下氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据；

S2、建立变扩散系数分形导数模型，推导该模型的解析解；

变扩散系数分形导数模型为：

其中，u(x,t)为氯离子在位置x和时间t下的浓度，0α≤1为时间分形导数的阶数，D₀t^-m为时间幂律依赖的扩散系数，D₀为扩散系数，m为时间依赖性常数；根据分形导数和偏微分方程的基本性质，附加时间初始条件u(x,t＝0)＝0，空间边界条件u(x＝0,t)＝c₀，连续性条件x→∞时，推导变扩散系数分形导数模型的解析解为：

其中，c₀为混凝土表面初始浓度，erfc为互补误差函数；

S3、结合步骤S1中不同浸泡时刻下氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据，拟合得到步骤S2中变扩散系数分形导数模型的参数，采用模型的解析解量化步骤S1中的试验数据；