氯盐侵蚀钢筋混凝土锈胀开裂监测及预测方法.pdf
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1、第 1 9 卷第 1 期 2 0 1 6年 2月 建筑材料学报 J 0URNAL 0F BUI LDI NG MATERI ALS Vo 1 1 9 。 No 1 Fe b , 20 1 6 文 章 编 号 : i 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 5 9 0 6 毛 江 鸿 氯盐侵蚀钢筋 混凝土锈胀开裂 监测及预 测方法 陈佳芸。 , 崔磊 , 何 勇 , 金伟 良 , 夏晋 , 许 晨 ( 1 浙江大学宁波理工学 院 土木工程研究所 ,浙江 宁波 3 1 5 1 0 0 ; 2 浙江大学 结构工程研究所 ,浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ) 摘 要 :
2、采 用分 布 式光 纤传 感技 术( B OT DA) 和 时 间序 列分 析相 结合 的方 法 , 对钢 筋混凝 土锈 胀 开 裂 程度进行监测和预 测, 并通过通电加速锈蚀试验对该方法进行有效性验证 结果表 明: 分布式光纤 传 感技 术 可稳 定 、 准确地 获取 混 凝 土 的锈 胀 信 息 , 同时 结合 时 间序 列 分 析 方 法 可有 效 预 测 混 凝 土 锈 裂 时间和 位 置 关 键词 :钢筋 混凝 土 ;锈蚀 ;光 纤传 感 ;时间序 列 ;预 测 中图分 类号 : TN 2 9 ; TU3 1 7 文献 标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i
3、 s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 1 0 M o n i t o r i ng a n d Pr e d i c t i ng M e t h o d f o r Re i n f o r c e d Co nc r e t e Ex pa ns i o n a n d Cr a c ki n g I n du c e d b y Chl o r i de Er o s i o n MAO J i a n g h o n g ,CHEN J i a y u n ,C UI Le i ,HE Y o n g。 , ,I N We i l i a n g
4、 ,XI A Ji n 。 ,XU C h e n ( 1 I n s t i t u t e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,Ni n g b o I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ,Zh e j i a n g Un i v e r s i t y,Ni n g b o 3 1 5 1 0 0,Ch i n a ; 2 I n s t i t u t e o f St r u c t u r a l En g i n e e r i n g,Z h e j i a n g Un i v e r s i
5、 t y,Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t : Ba s e d o n d i s t r i bu t e d o p t i c a 1 f i be r s e ns i ng t e c h no l o g y a nd t i m e s e r i e s a na l y s i s, a m e t ho d f o r p r e d i c t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e e x p a n s i o n a n d c r a c k i
6、 n g wa s p r o p o s e d Th e a v a i l a b i l i t y o f t h i s me t h o d wa s a p p r o v e d b y e l e c t r i c a l a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n e x p e r i me n t Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i s t r i b u t e d o p t i c a l f i b e r s e n s i n g t e c h n o l o g
7、 y c o u l d a c q u i r e t h e c o n c r e t e e x p a n s i o n a n d c r a c k i n g i n f o r ma t i o n s t e a d i l y a n d e f f e c t i v e l y Mo r e o v e r ,t h e e x a c t c r a c k i n g mo me n t a n d p o s i t i o n c o u l d a l s o b e p r e d i c t e d p r e c i s e l y b y u s
8、i n g t i me s e r i e s a n a l y s i s Ke y wo r ds :r e i nf o r c e d c o nc r e t e;c o r r os i o n;o pt i c a l f i b e r s e ns o r;t i m e s e r i e s;pr e di c t i o n 钢筋混凝 土是 目前应用最广泛 的建筑材料, 然 而随着服役年限的增加 , 其 耐久性不足 的问题 日益 突出 1 影 响钢筋混凝土耐久性不足的因素较多 , 其 中由氯盐引起 的钢筋锈蚀为混凝土保护层开裂 的主 要原 因 2 混凝土保护层一旦开
9、裂 , 将会加速钢筋锈 蚀 , 因此研究钢筋锈蚀 引起 的混凝土保护层开裂行 为具有重要工程意义 目前 , 钢筋混凝土保护层锈胀 开裂研究主要集 中在锈胀机理 、 力学模型及预测方 法等方面 B a z a n t 通 过钢筋锈蚀 的电化学理论建 立 了保护层锈胀开裂时间的物理模型 ; L i u等lL 4 认 为锈蚀产物 的生成量与锈蚀 时间的平方 根成正 比, 并建立了计算公式 ; 赵羽习等 5 依据锈 胀开裂三阶 段理论 , 建立 了保护层胀裂 时的钢筋锈蚀深度计算 模型 ; Al o n s o等_ 6 进行 了加速锈蚀试 验, 对影 响保 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 8 2
10、2 ;修订 日期 : 2 0 1 4 0 9 2 2 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 4 0 8 5 4 4 , 5 1 2 0 8 4 5 9 ) ; 浙江省 自然科学基金 资助项 目( L Q1 4 E O 8 O 0 0 7 ) ; 宁波市 自然科学基 金资助 项 目( 2 0 1 3 A6 1 0 1 9 1 ) ; 宁波市科技创新团队项 目( 2 0 1 1 B 8 1 0 0 5 ) ; 宁波市科技服务业示范项 目( 2 0 1 4 F 1 0 0 1 6 ) 第一作者 : 毛江鸿( 1 9 8 5 一) , 男 , 浙江义鸟人 , 浙江大学宁波理工学院讲师
11、, 博士 E - ma i l : j h ma o n i t z j u e d u a l l 通信作者 : 崔磊( 1 9 8 2 一 ) , 男 , 安微砀山人 , 浙江大学宁波理工学院讲师 , 博士 E ma i l : l c u i z j u e d u a n 6 O 建筑材料学报 第 1 9 卷 护层 锈胀开裂 的多种 因素进行了探讨 上述理论模 型中混凝土力学性能、 锈蚀产物物理特性 、 保护层厚 度和环境温湿度等均会影响预测模型精度 因此 , 对 锈胀过程关键参数进行直接监测并利用数据进行预 测 , 可 有效 避免 理 论 预 测模 型 中 因参 数 不 确 定 所
12、引 起 的精度不足问题 目前 , 国内外已有较多学者开展了钢筋锈蚀检 监测技术的研究工作 7 , 这些工作所 涉及 的传感 技术可检测到钢筋是否锈蚀 , 但难 以获取钢筋锈蚀 后混凝土保护层锈胀开裂程度等信息 传统 的电阻 应变片和振弦式应变计 由于其体积大 、 易受 电磁干 扰以及耐腐蚀性差 , 难 以满足钢筋混凝土耐久性长 期监测要求 光纤类传感器具备材质稳定、 轻质和可 植人等优点 , 能够满足钢筋混凝土的锈蚀监测 本文采用分布式光纤传感技术 ( B O TD A) 开展 了钢筋 混凝 土 锈 胀 开裂 全 过 程 监 测试 验 , 将 所测 得 的光纤应变视为时间序列样本数据 , 通过
13、优化 比选 择 AR I MA( 1 , 1 , 1 ) 时间序列模型进行锈胀开裂程 度预测 , 解决 了 目前难以获取钢筋锈蚀后混凝土保 护层锈胀开裂程度等信息的难题 1 基于光纤监测数据的锈胀开裂预 测 方法 1 1 基 于 B O T D A的 混凝土 锈胀 开裂 监 测技术 钢筋锈蚀过程 中锈蚀产物不断填充钢筋和混凝 土界 面 , 相 当于给 带孔 混凝 土施 加一 定 的 内压 力 , 从 而引起混凝土锈胀开裂 本文基于弹性力学 , 将锈胀 力等效为均匀径 向内压 , 将锈胀作用下的混凝土试 件简化为均匀 内压作用下的厚 壁圆筒 , 按平 面应变 问题 求解 混凝 土 的环 向应 变
14、 本 文 仅 从 材料 角度 出 发预测钢筋混凝土锈胀开裂 , 不考虑构件受 力状态 对混凝土应变的影 响, 简化后 的钢筋混凝土锈胀开 裂力学模型如图 1 所示 图 1中 d为 钢筋 混凝 土 试 件 的初 始直 径 , d 为 图 1 混凝土锈胀开裂力 学模 型 Fi g 1 M e c h a n i c a l mo d e l o f c o n c r e t e e x p a n s i o n a n d c r a c k i n g 钢筋混凝土试件锈胀后的直径 , P为钢筋锈蚀所引 起的混凝土 内压 弹性力学 中带孔圆环在受均匀 内 压作用下的力学方程 如下 : 一 +
15、一 l 十 J 7 c = 7 c ( 1+ e ) ( 2 ) = d - d d e 一 (箬 + ( 3) 式 中 : 为 圆环 的环 向应 力 ; a, b分 别 为 圆 环 内径 和 外径 ; r为待分析点至圆环 的中心距离 ; 为待分析 点 的环 向应 变 ; E 为混凝 土 弹性模 量 由式( 3 ) 可知 , 钢筋锈蚀引起 的混凝土膨胀量 ( d) 和混凝 土应变 ( e ) 之间存在 线性关 系, 因此可 通过检测环向应变来获取混凝土的锈胀状态 将分布式传感光纤按照一定直径围绕钢筋, 监 测钢筋锈蚀 引起 的混凝土膨胀 由于光纤 的布里渊 散射频移量 与光纤沿线应变量 、 温
16、度变化量存在 线 性关 系 , 因此 采 用 B OT DA 测 量 光纤 的 布里 渊 频 移量, 以获取混凝土的应变和温度信息 光纤布里渊 频移 量 与 光 纤 应 变 量、温 度 变 化 量 之 间 的 关 系 ” 为 : ( e, T)一 ( T T。 )一 ( 0 )+ ( 4 ) 式 中 : ( 0 ) 为光 纤 在 初 始应 变 、 初 始 温度 T。时 的 布里渊频移量 ; ( e , T) 为光纤在特定应 变 e和温 度 丁时的布里渊频移量 ; d v d T为温度比例系数 ; d v d e为应变 比例 系数 1 2基 于 时间序 列 的混凝 土锈 胀开 裂预 测方 法 时
17、 间序列 是指 变量按 照 时 间间隔顺 序而 形 成 的 随机变量序列E 1 4 单变量时间序列分析是一种有效 的短 期 预测方 法 , 它 不 是 以变 量 间“ 因果 ” 关 系 为 基 础 , 而是建立时间序列 自身的变化规律 , 即用 时间序 列的过去行为来预测该序列未来的变化 目前 , 时间 序 列主 要包 括 自回归 模 型 ( AR模 型 ) 、 移 动 平 均 模 型 ( MA模 型) 以及 自回归 滑动 平均 模 型 ( AR MA 模 型) 各 模型 表达 式如 下 : AR( p ) 模型 9 2 :9 I 1 z H + 2 z + + 6 p z p+ ( 5 )
18、MA( q ) 模 型 z =e + l H + 0 2 + + 0 q e ( 6 ) AR MA( p, g ) 模 型 一 j 5 o + 9 5 - z 一 十 + z 一 p+ e + 0 1 H + + 0 q e ( 7 ) 式中: z ) 表示时间序列 ; e ) 表示 白噪声序列 ; , , 建筑材料学报 第 1 9 卷 0 2 4 h , 应变 曲线斜率较小 , 增长缓慢 , 该阶段混凝 土处于弹性膨胀阶段 ; 通电 2 4 4 0 h , 应变曲线斜率 明显增加 , 混凝土应变增长显著 , 该阶段试件拉应变 达到混凝土极限拉应变 , 出现锈胀 裂缝 ; 通 电 4 0 h
19、 以后 , 曲线 逐 渐趋 于缓 和 , 该 阶段锈 蚀产 物 开始 从裂 缝中渗透出来 , 此时锈胀产 生的混凝土应变较裂缝 形成 初期 小 钢 筋 混 凝 土锈 胀 开裂 预 警 主 要 用 于 预 测钢筋混凝土保护层锈胀开裂 , 因此本文后续分析 中以 O 4 O h监测数据为研究对象 3 基 于光 纤 监 测 数 据 的混 凝 土锈 胀 预 测 选用 A3光纤监测数据进行钢筋混凝土锈胀开 裂 预测 分析 , 基 本 步 骤包 括 : ( 1 ) 时 间序 列 平 稳 性 识 别 ; ( 2 ) 非平稳时间序列的平稳化处理 ; ( 3 ) 比选时间 序列模型 ; ( 4 ) 所选 模 型
20、的参数 估计 和假 设检 验 ; ( 5 ) 采用时间序列模型进行预测分析 3 1 时 间序 列模 型 比选 采用 的样 本 数据 为前 2 0 h的监 测 数 据 , 预 测过 程采 用 软件 S TAT A l 1 0 1 辅 助 完成 , 主要 开 展 以 下步 骤 : ( 1 ) 数据 平 稳化 处 理 由 图 3 ( b ) 可 知 , 前 2 0 h 的 A3监 测 环应 变有 明显 的 指 数 趋 势 , 因 此是 非平 稳时间序列 , 通过取对数和一 阶差分运算进行平稳 化处理 对平稳化后 的数据进行 D i c k e y F u l l e r 单位 根检验( D F检验)
21、 , 采用 统计量指标进行判断 , 其 结果 如 表 1所示 表 1 平稳化序 列的 D F检验结果 T a b l e 1 D F t e s t r e s u l t s f o r s t a t i o n a r y s e r i e s( t s t a t i s t i c ) Cr i t i c a l v a l u e a t d i f f e r e n t c o n f i d e n c e i n t e r v a 1 1 5 1 0 由表 1 可知 , 实际序列 t 统计量小于各 置信 区 间下 的 t 统 计 量 , 因此 认 为 一 阶差 分 处
22、 理 后 的数 据 为平 稳 序列 , 即 d一1 ( 2 ) 时间序列模 型阶数确定 根据时间序列的 识别 规 则 1 , 采用 自相 关 图 ( AC F 图) 、 偏 自相 关 图 ( P AC F图) 、 赤池信息量准则 ( AI C准则) 以及贝叶 斯准则( B I C准则) 相结合的方式来确定 自相关 阶数 P和移动平均阶数 q, 结果如图 4 , 5所示 根 据一 阶差 分 后 的 AC F图 、 P AC F图可 以初 步 确定模型形式 , 判断依据可参考文献E 1 4 3 由图 4可 知 , 滞后 阶数 忌一1时, 自相关 系数在 5 水平下显 著不为 0 ( 落在 9 5
23、置信区间之外 ) , 可认为一 阶以 0 1 2 3 4 5 6 7 七 图 4 AC F 图 F i g 4 Au t o c o r r e 1 a t i o n p l o t O 1 2 3 4 5 6 7 k 图 5 PACF图 Fi g 5 Pa r t i a l a ut o c o r r e l a t i on pl ot 上 的自相关系数为 0 , 即 自回归系数截尾 , 可取 q 一 1 由图 5 可知 : 滞后 阶数 k= = = 1时, 偏 自回归系数迅 速 减小 ; 滞后 阶数 k一2 时 , 偏 自相 关 系 数为 0 , 可取 P一1或 者 2 模 型初
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- 侵蚀 钢筋混凝土 开裂 监测 预测 方法
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