CN107111793B - 用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统和其对应的方法 - Google Patents

用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统和其对应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供：用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统和其对应的方法，所述系统能够通过对从火灾受损混凝土结构获得的样品进行化学分析来获得样品数据，比较所获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的数据以便快速预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命，以及精确和科学地评估火灾受损混凝土结构的火灾损坏程度以便进行火灾受损混凝土结构的适合的修复和加固。

Description

用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统和其对 应的方法
技术领域
本发明涉及预测火灾破坏的混凝土结构的残余使用寿命，并且更具体地说，涉及用于从火灾破坏的混凝土结构收集极小量的样品并且对其进行化学分析以预测所述火灾破坏的混凝土结构的残余使用寿命，以及通过用预先储存在经由实验建立的标准化数据库(DB)中的数据进行样品数据的比较性分析来预测火灾破坏的混凝土结构的残余使用寿命的系统和方法。
背景技术
通常，当混凝土结构长时间暴露于高温(如在火等中)时，因为硬化水泥体和聚集体显示不同的膨胀和收缩特性，发生开裂或结构变薄，并且物理性质和防火性明显降级。此时，发生孔结构变化和化学变化，并且由末端部分的限制等产生的热应力可引起开裂，其引起混凝土劣化和剥落。
具体地说，除游离水(Free water)以外，硬化水泥体具有大量的化学结合水(Chemically-bonded water)，并且当硬化体暴露于100℃或高于100℃时，其毛细孔中存在的游离水蒸发，并且发生1,300倍或大于1,300倍的体积膨胀。并且，浆料的内部结构变松散，其引起孔隙体积增加和发生开裂。
并且，当加热温度进一步上升到约180℃时，一部分化学结合水开始从硬化水泥体蒸发。硅酸钙水合产物(其是硬化水泥体的坚固性的核心水合物)的约20％水含量在约250℃到约350℃的范围内损失，并且大部分水含量在约400℃到700℃的范围内损失。在类似温度范围内，氢氧化钙(Ca(OH)2)，其是混凝土中的游离碱金属组分，也热解成氧化钙和水并且以化学方式受损。并且，因为略微大型孔的数目增加并且硬度损失，硬化水泥体变得在结构上极危险。接着，当混凝土在约1200℃或高于1200℃下长时间加热时，混凝土从结构表面熔融。
图1是举例说明在火灾期间混凝土结构的抗压强度随温度增加而降低的图。
如图1中所示，混凝土结构的混凝土中的水泥水合物随加热温度的增加而经历化学变化，并且水泥浆料和聚集物在高达约600℃的温度下分别显示相反的特性，即收缩和膨胀。此外，作为混凝土毛细孔中存在的游离水等的扩增的结果，内应力逐渐增加，并且内部结构受损。因此，机械特性(如坚固性、弹性等)降级。根据质量特征对混凝土的机械特性具有影响，这主要是由水泥浆料与聚集物之间的热膨胀系数差引起的内部破坏。
在本文中，降级程度根据所使用材料的类型、比例、材料老化等而变化并且呈现图1中显示的趋势。换句话说，坚固性在高达300℃下几乎不降级，但在超过500℃时变成50％或低于50％。并且，在约700℃下，坚固性可降级到室温抗压强度的约60％到80％范围内。因此，可发现当混凝土被火加热到高温时，混凝土的抗压强度显著降级。并且，可发现弹性模数由于热量而降低并且在500℃下几乎减半。这是因为当混凝土被加热到高温时，混凝土失去弹性并且逐渐变得塑性。
同时，当发生火灾时，这类混凝土结构的效能由于其微观结构变化而降级。微观结构中的这类变化可使用使氮在氮的沸点(-195.8℃)下吸附到混凝土结构上以测量其孔结构的气体吸附方法，由孔分布或孔结构特征鉴别。
为了基于这类混凝土结构中的灭火机理来测定是否再使用火灾受损混凝土结构和其损坏程度，必须精确诊断混凝土结构的性能降级。
然而，至今，尚无专家或技术可逻辑上说明已发生火灾的混凝土结构的火灾损坏程度。换句话说，因为迄今为止尚无用于诊断火灾受损混凝土结构的技术，因此无法进行适合的评估。因此，必须研发用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的评估工具。
发明内容
技术难题
为了解决上述问题，本发明涉及提供用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统和方法，其能够通过对火灾受损混凝土结构的样品进行化学分析来获得样品数据，并且通过比较所获得的样品数据与预先储存在标准化数据库(DB)中的数据来快速预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命。
本发明涉及提供用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统和方法，其能够精确和科学地评估火灾受损混凝土结构的火灾损坏程度，使得可适当地维修和加固火灾受损混凝土结构。
技术解决方案
本发明的一个方面提供用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统，所述系统包含：从火灾受损混凝土结构收集并且加工成用于化学分析的样本的火灾受损混凝土结构样品；混凝土结构残余使用寿命预测单元，其经配置以通过对加工成所述用于化学分析的样本的所述火灾受损混凝土结构样品进行化学分析来获得样品数据，通过比较样品数据与预先储存在标准化数据库(DB)中的数据来诊断火灾受损混凝土结构的火灾损坏，并且评估火灾受损混凝土结构的残余使用寿命；以及通过储存待与由所述混凝土结构残余使用寿命预测单元进行的所述化学分析的样品数据相比的通过实验预先获得的数据而建立的标准化数据库，其中所述标准化数据库标准化和储存通过使用火灾受损混凝土结构诊断装置进行精确实验而获得的实验数据。
本文中，对于x射线衍射(XRD)分析、布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller；BET)分析以及加速碳酸化(Carbonation)分析测试，火灾受损混凝土结构诊断装置可通过每当所述火灾受损混凝土结构样品的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立标准化数据库。
本文中，可通过使用移动式岩心钻在混凝土结构中钻孔达到目标点，精确加工并且接着使用玛瑙研钵细磨以加工成用于化学分析的样本来收集火灾受损混凝土结构样品。
本文中，混凝土结构残余使用寿命预测单元可包含：化学分析单元，其经配置以通过对加工成用于化学分析的样本的火灾受损混凝土结构样品进行化学分析来获得样品数据；数据分析单元，其经配置以通过比较由化学分析单元获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的数据来分别预测火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度；以及火灾损坏诊断和残余使用寿命评估单元，其经配置以根据由数据分析单元分析的火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度来诊断火灾受损混凝土结构样品的火灾损坏并且评估火灾受损混凝土结构样品的残余使用寿命。
本文中，数据分析单元可包含：火灾损坏温度预测单元，其经配置以通过比较由化学分析单元获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的损坏温度数据来预测火灾损坏温度；孔结构预测单元，其经配置以通过比较由化学分析单元获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的温度特定孔结构数据来预测温度特定孔结构；以及碳酸化深度预测单元，其经配置以通过比较由化学分析单元获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的孔结构特定碳酸化深度数据来预测碳酸化深度。
本文中，标准化数据库可包含：损坏温度数据库，其经配置以储存与火灾损坏温度一致并且通过火灾受损混凝土结构的X射线衍射分析获得的实时化学性质变化数据；温度特定孔结构数据库，其经配置以储存与火灾损坏温度一致并且通过火灾受损混凝土结构的布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller；BET)分析获得的孔结构特征变化数据；以及孔结构特定碳酸化深度数据库，其经配置以储存与孔结构变化一致并且通过火灾受损混凝土结构的碳酸化分析获得的碳酸化深度数据。
本发明的另一个方面提供用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法，所述方法包含：(a)从火灾受损混凝土结构收集样品并且精确切割样品；(b)对精确切割样品进行化学分析；(c)比较由进行化学分析获得的样品数据与储存在预先建立的标准化数据库中的数据；(d)对应于来自标准化数据库的样品数据分别预测火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度；以及(e)根据火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度来诊断火灾受损混凝土结构的火灾损坏和评估其残余使用寿命，其中标准化数据库标准化和储存通过使用火灾受损混凝土结构诊断装置进行精确实验而获得的实验数据。
有利作用
根据本发明，可通过对火灾受损混凝土结构的样品进行化学分析来获得样品数据，并且通过比较所获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的数据来快速预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命。
根据本发明，可精确和科学地评估火灾受损混凝土结构的火灾损坏程度，使得可适当地维修和加固火灾受损混凝土结构。因此，预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命，并且考虑适合的维修和加固时间来管理混凝土结构，使得可改良混凝土结构的性能。
附图说明
图1是举例说明在火灾期间混凝土结构的抗压强度随温度增加而降低的图。
图2是显示根据本发明的例示性实施例的用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统的配置的图。
图3是举例说明根据本发明的例示性实施例的通过用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统建立的标准化数据库的图。
图4是举例说明根据本发明的例示性实施例的用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统中的用于化学分析的x射线衍射分析装置的图。
图5a到图5c是举例说明混凝土结构的X射线衍射分析结果的图。
图6a是显示根据加热温度的孔径的孔分布的图，并且图6b是显示根据加热温度的细孔比的图。
图7a到图7e是说明由碳酸化引起的混凝土性能降级的步骤图。
图8a是显示碳酸化深度和覆盖厚度的机率分布的图，并且图8b是显示极限状态功能的机率分布的图。
图9是举例说明极限状态中混凝土结构的残余使用寿命的图。
图10是说明根据本发明的例示性实施例的预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法的操作流程图。
图11是说明根据本发明的例示性实施例的预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法的详细操作流程图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的例示性实施例，使得本发明所属领域的一般技术人员可实施本发明。然而，本发明可以多种不同形式实施并且不限于本文中所描述的实施例。为了清楚地描述本发明，附图中将省略与说明无关的部分，并且在本说明书中类似部分由类似参考数字指示。
在整个本说明书中，当某一部分“包含”某一组分时，除非另有具体说明，否则所述说明意指可进一步包含另一组分并且不排除另一组分。此外，本说明书中使用的如“单元”等术语是指用于处理至少一种功能或操作并且可由硬件、软件或其组合实施的单元。
[用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统]
图2是显示根据本发明的例示性实施例的用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统的配置的图，并且图3是举例说明根据本发明的例示性实施例由用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统建立的标准化数据库的图。
参考图2和图3，根据本发明的例示性实施例的用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统通常包含火灾受损混凝土结构样品100、混凝土结构残余使用寿命预测单元200、标准化数据库300以及火灾受损混凝土结构诊断装置400，并且混凝土结构残余使用寿命预测单元200包含化学分析单元210、数据分析单元220以及火灾损坏诊断和残余使用寿命评估单元230。
通过例如使用移动式岩心钻在混凝土结构中钻孔达到目标点并且精确加工来从火灾受损混凝土结构收集火灾受损混凝土结构样品100。本文中，样品100可具有多种尺寸，并且优选尺寸是10毫米直径×40毫米长度。并且，使用激光切割机等精确切割所收集的火灾受损混凝土结构样品100。举例来说，可将所收集的火灾受损混凝土结构样品100切割成多种尺寸，并且可通过每次剪切火灾受损混凝土结构达10毫米来根据深度制备总共四种样品。四种火灾受损混凝土结构样品100中的每一个使用玛瑙研钵等细磨以加工成用于化学分析的样本。本文中，玛瑙研钵指由玛瑙制成并且在实验室中用于使固体矿物质样本破碎的手工研磨机。
混凝土结构残余使用寿命预测单元200通过对已加工成用于化学分析的样本的火灾受损混凝土结构样品100进行化学分析来获得样品数据，并且通过比较所获得的样品数据与预先储存在标准化数据库300中的数据来分别预测火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度，以便诊断火灾受损混凝土结构样品100的火灾损坏和评估其残余使用寿命。
具体地说，混凝土结构残余使用寿命预测单元200的化学分析单元210对已加工成用于化学分析的样本的火灾受损混凝土结构样品100进行化学分析并且获得样品数据。
混凝土结构残余使用寿命预测单元200的数据分析单元220比较由化学分析单元210获得的样品数据与预先储存在标准化数据库300中的数据以分别预测火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度。
本文中，数据分析单元220可包含火灾损坏温度预测单元221、孔结构预测单元222以及碳酸化深度预测单元223。具体地说，数据分析单元220的火灾损坏温度预测单元221比较由化学分析单元210获得的样品数据与预先储存在标准化数据库300的损坏温度数据库310中的数据并且预测火灾损坏温度。数据分析单元220的孔结构预测单元222比较样品数据与预先储存在标准化数据库300的温度特定孔结构数据库320中的数据并且预测温度特定孔结构。数据分析单元220的碳酸化深度预测单元223比较样品数据与预先储存在标准化数据库300的孔结构特定碳酸化深度数据库330中的数据并且预测碳酸化深度。
混凝土结构残余使用寿命预测单元200的火灾损坏诊断和残余使用寿命评估单元230诊断火灾受损混凝土结构样品100的火灾损坏并且根据由数据分析单元220分析的火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度来评估残余使用寿命。
标准化数据库(Standardized Database)300标准化和储存通过使用火灾受损混凝土结构诊断装置400进行的精确实验而获得的实验数据，并且所述实验数据用作由化学分析单元210获得的样品数据的比较数据。这类数据比较方法与例如在分析未知元素时使用现有数据查找元素名称的方法类似。根据本发明的例示性实施例的标准化数据库300包含损坏温度数据库310、温度特定孔结构数据库320以及孔结构特定碳酸化深度数据库330。
标准化数据库300的损坏温度数据库310储存通过火灾受损混凝土结构的如x射线衍射(XRD)分析等的化学分析获得的与火灾损坏温度一致的实时化学性质变化数据。
标准化数据库300的温度特定孔结构数据库320储存通过火灾受损混凝土结构的孔隙体积分析装置(如布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析等)获得的与火灾损坏温度一致的孔结构特征变化数据。
标准化数据库300的孔结构特定碳酸化深度数据库330储存通过火灾受损混凝土结构的加速碳酸化分析获得的与孔结构变化一致的碳酸化深度数据。
对于X射线衍射分析、布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller；BET)分析以及加速碳酸化(Carbonation)分析，火灾受损混凝土结构诊断装置400可通过每当混凝土结构样本的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立标准化数据库300。此时，作为X射线衍射分析、布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析以及加速碳酸化(Carbonation)分析的共同测试条件，将样本从20℃加热到1000℃，并且分析和储存结果。本文中，用于分析化学性质变化、孔结构特征变化以及碳酸化深度变化的x射线衍射装置、布鲁诺尔-艾米特-泰勒装置以及加速碳酸化(Carbonation)测试装置是分析设备的任意实例，并且可通过其它设备进行分析。举例来说，可通过电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma)分析化学性质变化，并且可通过孔率(Porosimetry)测定法分析孔结构特征。
同时，如图3中所示，火灾受损混凝土结构诊断装置400可进行X射线衍射分析、布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析以及加速碳酸化(Carbonation)分析并且将由其获得的数据储存在标准化数据库300中，并且标准化数据库300可共同提供到多个终端，使用所述终端通过网络(Web)、数字卡(digital card)等建立根据本发明的例示性实施例的用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统。
举例来说，韩国预拌混凝土(ready-mixed concrete)制造商根据混合条件生产不同类型的混凝土并且将所生产的混凝土运送到各个地点。可通过分析如上文所描述的韩国常用的所有类型的混合条件特定预拌混凝土来建立标准化数据库300，并且可通过标准化数据库300提供用于预测大部分火灾受损韩国建筑物结构的残余寿命的信息。换句话说，第一个混凝土混合物残余使用寿命预测单元200a可预测关于第一混凝土混合物样品100a的火灾受损混凝土结构的残余使用寿命，第二个混凝土混合物残余使用寿命预测单元200b可预测关于第二混凝土混合物样品100b的火灾受损混凝土结构的残余使用寿命，并且第N个混凝土混合物残余使用寿命预测单元200n可预测关于第N个混凝土混合物样品100n的火灾受损混凝土结构的残余使用寿命。
同时，图4是举例说明根据本发明的例示性实施例的用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统中用于化学分析的X射线衍射分析装置的图，并且图5a到图5c是举例说明混凝土结构的X射线衍射分析结果的图。
根据本发明的例示性实施例预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统使用如图4中所示的X射线衍射分析(x-ray diffraction：XRD)装置对火灾受损混凝土结构进行化学分析。
具体地说，X射线衍射分析是朝向混凝土结构样品的表面发射x射线并且接着通过分析所反射的x射线的折射角来定性和定量鉴别样本的化学成分的方法，并且在所述方法中，将混凝土结构样品研磨成细粉末并且进行化学分析以鉴别代表粉末状样品的化学成分的化学元素标志。以这类X射线衍射分析为基础的反应产物分析是用于在不进行化学分析情况下容易地鉴别组成所有材料的矿石的反应产物的分析方法并且被进行以评估混凝土结构的物理性质和测定混凝土结构的物理性质异常的原因。
图5a是说明水合产物和反应产物的主峰指示物的图，并且图5b和图5c显示混凝土结构的参考样本的X射线衍射分析结果。本文中，混凝土水合作用涉及氧化钙与水反应以形成氢氧化钙，并且硅酸钙水合物(Calcium Silicate Hydrate,CSH)凝胶、氢氧化钙(Calcium Hydroxide,CH)以及硅酸钙(Calcium Silicate,CS)是水泥的主要组分。因此，混凝土的X射线衍射分析使得有可能定量评估由高温引起的混凝土中水泥水合物的变化以及评估火灾温度和温度持续时间。
具体地说，图5b和图5c中显示将未受火灾损坏的钢筋混凝土结构的样本(其是参考样本)在电炉中加热到100℃到1,000℃的范围的结果。
根据分析结果，Ca(OH)2在最高400℃下存在。然而，在600℃或高于600℃下，大部分CH组分消失，同时出现CaO组分并且其含量随温度升高而增加。这是因为随着在火灾期间混凝土温度升高，氢氧化钙分解并且方解石(CaCO3)分解成CaO。
一个样本的表面部分达到800℃时，Ca(OH)2(其是水泥水合产物)和CaCO3(其是方解石)完全分解并且其峰消失，但明显形成CaO的峰。可发现，Ca(OH)2完全分解但CaCO3(其是方解石)在分析中始终存在。另一方面，在样本内部，Ca(OH)2评估为在400℃下完全不分解。
因此，对于X射线衍射分析测试，上述火灾受损混凝土结构诊断装置400通过每当混凝土结构样本的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立标准化数据库300的损坏温度数据库310。根据本发明的例示性实施例，将所制造的样本研磨成细粉末并且接着经历X射线衍射分析。以这种方式，定性分析混凝土的反应产物，并且定量分析多少水泥水合物由于高温发生变化和变成何种材料，使得可发现混凝土如何根据火灾的温度反应和产生哪些类别的产物。
同时，根据布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller；BET)分析，将混凝土结构样品插入样品管中，并且接着向样品管中注射氮气使得氮气吸附到样本上并且由其解吸附，并且可以这种方式测量孔径分布。使用这类布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析测量具有相对较小半径的孔。
具体地说，通常使用由布鲁诺尔、艾米特以及泰勒研发的布鲁诺尔-艾米特-泰勒(BET)分析方法测量多孔吸附物的表面区域。这类布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析方法是使用吸附等温线鉴别单层吸附点并且从单层吸附点获得样品的表面区域的测量方法。通过使用三个假设将朗格缪尔单层吸附理论(Langmuir's monolayer adsorption theory)扩展成多层吸附理论，这类布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析方法提供为以下方程式1，即(a)表面能是均匀的，(b)所吸附的分子之间不存在相互作用以及(c)两个或超过两个层的所有吸附温度是相同的。
[方程式1]
Figure GDA0002675779660000101
本文中，ν表示在平衡压力下的吸附量，νm表示单层吸附量，P表示吸附平衡压力，P0表示饱和蒸气压，并且P/P0表示相对压力，并且本文中C提供为C：
Figure GDA0002675779660000102
因此，当已知来自固体表面的单层吸附量νm时，可使用分子占据截面面积吸附(氮的面积是0.162平方纳米)计算比表面积S，如以下方程式2中所示。
[方程式2]
S(m2/g)＝4.35vm(cm3/g)
这类用于测量混凝土结构的孔结构的氮气吸附是基于以下原理：因为在气体吸附到固体表面上时相对压力P/P0增加到最高饱和蒸气压P0，单层进一步形成多层，并且孔中发生毛细管缩合以及吸附。
具体地说，在进行这类气体吸附测量之前，用加热袋覆盖插入有混凝土结构样本的单元(cell)并且经历真空抽吸以用于预处理，将液氮插入杜瓦瓶(dewar)中，并且将少量吸附气体分阶段引入样本单元(cell)中。此时，当填充有液氮的杜瓦瓶置放于样本单元(cell)上以冷却所述单元时，所引入的氮气以物理方式吸附。因此，由这类氮气吸附测量测定的孔结构的性质值可指示比表面积(S)、孔结构以及孔分布。
接着，下文将详细描述混凝土结构样本中与加热温度一致的孔结构变化。
图6a是显示与加热温度一致的孔径的孔分布的图，并且显示与使用前述氮气吸附的混凝土结构的暴露温度条件一致的具有约0.001微米到约0.1微米的尺寸的孔的分布。本文中，随着每个样本的加热温度升高，0.01微米或小于0.01微米的细孔的孔隙体积减小，同时0.01微米或大于0.01微米的孔的孔隙体积增加。
当温度升高到高达200℃时，混凝土中的游离水、凝胶水以及毛细管水蒸发使得混凝土收缩，并且浆料的内部结构变松散使得细孔的孔隙体积(约0.01微米或小于0.01微米)增加。然而，在约300℃下，水合物的一部分C-S-H层间水和以化学方式结合的水消失。并且，在400℃到700℃范围内，因为氢氧化钙(Ca(OH)2)分解，脱水体积由于温度升高而增加，并且细孔的直径(约0.01微米或小于0.01微米)增加使得细孔的孔隙体积(约0.01微米或小于0.01微米)减小。
因此，整体趋势表明，在通过氮气吸附测量的孔径(约0.001微米到约0.1微米)范围内，孔隙体积随加热温度升高而减小。
图6b是显示与水/水泥(W/C)变化和加热温度条件一致的细孔比的图，并且显示可通过氮气吸附测量的0.1微米或小于0.1微米的细孔的孔隙体积。如图6b中所示，0.1微米或小于0.1微米的孔是极细孔，并且因此对混凝土的整体孔隙体积不具有显著影响。然而，判断甚至当0.1微米或小于0.1微米的细孔减少时，0.1微米或大于0.1微米的大型孔增加，并且因此混凝土的整体孔隙体积随加热温度升高而增加。因此，孔隙体积的这类变化是由加热温度升高以及毛细管数目、凝胶数目等的脱水引起的细孔破坏和氢氧化钙分解引起。
因此，根据本发明的例示性实施例，有可能发现加热温度，即与火灾损坏温度一致的孔径分布，并且对于布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析测试，上述火灾受损混凝土结构诊断装置400可通过每当混凝土结构样本的加热温度增加50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立标准化数据库300的温度特定孔结构数据库320。
同时，加速碳酸化(Carbonation)分析是包括以下步骤的方法：将样品插入腔室，将高度浓缩的二氧化碳引入腔室以促进反应，并且接着通过切割样品来测量所引入的二氧化碳与样品中存在的氢氧化钙之间的反应深度。使用这类测量值，有可能测定二氧化碳的渗透深度和预测混凝土的耐久寿命，即火灾受损混凝土结构的残余使用寿命。
具体地说，混凝土碳酸化描述如下。水泥(其是钢筋混凝土的主要材料)是具有约13到约15的pH值的强碱性，并且混凝土中的加固棒在一般环境中不腐蚀。然而，混凝土结构中的加固棒可能处于腐蚀性环境中，即由空气中的二氧化碳碳酸化。换句话说，一氧化碳和二氧化物的排放量随现代城市发展而增加，并且主要建筑物的碳酸化因此加速。具体地说，混凝土的孔隙体积与二氧化碳的渗透率紧密相关，并且因此成为用于测定混凝土结构的残余使用寿命的最重要因子。
在pH值是11或大于11的环境中，混凝土中的加固棒由氧化物钝化膜覆盖，并且因此即使在混凝土中存在氧时也不会腐蚀。然而，当碳酸化到达加固棒并且pH值下降到低于11时，加固棒被腐蚀。本文中，碳酸化到达加固棒的时间明显与混凝土的孔隙体积成比例。当存在高孔隙体积时，到达加固棒的速率增加。通常，孔隙体积随W/C增加而增加。然而，当混凝土处于具体情形(如火灾)中时，孔隙体积以指数方式增加，并且混凝土的耐久寿命由于碳酸化而缩短。
图7a到图7e是说明由碳酸化引起的混凝土性能降级的步骤图。如图7a中所示，在第一碳酸化步骤中，材料和强度几乎没有变化并且仅存在由干燥收缩引起的小裂缝。如图7b中所示，在第二碳酸化步骤中，混凝土中由于生锈而产生膨胀压力并且产生裂缝。如图7c中所示，在第三碳酸化步骤中，加固棒上的水泥开始膨胀并且裂缝延伸到混凝土表面。因此，空气和水渗透变得严重并且引起其它恶化，如冷冻损坏等，并且有可能发现锈水。如图7d中所示，在第四碳酸化步骤中，加固棒上的水泥涂层破碎，加固棒开始暴露并且截面积减小。最终，如图7e中所示，在第五碳酸化步骤中，加固棒上的大部分水泥消失并且加固棒暴露于空气并且失去耐久性。
这类混凝土碳酸化在混凝土的外部部分暴露于二氧化碳时开始并且逐渐进行。然而，二氧化碳应通过已被碳酸化的混凝土表面中所包含的孔扩散，并且因此碳酸化速率逐渐降低。本文中，在具有均匀湿度的环境中，碳酸化深度与时间的平方根成比例地增加。这与二氧化碳与孔系统之间的相互相用相关，并且可如以下方程式3中所示来表示碳酸化深度C。
[方程式3]
Figure GDA0002675779660000131
混凝土碳酸化速率与时间的平方根成比例或呈类似形式。当碳酸化深度是C并且覆盖厚度是D时，关于碳酸化的覆盖厚度的安全边界可定义为M＝D-C。假设碳酸化深度C到达加固棒的时间是关于碳酸化的使用寿命，安全边界表示关于碳酸化的极限状态，其中M是极限。因此，混凝土结构的碳酸化深度到达其加固棒的时间可以是关于碳酸化的结构耐久寿命，并且有可能通过排除测量时间来获得结构的残余使用寿命。极限状态函数可由方程式4表示。
[方程式4]
M(x,t)＝D(x,t)-C(x,t)
本文中，M(x,t)表示关于碳酸化的极限状态，C(x,t)表示碳酸化深度并且D(x,t)表示覆盖厚度。
并且，因为通过混凝土结构的精确安全性诊断获得的碳酸化深度数据可视为各部分的机率分布，可通过分析所测量的部分特定碳酸化深度数据来计算每个部分的机率性特征值，如平均值、标准差等。以相同方式，因为分布覆盖厚度值也可以视为相同部分中由设计和建筑误差引起的随机变量，可通过分析所测量的覆盖厚度数据来计算平均值和标准差。
图8a是显示碳酸化深度C和覆盖厚度D的机率分布的图，并且图8b是显示关于碳酸化的极限状态函数M的机率分布的图。本文中，每条曲线表示概率密度函数。
具体地说，假设碳酸化深度C的平均值和标准差分别是μc和σc，覆盖厚度D的平均值和标准差分别是μd和σd，并且碳酸化深度和覆盖厚度的分布是正态分布，那么关于碳酸化的极限状态函数M也变成正态分布。本文中，极限状态函数的平均值和标准差分别由以下方程式5和方程式6给出。
[方程式5]
μm＝μd-μc
[方程式6]
Figure GDA0002675779660000141
如图8b中所示，累积分布函数(cumulative distribution function)(即pf)是0或小于0可称为碳酸化深度增加到覆盖厚度并且到达加固棒的机率。
本文中，pf是通过以概率方式接近覆盖厚度以及碳酸化深度或碳酸化发展趋势的分布而计算的值。因此，通过统计推理获得总使用寿命和基于这类残余使用寿命评估模型的结构的残余使用寿命。
图9是举例说明极限状态中混凝土结构的残余使用寿命的图，并且pf的极限可具有0到1的范围。举例来说，为了获得保守性评估值，pf变成0.5的时间可以是混凝土结构的残余使用寿命，如图9中所示。
因此，对于加速碳酸化(Carbonation)分析测试，上述火灾受损混凝土结构诊断装置400通过每当混凝土结构样本的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立标准化数据库300的孔结构特定碳酸化深度数据库330。
根据本发明的例示性实施例，可通过对火灾受损混凝土结构的样品进行化学分析来获得样品数据，并且通过比较所获得的样品数据与预先储存在标准化数据库中的数据来快速预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命。
根据本发明的例示性实施例，因为可精确和科学地评估火灾损坏程度，因此可进行适合的修复和加固。换句话说，可通过预测混凝土结构的残余使用寿命和通过考虑适合的修复和加固时间来管理混凝土结构来改良火灾受损混凝土结构的性能。
[预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法]
图10是说明根据本发明的例示性实施例的预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法的操作流程图。
参考图10，根据本发明的例示性实施例的预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法首先涉及从火灾受损混凝土结构收集样品100和精确切割样品100(S110)。本文中，通过使用移动式岩心钻在混凝土结构中钻孔达到目标点来收集样品100，精确加工并且接着使用玛瑙研钵细磨以加工成用于化学分析的样本。
随后，对精确切割样品100进行化学(x射线衍射)分析(S120)。接着，使用化学分析的数据作为初始输入数据。
随后，比较进行化学分析的样品数据与预先建立的标准化数据库300(S130)。本文中，标准化数据库300标准化由使用火灾受损混凝土结构诊断装置400进行的精确实验而获得的实验数据并且储存标准化实验数据。对于X射线衍射分析、布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller)分析或碳酸化(Carbonation)分析，火灾受损混凝土结构诊断装置400通过每当混凝土结构样本的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立标准化数据库300。
接着，预测与样品数据对应的火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度(S140)。
随后，诊断混凝土结构的火灾损坏并且评估其残余使用寿命(S150)。
图11是说明根据本发明的例示性实施例的预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法的详细操作流程图。
参考图11，根据本发明的例示性实施例预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法首先涉及从火灾受损混凝土结构收集样品100(S201)。具体地说，在向内的方向从火灾受损混凝土结构的表面收集其样品。举例来说，使用移动式岩心钻在混凝土结构中钻孔达到目标点。本文中，样品100可具有多种尺寸，并且优选尺寸是10毫米直径×40毫米长度。
接着，使用激光切割机等精确切割所收集的样品100(S202)。举例来说，可将所收集的样品100切割成多种尺寸，并且可通过每次切割火灾受损混凝土结构达10毫米来根据深度制备总共四种样品。
随后，将四种样品100加工成用于化学分析的样品(S203)。具体地说，将四种样品100中的每一个加工成用于化学分析的样本。此时，使用玛瑙研钵等细磨四种样品100中的每一个。本文中，玛瑙研钵指由玛瑙制成并且在实验室中用于使固体矿物质样本破碎的手工研磨机。
随后，对用于化学分析的样品进行化学分析，例如x射线衍射(S204)。
随后，比较化学分析样品100的数据与储存在标准化数据库300中的损坏温度数据库310中的数据以预测其火灾损坏温度(S205)。换句话说，比较化学分析样品100的数据与储存在损坏温度数据库310中的数据以寻找与从损坏温度数据库310获得的数据一致的化学分析样品100的数据中的温度，使得预测样品100的火灾损坏温度。
接着，由标准化数据库300中温度特定孔结构数据库320预测对应于所预测的火灾损坏温度的孔结构(S206)。换句话说，发现与从温度特定孔结构数据库320获得的数据一致的所预测的火灾损坏温度下的孔结构以预测样品100的孔结构。
接着，由标准化数据库300中孔结构特定碳酸化深度数据库330预测对应于所预测的孔结构的碳酸化深度(S207)。换句话说，发现与从孔结构特定碳酸化深度数据库330获得的数据一致的所预测的孔结构的碳酸化深度。
接着，根据样品100的火灾损坏温度、孔结构以及碳酸化深度，诊断混凝土结构的火灾损坏并且评估其残余使用寿命(S208)。因为所属领域的一般技术人员应了解，可根据化学成分变化、孔结构变化以及碳酸化进程来诊断火灾损坏和评估残余使用寿命，所以省略其详细描述。
因此，标准化数据库300中的损坏温度数据库310、温度特定孔结构数据库320以及孔结构特定碳酸化深度数据库330中的每一个可容易地根据火灾受损混凝土结构的温度变化管理关于化学成分变化、孔结构变化以及碳酸化进程的信息。换句话说，使用数据匹配分析(Data Matching Analysis)，可提取符合通过外部实验测量的数据的数据并且快速预测火灾受损混凝土结构的火灾损坏温度、孔隙体积变化以及残余使用寿命变化。
本发明的以上描述是例示性的，并且本发明所属领域的一般技术人员应理解，可在不脱离本发明的技术精神或基本特征的情况下进行各种修改。因此，应理解，上述实施例在所有方面都是例示性并且不具有限制性。举例来说，以单个形式描述的每个组分可以分布方式实施，并且类似地，描述为分布形式的组分可以组合形式实施。
本发明的范围由下文所描述的权利要求而非详细描述表示，并且权利要求的含义和范围以及来源于其等效概念的所有变化或改变形式应解释为包含于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的系统，其特征在于所述系统包括：
火灾受损混凝土结构样品，是从火灾受损混凝土结构收集并且加工成用于化学分析的样本；
混凝土结构残余使用寿命预测单元，经配置以通过对加工成所述用于化学分析的样本的所述火灾受损混凝土结构样品进行化学分析来获得样品数据，以诊断所述火灾受损混凝土结构的火灾损坏，以及评估所述火灾受损混凝土结构的残余使用寿命；以及
标准化数据库，通过储存待与由所述混凝土结构残余使用寿命预测单元进行的所述化学分析的样品数据相比的通过实验获得的数据而建立，
其中所述标准化数据库标准化和储存通过使用火灾受损混凝土结构诊断装置进行的精确实验而获得的实验数据，
其中对所述火灾受损混凝土结构样品的表面发射x射线并接着通过分析反射的所述x射线的折射角来定性和定量鉴别所述样本的化学成份，
通过比较所述样品数据与预先储存在所述标准化数据库中的数据来预测火灾损坏温度，并通过所述火灾损坏温度获得孔结构以及碳酸化深度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，以x射线衍射进行所述化学分析、以布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析进行孔隙体积分析，以及加速碳酸化分析测试，所述火灾受损混凝土结构诊断装置通过每当所述火灾受损混凝土结构样品的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立所述标准化数据库。
3.根据权利要求1所述的系统，其中通过使用移动式岩心钻在所述混凝土结构中钻孔来收集10毫米直径×40毫米长度的所述火灾受损混凝土结构样品、将所述火灾受损混凝土结构样品精确切割，并且接着使用玛瑙研钵细磨以加工成所述用于化学分析的样本。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述混凝土结构残余使用寿命预测单元包括：
化学分析单元，经配置以通过对加工成所述用于化学分析的样本的所述火灾受损混凝土结构样品进行所述化学分析来获得所述样品数据；
数据分析单元，经配置以通过比较由所述化学分析单元获得的所述样品数据与预先储存在所述标准化数据库中的数据来分别预测所述火灾损坏温度，再由所述火灾损坏温度获得所述孔结构以及所述碳酸化深度；以及
火灾损坏诊断和残余使用寿命评估单元，经配置以根据由所述数据分析单元分析的所述火灾损坏温度、所述孔结构以及所述碳酸化深度来诊断所述火灾受损混凝土结构样品的火灾损坏，并且评估所述火灾受损混凝土结构样品的残余使用寿命。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述数据分析单元包括：
火灾损坏温度预测单元，经配置以通过比较由所述化学分析单元获得的所述样品数据与预先储存在所述标准化数据库中的损坏温度数据来预测所述火灾损坏温度；
孔结构预测单元，经配置以通过比较由所述化学分析单元获得的所述样品数据与预先储存在所述标准化数据库中的温度特定孔结构数据来预测温度特定孔结构；以及
碳酸化深度预测单元，经配置以通过比较由所述化学分析单元与预先储存在所述标准化数据库中的孔结构特定碳酸化深度数据来鉴别耐久性变化，
其中所述火灾损坏温度预测单元、所述孔结构预测单元以及所述碳酸化深度预测单元为预先储存在所述标准化数据库中的预测单元。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述标准化数据库包括：
损坏温度数据库，经配置以储存与所述火灾损坏温度一致并且通过所述火灾受损混凝土结构的以x射线衍射进行的所述化学分析获得的实时化学性质变化数据；
温度特定孔结构数据库，经配置以储存与所述火灾损坏温度一致并且通过所述火灾受损混凝土结构的以布鲁诺尔-艾米特-泰勒进行的孔隙体积分析获得的孔结构特征变化数据；以及
孔结构特定碳酸化深度数据库，经配置以储存与所述孔结构变化一致并且通过所述火灾受损混凝土结构的碳酸化分析获得的碳酸化深度数据。
7.一种预测火灾受损混凝土结构的残余使用寿命的方法，其特征在于所述方法包括：
（a）从火灾受损混凝土结构收集10毫米直径×40毫米长度的样品；
（b）对精确切割的所述样品以x射线衍射分析进行化学分析，其中对所述样品的表面发射x射线并接着通过分析反射的所述x射线的折射角来定性和定量鉴别所述样品的化学成份，并且将所述样品研磨成细粉末并进行所述化学分析以鉴别代表粉末状样品的化学成份；
（c）比较通过进行所述化学分析获得的样品数据与储存在预先建立的标准化数据库中的数据；
（d）与来自所述标准化数据库的样品数据相对应地先行预测火灾损坏温度，再由所述火灾损坏温度获得孔结构以及碳酸化深度；以及
（e）根据所述火灾损坏温度、所述孔结构以及所述碳酸化深度诊断所述火灾受损混凝土结构的火灾损坏并且评估其残余使用寿命，
其中所述标准化数据库标准化和储存通过使用火灾受损混凝土结构诊断装置进行的精确实验而获得的实验数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以所述x射线衍射分析进行所述化学分析、以布鲁诺尔-艾米特-泰勒分析进行孔隙体积分析，以及加速碳酸化分析测试，所述火灾受损混凝土结构诊断装置通过每当混凝土结构样本的加热温度升高50℃便进行一次测量来进行总共20次测量，并且接着储存每个数据段以建立所述标准化数据库。
9.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（a）的10毫米直径×40毫米长度的所述样品是通过使用移动式岩心钻在所述混凝土结构中钻孔来收集，精确切割、并且接着使用玛瑙研钵细磨以加工成用于所述化学分析的样本。
10.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（c）的所述标准化数据库包括：
损坏温度数据库，经配置以储存与火灾损坏温度一致并且通过所述火灾受损混凝土结构以x射线衍射进行的所述化学分析而获得的实时化学性质变化数据；
温度特定孔结构数据库，经配置以储存与火灾损坏温度一致并且通过所述火灾受损混凝土结构的以布鲁诺尔-艾米特-泰勒进行的孔隙体积分析获得的孔结构特征变化数据；以及
孔结构特定碳酸化深度数据库，经配置以储存与孔结构变化一致并且通过所述火灾受损混凝土结构的碳酸化分析获得的碳酸化深度数据。
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