CN109239316A - 一种混凝土强度监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土强度监测装置及监测方法。所述装置及方法通过在侵蚀混凝土内部埋入压电智能骨料来监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速，不需要进行凿取混凝土试样等破坏过程，并且压电智能骨料本身强度足够与混凝土很好的兼容，因此不会对混凝土结构性能产生影响，从而能够实现侵蚀混凝土强度的无损监测；本发明提供的监测方法基于所述混凝土强度监测装置，可以实时无损监测混凝土波速，通过监测侵蚀混凝土不同深度处的波速，并构建波速‑动弹性模量‑强度的关系，可以直接获得符合工程实际的侵蚀混凝土结构的抗压强度情况，进而以混凝土强度为主要指标对混凝土结构进行健康监测和安全评定。
Description
技术领域
本发明涉及硫酸盐侵蚀环境下混凝土结构的健康监测技术领域，特别是涉及一种混凝土强度监测装置及监测方法。
背景技术
目前硫酸盐侵蚀混凝土的劣化程度一般由膨胀率、质量损失率、动弹性模量、抗压强度、抗拉强度以及抗折强度等宏观测试指标来判定，以上由标准试验得到的指标虽然可用于对比不同混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的大小，但是不能应用于工程实际环境中硫酸盐侵蚀混凝土的安全评估中。因为混凝土膨胀率、质量损失、动弹性模量、抗压强度、抗折强度以及抗拉强度这些指标的测定是在实验室环境下针对具体的混凝土试样进行，依据普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准和普通混凝土力学性能试验方法，这些混凝土试样基本尺寸是100mm的立方体、150mm*150mm*300mm的棱柱体或100mm*100mm*400mm棱柱体等。而对于实际工程应用环境中，并没有现行规范明确如何对具体的工程结构，比如滨海环境下遭受硫酸盐侵蚀的混凝土桥墩处混凝土的膨胀率、动弹性模量、质量损失等指标进行测定，也没有现有技术手段能够获得符合工程实际的上述参数指标。除此之外，如果实际环境中的混凝土的强度需要取样测量，那么则会对实际工程结构造成无法弥补的破坏，对工程结构产生危害。并且硫酸盐侵蚀混凝土有着不均匀性质，从外到内，侵蚀破坏逐渐减弱，这个特点也增加了取样的难度和安全评定的难度。因此，如何提供一种对实际工程结构不造成损伤、且能准确测定工程实际环境中硫酸盐侵蚀混凝土强度的技术方案，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种混凝土强度监测装置及监测方法，能够实现工程实际环境中受硫酸盐侵蚀的混凝土抗压强度的高精度、无损监测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种混凝土强度监测装置，所述混凝土强度监测装置包括：成对布置在侵蚀混凝土内部的至少两列压电智能骨料；两列压电智能骨料平行正对布置；所述压电智能骨料的直径为25mm；两列压电智能骨料中至少包括三对压电智能骨料，分别为第一对压电智能骨料、第二对压电智能骨料及第三对压电智能骨料；所述第一对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部0-25mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部0-25mm深度范围内的混凝土波速；所述第二对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部25-50mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部25-50mm深度范围内的混凝土波速；所述第三对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部50-75mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部50-75mm深度范围内的混凝土波速。
可选的，所述两列压电智能骨料之间的距离为100mm。
可选的，所述压电智能骨料由一块压电片和两块圆柱体形的大理石封装而成；相邻两个压电智能骨料的圆柱体位置相切。
本发明还提供一种基于所述混凝土强度监测装置的混凝土强度监测方法，所述监测方法包括：
采用动弹性模量测定仪器测定未遭受侵蚀时混凝土的初始动弹性模量；
采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速；
根据所述初始波速、所述不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速以及所述初始动弹性模量确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量；
根据所述侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量确定非侵蚀区域混凝土的动弹性模量和侵蚀区域混凝土的动弹性模量；
通过抗压强度试验获得侵蚀混凝土内部非侵蚀区域混凝土的抗压强度；
根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式；
将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度；
根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述侵蚀区域混凝土的抗压强度确定侵蚀混凝土的整体抗压强度。
可选的，所述采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速，具体包括：
采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速；
采用侵蚀混凝土内部0-25mm深度处布置的第一对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下0-25mm深度范围内的混凝土波速；
采用侵蚀混凝土内部25-50mm深度处布置的第二对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下25-50mm深度范围内的混凝土波速；
采用侵蚀混凝土内部50-75mm深度处布置的第三对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下50-75mm深度范围内的混凝土波速。
可选的，所述根据所述初始波速、所述不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速以及所述初始动弹性模量确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量，具体包括：
采用公式确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量；其中v0为所述初始波速；vt为侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在不同深度范围内的混凝土波速；E0为所述初始动弹性模量；Et为侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在不同深度处的动弹性模量。
可选的，所述根据所述侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量确定非侵蚀区域混凝土的动弹性模量和侵蚀区域混凝土的动弹性模量，具体包括：
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度范围内的混凝土波速v1t代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度处的动弹性模量E1t作为所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es；
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度范围内的混凝土波速v2t代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度处的动弹性模量E2t；
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度范围内的混凝土波速v3t代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度处的动弹性模量E3t；
计算所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度处的动弹性模量E2t与所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度处的动弹性模量E3t的平均值作为所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量Ec。
可选的，所述根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式，具体包括：
以所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量为自变量，所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度为因变量，采用数值拟合方法构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式其中E为侵蚀混凝土的动弹性模量；f为侵蚀混凝土的抗压强度。
可选的，所述将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度，具体包括：
将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度fs。
可选的，所述根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述侵蚀区域混凝土的抗压强度确定侵蚀混凝土的整体抗压强度，具体包括：
采用公式ft·A＝fcAc+fsAs确定侵蚀混凝土的整体抗压强度ft；其中A为侵蚀混凝土的总面积；fc为侵蚀混凝土内部的非侵蚀区域混凝土的抗压强度；Ac为侵蚀混凝土内部非侵蚀区域的面积；fs为侵蚀混凝土内部的侵蚀区域混凝土的抗压强度；As为侵蚀混凝土内部侵蚀区域的面积。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种混凝土强度监测装置及监测方法，通过在侵蚀混凝土内部埋入压电智能骨料来监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速，不需要进行凿取混凝土试样等破坏过程，并且压电智能骨料本身强度足够与混凝土很好的兼容，因此不会对混凝土结构性能产生影响，从而能够实现侵蚀混凝土强度的无损监测。本发明提供的监测方法基于所述混凝土强度监测装置，可以实时、无损监测混凝土波速，通过监测侵蚀混凝土不同深度处的波速，并构建波速-动弹性模量-强度的关系，可以直接获得符合工程实际的侵蚀混凝土结构的抗压强度情况，进而以混凝土强度为主要指标对混凝土结构进行健康监测和安全评定。本发明提供的装置及方法可以直接运用于处于硫酸盐侵蚀多发生的水下和地下混凝土结构的健康监测和安全评估，除此之外全过程无损监测，不会破坏处于服役状态下的混凝土结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的混凝土强度监测装置的结构示意图；
图2本发明提供的混凝土强度监测装置的监测范围示意图；
图3本发明提供的一列压电智能骨料的实物示意图；
图4本发明提供的单个压电智能骨料的结构示意图；
图5本发明提供的混凝土强度监测装置的监测原理示意图；
图6为本发明提供的侵蚀混凝土波速测定装置的实物图；
图7为本发明提供的侵蚀混凝土波速测定的原理图；
图8为本发明提供的波速监测采用的频率为50kHz的典型驱动和传感信号的示意图；
图9为本发明提供的混凝土强度监测方法的方法流程图；
图10为本发明提供的混凝土强度监测方法的原理示意图；
图11为本发明提供的初始动弹性模量测定示意图；
图12为本发明提供的三个深度范围内的动弹性模量随着时间变化的曲线图；
图13为本发明提供的抗压强度试验示意图；
图14为本发明提供的侵蚀混凝土横截面中侵蚀区域和非侵蚀区域划分示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种混凝土强度监测装置及监测方法，应用在硫酸盐侵蚀环境下混凝土结构的健康监测领域，以解决工程实际环境下，遭受硫酸盐侵蚀的混凝土结构的直接监测以及安全评估问题，加强对腐蚀混凝土安全评定问题的认识，为深入科学研究提供技术支持。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的混凝土强度监测装置及监测方法的基本原理和设计思路为：
混凝土遭受硫酸盐侵蚀的时间及侵蚀程度并不均匀，主要特点是侵蚀破坏的程度由表及里不断减弱直到没有侵蚀破坏。本发明考虑把遭受硫酸盐侵蚀后的混凝土(本发明简称侵蚀混凝土)分成两个区域，一个是侵蚀区域一个是非侵蚀区域。对侵蚀混凝土的安全评价指标主要采用抗压强度进行判定。其中侵蚀混凝土内部未侵蚀区域的抗压强度可以采用清水组中未侵蚀混凝土的强度代替，那么如何确定侵蚀混凝土的侵蚀区域的抗压强度成为关键所在。通过本发明提供的基于混凝土强度监测装置的监测方法可以获得侵蚀混凝土内部侵蚀区域的抗压强度，那么侵蚀混凝土的整体强度可以用侵蚀区域和非侵蚀区域的强度均匀化获得，从而以侵蚀混凝土整体抗压强度为评价指标，实现对硫酸盐侵蚀混凝土的健康监测目的。
为了实现上述监测方式，本发明提供了一种混凝土强度监测装置。图1为本发明提供的混凝土强度监测装置的结构示意图。图1中SAs表示压电智能骨料(smartaggregates)；Specimen表示混凝土试件。参见图1，本发明提供的混凝土强度监测装置包括：成对布置在侵蚀混凝土内部的至少两列压电智能骨料；两列压电智能骨料平行正对布置。成对布置压电骨料，所述两列压电智能骨料之间的距离为100mm。考虑到间距过小的话，纵向监测长度较短，监测所获得的波速随着侵蚀龄期的增加变化可能并不明显，因此本发明设置每列压电智能骨料距离侵蚀混凝土端部的距离均为100mm，避免侵蚀混凝土端部对压电监测的信号产生影响。所述端部为所述侵蚀混凝土外表面与每列压电智能骨料平行的一端。所述压电智能骨料的直径为25mm。
两列压电智能骨料中至少包括三对压电智能骨料，分别为第一对压电智能骨料1-1和1-2、第二对压电智能骨料2-1和2-2及第三对压电智能骨料3-1和3-2。考虑在工程应用中获得更多、更全面的参考数据，本发明提供的混凝土强度监测装置的两列压电智能骨料中还可以包括另外三对压电智能骨料，分别为第四对压电智能骨料3-3和3-4、第五对压电智能骨料2-3和2-4以及第六对压电智能骨料1-3和1-4。另外三对压电智能骨料与三对压电骨料是对称设置的，即压电智能骨料1-1和1-2监测的范围与1-3和1-4监测范围一致；2-1和2-2监测范围与2-3和2-4监测范围一致；3-1和3-2监测范围与3-3和3-4监测范围一致。
图2本发明提供的混凝土强度监测装置的监测范围示意图。参见图2，两列压电智能骨料的布置方式及监测范围具体为：
所述第一对压电智能骨料和第六对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部0-25mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部0-25mm深度范围内的混凝土波速。所述第二对压电智能骨料和第五对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部25-50mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部25-50mm深度范围内的混凝土波速。所述第三对压电智能骨料和第四对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部50-75mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部50-75mm深度范围内的混凝土波速。为了
图3本发明提供的一列压电智能骨料的实物示意图。图4本发明提供的单个压电智能骨料的结构示意图。参见图3和图4，本发明采用的压电智能骨料(Smart Aggregate，简称SA)是由一块压电片401和两块圆柱体形的大理石402封装而成的一种传感器，利用压电片的正逆压电效应完成对被监测结构的主动或者被动监测。压电片401的信号由电缆403引出。所述压电智能骨料的直径为25mm，单块圆柱体形大理石的高度为10mm，压电片401的边长为15mm。由于所述压电智能骨料由两块圆柱体形的大理石402封装而成，因此压电智能骨料外观呈圆柱体形状，参见图1和图2，圆柱体形状的压电智能骨料在布置时，每列压电智能骨料中设置的6个压电智能骨料紧密接触，且相邻两个压电智能骨料的圆柱体结构位置相切，6个压电智能骨料的中心在同一直线上。每列压电智能骨料的纵向深度为150mm。
图5本发明提供的混凝土强度监测装置的监测原理示意图。考虑到混凝土遭受硫酸盐侵蚀时，破坏程度并不均匀，通常为破坏程度由外到内不断减弱，因此为了获得不同深度处混凝土(不同深度处混凝土的破坏程度不一样)的波速，本发明提供的混凝土强度监测装置由外到内布置成对的压电智能骨料。由于硫酸盐侵蚀主要集中在0-25mm深度处，所以本发明选取直径大小为25mm的压电骨料。如图1和图5所示，1-1和1-2这对压电骨料监测0-25mm深度范围的混凝土波速，1-3和1-4这对压电骨料监测范围与1-1和1-2完全一样，为了让试验数据足够充分，故对称设置。2-1和2-2这对压电骨料监测25-50mm深度范围的混凝土波速，同理，2-3和2-4也是监测25-50mm深度范围的波速。3-1和3-2这对压电骨料监测范围是50-75mm深度范围的波速，3-3和3-4这对压电骨料监测范围与3-1和3-2完全一样。
在侵蚀混凝土中每隔100mm布置一列压电智能骨料，本实施例中，是在150mm*150mm*300mm的混凝土试件中布置如图1所示的两列压电智能骨料，且每列压电智能骨料距离混凝土端部距离都是100mm，每列沿着纵深方向设置6个压电智能骨料，并且相邻两个压电智能骨料的圆柱体位置相切，每列压电智能骨料的纵深是150mm。压电智能骨料成对布置成两列进行混凝土波速监测，例如，压电智能骨料1-1发出波，1-2接收波，通过对波的分析，获得该深度范围内的混凝土波速，进而完成对不同深度范围内混凝土波速进行监测的目的。
图6为本发明提供的侵蚀混凝土波速测定装置的实物图。图7为本发明提供的侵蚀混凝土波速测定的原理图。图6和图7中的Power amplifer表示功率放大器，Oscilloscope为示波器，NI signal instrument为NI信号发射器，Concrete specimen embedded inNa2So4 solution是指浸没在硫酸钠中的混凝土试件。采用图6和图7所示的装置和原理，可以通过侵蚀混凝土中布置的压电智能骨料检测不同深度范围内的混凝土波速。具体波速监测方法为：
窄带谐波电压信号由NI信号发射器产生，然后由功率放大器放大，放大的电压信号用于驱动嵌入混凝土中不同深度的压电智能骨料。由于逆压电效应，电信号将使压电片产生振动，则压电智能骨料产生一个振动信号在混凝土中以波的形式传播。传播路径中的任何压电智能骨料捕获振动信号并将其转换为电压信号。最后，这些传感信号存储在示波器中。
对于该波速监测方法，考虑进行0，30，60，90，120和170天的六次浸泡时间情况，对于每个浸没时间情况，使用频率为50、100和150kHz的三个电压信号来驱动SA致动器。考虑到SA和混凝土试件的尺寸，监控空间根据深度范围分为三个部分，分为0-25、25-50和50-75毫米。图8为本发明提供的波速监测采用的频率为50kHz的典型驱动和传感信号的示意图。图8横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为振幅，单位为V。其中粗实线表示接收信号，细实线表示驱动信号。采用互相关法确定从SA致动器传递到混凝土中的传感器的应力波的波速。在分析了传感信号后，即可得到不同硫酸盐侵蚀时间下各深度范围内的混凝土波速。
本发明还提供了一种基于所述混凝土强度监测装置的混凝土强度监测方法。图9为本发明提供的混凝土强度监测方法的方法流程图。图10为本发明提供的混凝土强度监测方法的原理示意图。图10中Attacked concrete表示遭受侵蚀的混凝土，Compressive test表示抗压强度试验，Healthy area为遭受侵蚀的混凝土中的非侵蚀区域，Deterioratedarea为遭受侵蚀的混凝土中的侵蚀区域，Monitoring test为混凝土波速监测试验，Concrete in water为清水组混凝土试件，Attacked concrete为侵蚀组的混凝土试件。本发明通过埋入压电骨料对混凝土结构进行健康监测，主要监测参数为混凝土的波速。通过监测出来的波速大小，获得相对波速平方比，进而可以获得动弹性模量的大小，依据动弹性模量和混凝土抗压强度的关系，可以获得遭受硫酸盐侵蚀后混凝土的强度大小。参见图9，本发明提供的混凝土强度监测方法包括：
步骤901：采用动弹性模量测定仪器测定未遭受侵蚀时混凝土的初始动弹性模量。
浇筑试件尺寸为100mm*100mm*400mm的棱柱体混凝土试件，在标准养护28天后，通过DT-20W型的动弹性模量测定仪器，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的标准操作过程测定未侵蚀混凝土的初始动弹性模量E0。图11为本发明提供的初始动弹性模量测定示意图。参见图11，本发明设置了尺寸大小为100mm*100mm*400mm的棱柱体混凝土试件用来测定未遭受侵蚀时混凝土的初始动弹性模量E0。图11中Specimen表示混凝土试件，Edt measuring instrument为DT-20W型的动弹性模量测定仪器。所述初始动弹性模量测定方法为：
将棱柱体混凝土试件放于20mm厚度的聚苯板上面；
在DT-20W型动弹性模量测定仪器的激振换能器和接收换能器的接头均匀涂抹适量的凡士林；
将激振换能器的接头紧贴棱柱体1/2长度处的中点，接收换能器的接头紧贴距离棱柱体一侧5mm处的一点；
按下DT-20W型动弹性模量测定仪器的工作按钮，根据仪表显示器获得未遭受侵蚀时混凝土的初始动弹性模量E0。
步骤902：采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速。
本发明提供的混凝土强度监测方法在混凝土结构施工时，浇筑混凝土前，预先在混凝土中不同深度埋入压电智能骨料，如图1、2、5所示，侵蚀混凝土的上下、前后四个面遭受硫酸盐侵蚀，左右两个面采用蜡封，故左右两个面并没有遭受侵蚀，由于对称性质，上下面的侵蚀和前后面侵蚀本质是一样的，可以只选择一组相对的面进行监测，因此本发明提供的混凝土强度监测装置主要监测侵蚀混凝土的上下两个面，将两列压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部横向的正中位置，避免了前后两个面侵蚀对监测波速的影响。
采用所述混凝土强度监测装置监测遭受硫酸盐侵蚀下混凝土不同深度处的波速，具体包括：
采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速v0；
采用侵蚀混凝土内部0-25mm深度处布置的第一对压电智能骨料及第六对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下0-25mm深度范围内的混凝土波速v1t；
采用侵蚀混凝土内部25-50mm深度处布置的第二对压电智能骨料及第五对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下25-50mm深度范围内的混凝土波速v2t；
采用侵蚀混凝土内部50-75mm深度处布置的第三对压电智能骨料及第四对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下50-75mm深度范围内的混凝土波速v3t。
步骤903：根据所述初始波速、所述不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速以及所述初始动弹性模量确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量。
侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量的计算公式为：
其中v0为所述初始波速；vt为侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在不同深度范围内的混凝土波速；E0为所述初始动弹性模量；Et为侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在不同深度处的动弹性模量。
根据不同深度处布置的每一对压电骨料，可以监测在不同侵蚀龄期下不同深度范围内(0-25mm，25-50mm，50-75mm)内的波速大小，包括未侵蚀时的波速大小v0，以及侵蚀t时间后，不同深度范围内的波速大小vt，进而可以获得相对波速比的平方将不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速代入公式(1)，就可以获得侵蚀混凝土在不同侵蚀临期下不同深度处(0-25mm，25-50mm，50-75mm)的动弹性模量，具体为：
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度范围内的混凝土波速v1t作为公式(1)中的vt代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度处的动弹性模量E1t；
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度范围内的混凝土波速v2t作为公式(1)中的vt代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度处的动弹性模量E2t；
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度范围内的混凝土波速v3t作为公式(1)中的vt代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度处的动弹性模量E3t。
步骤904：根据所述侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量确定非侵蚀区域混凝土的动弹性模量和侵蚀区域混凝土的动弹性模量。
根据针对不同深度范围(0-25mm，25-50mm，50-75mm)的波速监测，获得不同深度范围的相对波速平方比根据不同范围内的相对波速平方比数值和公式(1)，可以得到三个深度范围内(0-25mm，25-50mm，50-75mm)的动弹性模量随着时间变化的规律，如图12所示。图12为本发明提供的三个深度范围内的动弹性模量随着时间变化的曲线图。图12横坐标为侵蚀龄期，单位为天；纵坐标为动弹性模量，单位为GPa。从图12中可以看出，0-25mm深度范围处的动弹性模量E1t显示出先上升后下降的趋势，原因是硫酸盐侵蚀时，前期会在混凝土内部生成钙钒石沉淀产物，使得混凝土致密，故波速会增大，相对波速的平方比会上升，除此之外，混凝土自身不断水化致密造成波速增大，相对波速平方比上升；而后期由于沉淀产物生成过度，造成混凝土内部开裂，则波速下降，相对波速平方比会下降。而25-50mm和50-75mm范围内的动弹性模量E2t、E3t一直是上升阶段，且上升的幅度相对0-25mm范围内的上升幅度较小，说明该两个深度范围(25-50mm和50-75mm)并没有遭到硫酸盐侵蚀，而仅仅是混凝土自身水化。根据上述监测所得结果，本发明将遭受硫酸盐侵蚀的混凝土分成两个区域，侵蚀区域和非侵蚀区域，侵蚀区域混凝土为侵蚀混凝土内0-25mm深度范围内的混凝土，而非侵蚀区域混凝土则是25-75mm深度范围区域内的混凝土。那么侵蚀区域的动弹性模量确定为0-25mm范围的动弹性模量，非侵蚀区域的动弹性模量则用25-50mm和50-75mm深度范围的动弹性模量的平均值，即：
将所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度处的动弹性模量E1t作为所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es；
将所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度处的动弹性模量E2t与所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度处的动弹性模量E3t的平均值作为所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量Ec。
步骤905：通过抗压强度试验获得侵蚀混凝土内部非侵蚀区域混凝土的抗压强度。
将两组150mm*150mm*150mm尺寸大小的混凝土试件，分别放于清水中浸泡和8％硫酸钠溶液中浸泡，并通过抗压强度试验获得其抗压强度。将清水组获得的抗压强度作为所述侵蚀混凝土内部非侵蚀区域混凝土的抗压强度fc。而侵蚀组测得的抗压强度可以起到验证本发明提供的混凝土强度监测方法是否可行的作用。如果采用本发明提供的混凝土强度监测方法获得的侵蚀混凝土整体抗压强度ft和侵蚀组测得的混凝土抗压强度fT吻合或只有较小的误差，则可以说明本发明混凝土强度监测方法的准确性和可行性。
图13为本发明提供的抗压强度试验示意图。图13中Lubricating layer表示润滑层，Extenosmeter表示位移阴伸计，Pressure sensor表示压力传感器，Steel plate表示钢板，Specimen表示混凝土试件。通过图8所示的抗压强度试验可以获得侵蚀混凝土内部非侵蚀区域混凝土的抗压强度fc，以及侵蚀混凝土整体抗压强度的实验对照值fT。
步骤906：根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式。
在步骤905中，设置了清水对照组，将混凝土试件泡在清水中，没有遭受硫酸盐的侵蚀，并通过抗压强度试验获得了未侵蚀混凝土试件在不同龄期下的抗压强度。非侵蚀区域的动弹性模量Ec已由步骤904获得，非侵蚀区域的混凝土抗压强度fc采用清水组测得的混凝土抗压强度代替，此时通过数值拟合，可以到一个动弹性模量和抗压强度的函数关系式。具体方法为：
以所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量为自变量，所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度为因变量，采用数值拟合方法构建出混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式：
其中E为侵蚀混凝土的动弹性模量；f为侵蚀混凝土的抗压强度。公式(2)中动弹性模量E和抗压强度f形成了一一对应的函数关系。
步骤907：将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度。
步骤906中已经建立了动弹性模量与抗压强度的函数关系式(2)，那么此时关键问题在于，如何获得侵蚀区域的抗压强度。步骤904中，侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es已经获得，将所述侵蚀区域的动弹性模量Es输入到公式(2)中，即可得到侵蚀区域的抗压强度，具体为：
将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es作为公式(2)中的E代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到的f的值即为侵蚀区域混凝土的抗压强度fs。
步骤908：根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述侵蚀区域混凝土的抗压强度确定侵蚀混凝土的整体抗压强度。
侵蚀混凝土的整体抗压强度通过侵蚀区域和非侵蚀区域强度均匀化得到，所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度fc、所述侵蚀区域混凝土的抗压强度fs、侵蚀混凝土的整体抗压强度ft之间的函数关系式为：
ft·A＝fcAc+fsAs (3)
其中ft为侵蚀混凝土的整体抗压强度；A为侵蚀混凝土的总面积；fc为侵蚀混凝土内部的非侵蚀区域混凝土的抗压强度；Ac为侵蚀混凝土内部非侵蚀区域的面积；fs为侵蚀混凝土内部的侵蚀区域混凝土的抗压强度；As为侵蚀混凝土内部侵蚀区域的面积。
图14为本发明提供的侵蚀混凝土横截面中侵蚀区域和非侵蚀区域划分示意图。图14中Damage area表示侵蚀区域，Undamaged area为非侵蚀区域，根据图14中的区域划分和侵蚀混凝土的尺寸可以求得侵蚀混凝土的总面积A、侵蚀混凝土内部非侵蚀区域的面积Ac以及侵蚀混凝土内部侵蚀区域的面积As。再将所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度fc和所述侵蚀区域混凝土的抗压强度fs代入所述公式(3)，即可求得侵蚀混凝土的整体抗压强度ft。
将采用本发明方法确定的所述侵蚀混凝土的整体抗压强度ft与步骤905中得到的侵蚀混凝土整体抗压强度的实验对照值fT相比较，二者数值基本吻合，说明采用本发明方法确定的所述侵蚀混凝土的整体抗压强度符合工程实际，能够获得表征侵蚀混凝土整体抗压强度的较为精确的强度值。
可见，本发明提供的基于混凝土强度监测装置的混凝土强度监测方法，由压电智能骨料监测得到侵蚀混凝土不同深度处的波速，并构建波速和侵蚀混凝土强度关系，以混凝土强度为主要指标对侵蚀混凝土进行安全评估。该方法可以直接运用于处于硫酸盐侵蚀多发生的水下和地下混凝土结构的健康监测和安全评估，会破坏处于服役状态下的混凝土结构，实现了全过程的无损监测。
并且本发明在混凝土结构施工时，浇筑混凝土前，预先在混凝土不同深度位置埋入压电智能骨料，后期监测过程不需要进行凿取混凝土试样等破坏过程，并且压电智能骨料本身强度足够可以和混凝土很好兼容，不会对混凝土结构性能产生影响，从而真正实现无损监测手段。通过对混凝土波速的监测，根据波速-动弹性模量-强度的关系，可以直接获得混凝土结构的强度情况，采用本发明方法确定的所述侵蚀混凝土的整体抗压强度更加符合工程实际，进而可以根据得到的侵蚀混凝土整体抗压强度对混凝土结构进行健康监测和安全评定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种混凝土强度监测装置，其特征在于，所述混凝土强度监测装置包括：成对布置在侵蚀混凝土内部的至少两列压电智能骨料；两列压电智能骨料平行正对布置；所述压电智能骨料的直径为25mm；两列压电智能骨料中至少包括三对压电智能骨料，分别为第一对压电智能骨料、第二对压电智能骨料及第三对压电智能骨料；所述第一对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部0-25mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部0-25mm深度范围内的混凝土波速；所述第二对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部25-50mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部25-50mm深度范围内的混凝土波速；所述第三对压电智能骨料布置在侵蚀混凝土内部50-75mm深度处，用于监测侵蚀混凝土内部50-75mm深度范围内的混凝土波速。
2.根据权利要求1所述的混凝土强度监测装置，其特征在于，所述两列压电智能骨料之间的距离为100mm。
3.根据权利要求1所述的混凝土强度监测装置，其特征在于，所述压电智能骨料由一块压电片和两块圆柱体形的大理石封装而成；相邻两个压电智能骨料的圆柱体位置相切。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的混凝土强度监测装置的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述混凝土强度监测方法包括：
采用动弹性模量测定仪器测定未遭受侵蚀时混凝土的初始动弹性模量；
采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速；
根据所述初始波速、所述不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速以及所述初始动弹性模量确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量；
根据所述侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量确定非侵蚀区域混凝土的动弹性模量和侵蚀区域混凝土的动弹性模量；
通过抗压强度试验获得侵蚀混凝土内部非侵蚀区域混凝土的抗压强度；
根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式；
将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度；
根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述侵蚀区域混凝土的抗压强度确定侵蚀混凝土的整体抗压强度。
5.根据权利要求4所述的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速以及不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速，具体包括：
采用侵蚀混凝土内部布置的压电智能骨料监测未遭受侵蚀时混凝土的初始波速；
采用侵蚀混凝土内部0-25mm深度处布置的第一对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下0-25mm深度范围内的混凝土波速；
采用侵蚀混凝土内部25-50mm深度处布置的第二对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下25-50mm深度范围内的混凝土波速；
采用侵蚀混凝土内部50-75mm深度处布置的第三对压电智能骨料监测不同侵蚀龄期下50-75mm深度范围内的混凝土波速。
6.根据权利要求5所述的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述根据所述初始波速、所述不同侵蚀龄期下不同深度范围内的混凝土波速以及所述初始动弹性模量确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量，具体包括：
采用公式确定侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量；其中v0为所述初始波速；vt为侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在不同深度范围内的混凝土波速；E0为所述初始动弹性模量；Et为侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在不同深度处的动弹性模量。
7.根据权利要求6所述的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述根据所述侵蚀混凝土在不同侵蚀龄期下不同深度处的动弹性模量确定非侵蚀区域混凝土的动弹性模量和侵蚀区域混凝土的动弹性模量，具体包括：
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度范围内的混凝土波速v1t代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在0-25mm深度处的动弹性模量E1t作为所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es；
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度范围内的混凝土波速v2t代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度处的动弹性模量E2t；
将侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度范围内的混凝土波速v3t代入所述公式计算得到侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度处的动弹性模量E3t；
计算所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在25-50mm深度处的动弹性模量E2t与所述侵蚀龄期为t的侵蚀混凝土在50-75mm深度处的动弹性模量E3t的平均值作为所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量Ec。
8.根据权利要求7所述的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式，具体包括：
以所述非侵蚀区域混凝土的动弹性模量为自变量，所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度为因变量，采用数值拟合方法构建混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式其中E为侵蚀混凝土的动弹性模量；f为侵蚀混凝土的抗压强度。
9.根据权利要求8所述的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度，具体包括：
将所述侵蚀区域混凝土的动弹性模量Es代入所述混凝土抗压强度与动弹性模量的函数关系式中，计算得到侵蚀区域混凝土的抗压强度fs。
10.根据权利要求9所述的混凝土强度监测方法，其特征在于，所述根据所述非侵蚀区域混凝土的抗压强度和所述侵蚀区域混凝土的抗压强度确定侵蚀混凝土的整体抗压强度，具体包括：
采用公式ft·A＝fcAc+fsAs确定侵蚀混凝土的整体抗压强度ft；其中A为侵蚀混凝土的总面积；fc为侵蚀混凝土内部的非侵蚀区域混凝土的抗压强度；Ac为侵蚀混凝土内部非侵蚀区域的面积；fs为侵蚀混凝土内部的侵蚀区域混凝土的抗压强度；As为侵蚀混凝土内部侵蚀区域的面积。
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