CN109946356A - 一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法，基于等效电路模型，通过测量待检测样品的导电路径电阻，计算其损伤指数，并使用预先拟合建立已知损伤指数与剩余抗拉强度率之间的函数关系，估计得到待检测样品的剩余抗拉强度，为受高温、火灾侵害后混凝土结构的修复方案提供技术支撑。本发明具有检测速度快，设备要求低，操作方便简单的显著特点。

Description

一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法
技术领域
本发明涉及一种钢筋混凝土结构评定方法，更具体地，涉及一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是最为常用的结构形式，相对于其他结构形式具有较好的耐火性。但混凝土在受高温、火灾侵害后其承载力依然会下降，继续使用存在一定风险。因此准确的检测混凝土结构受高温、火灾过后的损伤程度对修复混凝土结构的损伤，保证混凝土结构的使用安全具有十分重要的意义。
电化学阻抗谱技术(Electrochemical impedance spectroscopy,简称EIS)是一种电化学检测手段。通过分析EIS技术得到的多孔材料的电化学阻抗谱曲线，可以分析多孔材料的内部微结构。而混凝土材料本身就是一种多孔材料，利用EIS可以研究混凝土材料内部的结构变化。
现有技术中，采用显微分析的方法检测混凝土结构受高温、火灾过后的损伤程度，方法繁琐，对设备要求高，难于快速实现。同时对混凝土结构的力学性能采用试件实验的方法检测，进一步增大了技术难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法，基于等效电路模型，通过测量待检测样品的导电路径电阻，计算其损伤指数，并使用预先建立已知损伤指数与剩余抗拉强度率之间的函数关系，估计得到待检测样品的剩余抗拉强度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤
S1：对受到高温、火灾影响的待检测部位的混凝土进行钻芯取样得到待检测试样，对未受高温、火灾影响的对比部位的混凝土进行钻芯取样得到对比试样，用饱和氢氧化钙溶液浸泡，使待检测试样和对比试样饱和；待检测试样和对比试样的形状尺寸一致；要求待检测部位和对比部位的混凝土的性质在高温、火灾影响之前为一致相同的；
S2：在待检测试样两端贴上金属电极，通过电化学阻抗谱测试设备测量，得到待检测试样的电化学阻抗谱；在对比试样的同样位置处贴上金属电极，通过电化学阻抗谱测试设备测量，得到对比试样的电化学阻抗谱；
S3：采用如下等效电路模型对待检测试样的电化学阻抗谱曲线和对比试样的电化学阻抗谱曲线分别进行拟合：(RCCP(RCPQDP))(QCT(RCTWCT))，其中RCCP为导电路径电阻，RCP为不连续导电路径电阻，QDP为表示导电路径中间断点处的电容，QCT为反映电极与混凝土材料接触处双电层性质的电容，RCT为界面的电荷转移电阻，WCT为界面的离子扩散作用电阻；
S4：定义损伤指数
其中R1 CCP是待检测试样的导电路径电阻，R2 CCP是对比试样的导电路径电阻；
S5：根据损伤指数D的数值评估混凝土材料的损伤程度。
优选地所述步骤S5中，评估混凝土材料的损伤程度还包括进一步通过损伤指数D计算待检测部位的混凝土的剩余抗压强度，包括以下步骤
S51：选取N+1组混凝土试样，其中N组标定试样为经历不同高温的混凝土标定试样，另1组为对比试样；
S52：按照所述步骤S1～S4所述的方法计算每组标定试样的损伤指数Di，其中Di为第i组标定试样的损伤指数，i为1～N的整数；
S53：分别测量N组标定试样的剩余抗压强度Fi高温后，测量另1组对比试样的抗压强度F高温前，并按照下式计算每组标定试样的剩余抗压强度率ΔFi
剩余抗压强度率ΔFi＝(F高温前-Fi高温后)/F高温前；
S53：拟合建立损伤指数Di与剩余抗压强度率ΔFi之间的函数关系；
S54：将待检测试样的损伤指数D代入步骤S53确定的函数关系，得到待检测试样的剩余抗压强度率ΔF，并计算得到待检测试样的剩余抗压强度F高温后。
从上述技术方案可以看出，本发明通过测量待检测样品的导电路径电阻，并基于等效电路模型，得到待检测样品的损伤指数，并使用预先拟合的损伤指数与剩余抗拉强度率的函数关系，估计得到待检测样品的剩余抗拉强度。因此，本发明具有检测速度快，设备要求低，操作方便简单的显著特点。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明中混凝土材料微观结构及阻抗测试装置示意图；
图3是本发明采用的等效电路示意图；
图4是现有技术采用的等效电路示意图；
图5是图3所示的等效电路模型和试样实测的阻抗谱曲线图；
图6是图4所示的等效电路模型和试样实测的阻抗谱曲线图；
图7是图3所示的等效电路模型和试样实测的高温前后的阻抗谱曲线图；
图中，1是阻抗检测装置，2是导线，3是金属电极，4是骨料，5是不连通孔道的间断点，6是水泥颗粒，7是不连通孔道，8是连通孔道。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明的流程示意图。
一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤
S1：对受到高温、火灾影响的待检测部位的混凝土进行钻芯取样得到待检测试样，对未受高温、火灾影响的对比部位的混凝土进行钻芯取样得到对比试样，用饱和氢氧化钙溶液浸泡，使待检测试样和对比试样饱和；待检测试样和对比试样的形状尺寸一致；要求待检测部位和对比部位的混凝土的性质在高温、火灾影响之前为一致相同的。
为了检测高温、火灾后混凝土损伤，对受损伤部位以及未受损伤部位分别采样，为了保证检测准确性，应保证待检测试样和对比试样的外形尺寸一致，并保证采样部位的混凝土的性质在高温、火灾影响之前为一致相同的，包括但不限于混凝土的配比、施工工艺、保养、使用历史等。
S2：在待检测试样两端贴上金属电极，通过电化学阻抗谱测试设备测量，得到待检测试样的电化学阻抗谱；在对比试样同样位置贴上金属电极，通过电化学阻抗谱测试设备测量，得到对比试样的电化学阻抗谱。
如图2所示，使用电化学阻抗谱测试设备分别测量待检测试样和对比试样的电化学阻抗谱。为了保证检测准确性，应当保证待检测试样和对比试样的电极位置是一致的；测试时采用的连接设备，包括但不限于导线、测量设备型号，应当是一致的。
S3：采用如下等效电路模型对待检测试样的电化学阻抗谱曲线和对比试样的电化学阻抗谱曲线分别进行拟合：(RCCP(RCPQDP))(QCT(RCTWCT))，其中RCCP为导电路径电阻，RCP为不连续导电路径电阻，QDP为表示导电路径中间断点处的电容，QCT为反映电极与混凝土材料接触处双电层性质的电容，RCT为界面的电荷转移电阻，WCT为界面的离子扩散作用电阻。
利用通用商业阻抗谱分析软件Zview，使用该等效电路模型与实测曲线拟合，当其拟合电路各参数的卡方检测值(Chi-squared)均小于10-3时，说明拟合曲线与实测曲线拟合精度较高，此时得到的Rccp已经较为准确。
混凝土孔结构微观模型包括3种导电路径，分别是绝缘路径(Insulator Path,ICP)、不连续导电路径(Discontinuous Conductive Path,DCP)和导电路径(ContinuousConductive Path,CCP)，其等效电路图如图3所示。其中(RCCP(RCPQDP))反映了试样孔结构的阻抗，(QCT(RCTWCT))为测试电极与浆体界面间的法拉利过程阻抗，RCCP为导电路径电阻，RCP为不连续导电路径电阻，QDP为表示导电路径中间断点处的电容，QCT为反映电极与混凝土材料接触处双电层性质的电容，RCT为界面的电荷转移电阻，WCT为界面的离子扩散作用电阻。
为了验证本专利提出模型的有效性，这里以25℃时的试样的阻抗谱的Nyquist图为例，分别利用：(1)图3中等效电路模型(现有文献中提出的模型)；(2)图4中等效电路模型(本专利提出的改进模型)，进行拟合精度的对比分析，分析结果如图5所示。
由图5和图6可以看出，图4中等效电路模型阻抗谱曲线与实测曲线偏差较大；图3中等效电路模型对阻抗谱曲线的分析结果较为理想其拟合电路各参数的卡方检测值(Chi-squared)均小于10-3时，满足精度要求。
图7为采用本专利提出模型(图3模型)，拟合受800℃高温前、后试样的阻抗谱曲线，可见该模型对受高温后试样的拟合精度同样较为精确，证明本专利提出的等效电路模型同样适用于拟合受高温后试样的阻抗谱曲线。
S4：定义损伤指数
其中R1 CCP是待检测试样的导电路径电阻，R2 CCP是对比试样的导电路径电阻。
S5：根据D的数值判断混凝土材料的损伤程度，以及高温、火灾影响后待检测部位的混凝土的剩余抗压强度。
计算待检测部位的混凝土的剩余抗压强度的方法包括以下步骤
S51：选取N+1组混凝土试样，其中N组标定试样为经历不同已知高温的混凝土标定试样，另1组为对比试样。
在N组标定试样中，可选择不同温度等级，如300℃、400℃、500℃……800℃等。此时的温度等级是由实验者控制的，可以根据要求自行设定。
对比试样是未受高温火灾影响的试样。
N组标定试样和对比试样的混凝土的性质在高温、火灾影响之前为一致相同的，包括但不限于混凝土的配比、施工工艺、保养、使用历史等。
S52：按照所述步骤S1～S4所述的方法计算损伤指数Di。
测量N组标定试样和对比试样的电化学阻抗谱曲线，并使用等效电路(RCCP(RCPQDP))(QCT(RCTWCT))对N+1条电化学阻抗谱曲线进行拟合，得到N组标定试样的导电路径电阻以及对比试样的导电路径电阻并根据下式计算N组标定试样的损伤指数Di。
S53：测量N组标定试样的剩余抗压强度Fi高温后，测量另1组对比试样的抗压强度F高温前，并按照下式计算剩余抗压强度率ΔFi
剩余抗压强度率ΔFi＝(F高温前-Fi高温后)/F高温前
S53：拟合建立损伤指数Di与剩余抗压强度率ΔFi之间的函数关系。
S54：根据待检测试样的损伤指数D与上一步骤确定的函数关系，得到待检测试样的剩余抗压强度率ΔF，并计算得到剩余抗压强度F高温后。
根据以上步骤，本发明通过EIS对受高温、火灾侵害后的混凝土材料的损伤程度进行评价，为受高温、火灾侵害后混凝土结构的修复方案提供技术支撑。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤
S1：对受到高温、火灾影响的待检测部位的混凝土进行钻芯取样得到待检测试样，对未受高温、火灾影响的对比部位的混凝土进行钻芯取样得到对比试样，用饱和氢氧化钙溶液浸泡，使待检测试样和对比试样饱和；
S2：在待检测试样两端贴上金属电极，通过电化学阻抗谱测试设备测量，得到待检测试样的电化学阻抗谱；在对比试样的同样位置处贴上金属电极，通过电化学阻抗谱测试设备测量，得到对比试样的电化学阻抗谱；
S3：采用如下等效电路模型对待检测试样的电化学阻抗谱曲线和对比试样的电化学阻抗谱曲线分别进行拟合：(RCCP(RCPQDP))(QCT(RCTWCT))，其中RCCP为导电路径电阻，RCP为不连续导电路径电阻，QDP为表示导电路径中间断点处的电容，QCT为反映电极与混凝土材料接触处双电层性质的电容，RCT为界面的电荷转移电阻，WCT为界面的离子扩散作用电阻；
S4：定义损伤指数D
其中R1 CCP是待检测试样的导电路径电阻，R2 CCP是对比试样的导电路径电阻；
S5：根据损伤指数D的数值评估混凝土材料的损伤程度。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述步骤S5中，评估混凝土材料的损伤程度还包括进一步通过损伤指数D计算待检测部位的混凝土的剩余抗压强度，包括以下步骤
S51：选取N+1组混凝土试样，其中N组标定试样为经历不同高温的混凝土标定试样，另1组为对比试样；
S52：按照所述步骤S1～S4所述的方法计算每组标定试样的损伤指数Di，其中Di为第i组标定试样的损伤指数，i为1～N的整数；
S53：分别测量N组标定试样的剩余抗压强度Fi高温后，测量另1组对比试样的抗压强度F高温前，并按照下式计算每组标定试样的剩余抗压强度率ΔFi
剩余抗压强度率ΔFi＝(F高温前-Fi高温后)/F高温前；
S53：拟合建立损伤指数Di与剩余抗压强度率ΔFi之间的函数关系；
S54：将待检测试样的损伤指数D代入步骤S53确定的函数关系，得到待检测试样的剩余抗压强度率ΔF，并计算得到待检测试样的剩余抗压强度F高温后。
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