[發明專利]基于大數據分析的海洋環境下混凝土強度演變預測方法

在審

• 申請號: 202110261074.0
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN112992293A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 楊寧;魏偉;郭雷
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06K9/62;G06N20/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種基于大數據分析的海洋環境下混凝土強度演變預測方法，方法包括：(1)聚類分析方法將不同水泥標準中的35種水泥劃分為五大類水泥品種，有效地解決了水泥品種復雜繁多的問題；(2)離子濃度值選取了mol/L為單位統一了不同實驗溶液中離子濃度和海洋暴露環境中的離子濃度值；(3)實際海洋環境下潮汐浪濺區的干濕循環制度與實驗室干濕循環制度存在較大差異，本研究中創新性地運用了一種余弦函數擬合潮汐曲線的方法，通過算法實現了對不同海域的潮汐高度進行記錄并擬合出余弦曲線，最終算出干燥、潤濕時間，從而獲得海洋環境中的干濕循環制度。在將數據進行處理后，進行機器學習預測海洋環境下混凝土的抗腐蝕性能。

技術領域

本發明屬于大數據分析與材料學融合領域，涉及一種基于大數據分析的海洋環境下混凝土強度演變預測方法。

背景技術

在嚴酷的海洋環境下，由于多種影響因素的耦合作用，混凝土材料的力學性能劣化嚴重。目前，己有大量海洋環境下混凝土材料力學性能的研究，主要包括海洋實際暴露環境與實驗室模擬海洋環境的研究。從文獻資料的研究結果看，海洋環境影響因素復雜，且混凝土材料的種類繁多。

混凝土本身作為一種多孔材料，在海洋、髙鹽堿地區和地下水等嚴酷環境長期服役過程中，環境因素的影響導致其力學性能劣化，耐久性能降低，服役壽命縮短，結構失效。

以海洋環境為例，目前國內外大量的海洋中服役的混凝土構件失效，受侵蝕劣化嚴重。海洋區域由下而上又依次分為海洋水下區域、海洋潮汐區、海洋浪濺區以及海洋大氣區。侵蝕最為嚴重的是海洋潮汐區和浪濺區，主要原因是海水干濕循環、離子侵蝕等多種侵蝕機制的耦合作用，導致混凝土的劣化嚴重。

(1)干濕循環的侵蝕環境會導致多種形式的耦合破壞作用。干濕循環本身是個物理過程，在該過程中，混凝土構件不斷受到沖刷而導致結構破壞，濕脹和干燥的過程又使得混凝土構件變形，水化產物溶出；此外，海洋中的離子隨著水的迀移進入的混凝土內部，在干燥時結晶，產生結晶壓力而導致混凝土劣化；除了結晶壓力，侵蝕離子與混凝土內部水化產物反應生成膨脹性侵蝕產物也會導致混凝土膨脹開裂、剝落甚至結構失效；另外一些侵蝕性離子與水化產物反應生成一些幾乎沒有膠結能力的物質使混凝土結構松散破壞等等。

(2)海洋離子侵蝕也是導致混凝土性能劣化的重要因素。氯離子、硫酸根離子以及鎂離子是海洋離子中除鈉離子之外含量最多的離子，對于混凝土的性能影響機理各異，目前都有較為成熟的理論研究。氯離子對于混凝土構件的破壞主要分為對混凝土的破壞和對鋼筋的侵蝕。對混凝土的腐蝕機理與陽離子種類有關，鈣鹽與水化產物反應生成膨脹性的3CaO·CaCl₂·15H₂O，膨脹應力作用會造成表面開裂；MgCl₂與Ca(OH)₂反應生成沉淀，降低混凝土堿性，最終導致混凝土分解腐蝕。在一定條件下，環境中的氯離子存在時與C₃A反應產生復鹽，可以降低C₃A的含量從而降低硫酸鹽膨脹侵蝕的危害。并且，該復鹽在高堿度環境下才能穩定存在。氯離子對于鋼筋的侵蝕機理主要包括破壞鈍化膜，形成腐蝕電池，去極化作用和導電作用。硫酸根離子對于混凝土的侵蝕主要是通過生成膨脹性的產物鈣礬石而導致混凝土構件失效。鎂離子侵蝕主要是由于鎂離子置換出水泥水化產物C-S-H凝膠中的鈣離子，生成膠結能力較差的M-S-H，從而導致混凝土性能劣化。

我國由北向南依次是渤海、黃海、東海、南海四大海域，在海洋環境下服役的混凝土構件建成后的5至10年內都開始出現不同程度的劣化。而北方海工建筑的侵蝕程度相對南方海工建筑而言更為嚴重，主要是由于北方的氣候寒冷，凍融循環破壞嚴重。南方的高溫高濕環境中，混凝土的離子腐蝕速度加快，劣化也同樣不容忽視。