一种混凝土结构钢筋锈蚀状态判断方法与流程

本发明涉及一种钢筋锈蚀状态评估技术，尤其涉及一种混凝土结构钢筋锈蚀状态判断方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土材料因其较好的力学、机械性能，成为世界范围内建筑领域使用最为广泛的人造材料。其内部钢筋在不改变混凝土胶凝基质性能的条件下显著提高了结构的力学性能，同时，混凝土的存在为原本易发生腐蚀的钢筋提供了一层保护屏障。

2、混凝土结构在设计过程中被要求在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化因素，服役过程中不需要花费大量资金维修，也能保持其安全性、适用性和外观要求。然而，由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点，混凝土结构不可避免地存在耐久性问题，即服役一段时间后便无法达到上述设计要求。

3、对于处于氯盐环境内的钢筋混凝土而言，认为“氯盐在混凝土内部传递-钢筋表面氯离子浓度达到锈蚀临界浓度-混凝土中钢筋锈蚀-钢筋锈蚀产物生成开始锈胀-混凝土开裂-混凝土继续开裂加速有害离子、水、氧传递加剧钢筋锈蚀-结构性能退化”是结构耐久性退化过程的主线。现有理论将上述退化历程总结、精简为钢筋钝化、钢筋初锈及锈蚀扩展三个主要阶段。

4、钢筋钝化阶段、钢筋初锈阶段和锈蚀扩展阶段分别对应着钢筋混凝土结构耐久性损伤轻微或无损伤、中等、严重三个状态。从钢筋混凝土结构加固及维护的角度而言，相较于在结构已发生中等或较严重耐久性破坏的情况，若在结构耐久性损伤程度较轻时即对结构进行耐久性维护，达到相同的维护成果，前者花费的资金可能超过后者近20倍。并且，这一部分的耐久性退化，严重时可致建筑结构倒塌，严重威胁国民安全。因此，在不对结构整体完整性形成破坏的前提下，采集一些指标对结构耐久性状态进行评估，并利用评估结果指导结构耐久性维修加固或确定存在安全隐患的高危结构具有重要意义。

5、一些电气/电化学方法被发展出来进行钢筋混凝土结构内钢筋锈蚀程度即结构耐久性状态的评估，它们可以在不破坏混凝土整体结构的情况下对结构内钢筋状态进行测试。这些指标及测试方法主要包括：半电池电位(双电极半电池电位法)、混凝土电阻率(四电极温纳法)、锈蚀电流密度(塔菲尔法)、钢筋极化电阻(线性极化法)。

6、现阶段利用电化学指标评价钢筋锈蚀状态的指导主要有以下几种：

7、1、张劲泉《混凝土旧桥材质状况与耐久性检测评定指南及工程实例》：

8、表结构混凝土中钢筋锈蚀电位的判定标准

9、

10、2、《混凝土中钢筋检测技术规程》(jgjt 152-2008)：

11、表半电池电位评价钢筋锈蚀性状的判据

12、

13、3、《混凝土结构现场检测技术标准》(gb/t 50784-2013)：

14、表1钢筋锈蚀电流与钢筋锈蚀速率及构件损伤年限判别

15、

16、表2混凝土电阻率与钢筋锈蚀状态判别

17、 序号 混凝土电阻率(kωcm) 钢筋锈蚀状态判别 1 ＞100 钢筋不会锈蚀 2 50～100 低锈蚀速率 3 10～50 钢筋活化时，可出现中高锈蚀速率 4 ＜10 电阻率不是锈蚀的控制因素

18、4、美国astm c876规范认为：当锈蚀电流密度位于1-10μa·cm-2区间时，钢筋腐蚀速率较低，位于10-100μa·cm-2区间时，钢筋腐蚀速率较高；

19、5、巴恒静等认为钢筋极化电阻小于27kω·cm2时，钢筋开始脱钝，进入初锈状态。(巴恒静，赵炜璇.利用极化电阻测试混凝土模拟孔隙溶液中钢筋锈蚀临界氯离子浓度[j].混凝土，2010(12)：1-4.)

20、现有技术的不足：

21、1、现有研究成果或国家标准体系给出的利用电化学指标评估结构耐久性状态的指导，并未形成电化学指标与钢筋钝化阶段、钢筋初锈阶段和锈蚀扩展阶段等具体耐久性发展阶段的映射关系，而是把目标聚焦在对钢筋是否发生锈蚀以及锈蚀速率快慢的评价上。除《混凝土结构现场检测技术标准》(gb/t50784-2013)指出锈蚀电流密度小于0.2μa·cm-2时钢筋处于钝化状态。这样的检测成果展示，对最终加固修复行为的决策是不利的；

22、2、进一步的，直接利用现有电化学指标无法估计结构进入下一更劣耐久性阶段的可能时间。即电化学指标的检测结果无法和结构剩余耐久性寿命挂钩。

23、3、混凝土结构材料特性，几何特性及测试环境都会对电化学指标的测试结果产生很大的影响，并且这些影响现阶段没有定量的修正办法。

技术实现思路

1、针对背景技术中的问题，本发明提出了一种混凝土结构钢筋锈蚀状态判断方法，其创新在于：包括：

2、钢筋混凝土结构耐久性包含钝化阶段、初锈阶段、锈蚀扩展阶段这三个结构耐久性阶段；所述三个结构耐久性阶段分别对应钢筋锈蚀状态的未发生锈蚀、轻微锈蚀、严重锈蚀三种状态；

3、对钢筋混凝土结构进行检测，能得到三种电化学指标，他们分别是：由双电极半电池电位法能得到半电池电位参数ecorr，由塔菲尔法能得到锈蚀电流密度参数icorr，由四电极温纳法能得到混凝土电阻率参数ρ；

4、1)连续两年对待评估对象进行检测：

5、开始检测的第一年记为第一评估年，开始检测的第二年记为第二评估年；在同一年的3月初、6月初、9月初、12月初各设置一个检测期；

6、每个评估年中，在每个检测期对待评估对象的混凝土含水率和三种电化学指标进行检测，根据评估年全年的检测结果得到相应的检测数据集，两个评估年分别得到两个检测数据集；

7、根据两个检测数据集中的ecorr数据，建立第一状态转移矩阵，根据两个检测数据集中的icorr数据建立第二状态转移矩阵，根据两个检测数据集中的ρ数据建立第三状态转移矩阵；

8、2)计算第一状态转移矩阵和每个第一钢筋锈蚀状态转移矩阵的相似度；多个第一钢筋锈蚀状态转移矩阵中相似度最大那者记为第一置信矩阵；第一置信矩阵所对应的钢筋锈蚀状态记为第一状态；

9、计算第二状态转移矩阵和每个第二钢筋锈蚀状态转移矩阵的相似度；多个第二钢筋锈蚀状态转移矩阵中相似度最大那者记为第二置信矩阵；第二置信矩阵所对应的钢筋锈蚀状态记为第二状态；

10、计算第三状态转移矩阵和每个第三钢筋锈蚀状态转移矩阵的相似度；多个第二钢筋锈蚀状态转移矩阵中相似度最大那者记为第三置信矩阵；第三置信矩阵所对应的钢筋锈蚀状态记为第三状态；

11、如第一状态、第二状态和第三状态中的两者或三者所对应的钢筋锈蚀状态是相同的，则判定待评估对象处于相应钢筋锈蚀状态；

12、所述第一状态转移矩阵表示：两个评估年期间，ecorr数据所对应的分级情况发生转移的概率；

13、所述第二状态转移矩阵表示：两个评估年期间，icorr数据所对应的分级情况发生转移的概率；

14、所述第三状态转移矩阵表示：两个评估年期间，ρ数据所对应的分级情况发生转移的概率；

15、按如下方法建立钢筋锈蚀状态转移矩阵：

16、a)确定参照结构：参照结构的基本信息与待评估对象的基本信息相似或相同，且参照结构已服役多年；所述基本信息包括结构信息和服役环境信息；所述结构信息包括混凝土材料的组分、掺合料类型、水胶比w/b、混凝土保护层厚度c、钢筋类型；所述服役环境信息是指结构服役的地区；

17、参照结构确定后，在参照结构上设置多个检测区；实施检测的那一年记为检测年，设检测年为参照结构开始服役后的第n年；在每个检测期对参照结构进行检测；单个检测期进行检测时，连续3日、间隔相同时间多次检测每个检测区的混凝土含水率和三种电化学指标，根据检测年的全部检测结果得到一实测数据集；实测数据集中包含了混凝土含水率信息和三种电化学指标信息及各种信息的相互匹配关系；

18、前述检测年中，对参照结构实施检测的频次和节律记为检测方案；

19、b)制作多个试件，试件的结构信息与待评估对象的结构信息相同；将其中一个试件作为第1参考件，按方法一对第1参考件进行处理，将其余试件放入人工气候模拟实验室内进行加速老化试验；试验过程中，每隔72小时，从人工气候模拟实验室内取出一个试件，按方法一对取出的试件进行处理，其余试件继续进行加速老化试验；从人工气候模拟实验室内取出的试件按时间顺序分别记为第2参考件、第3参考件……；

20、所述方法一包括：

21、(1)将参考件的孔隙含水率调节至50％，然后对参考件的三种电化学指标进行检测；

22、(2)根据检测年的气象资料，分别设计出四个温湿度变化谱，四个温湿度变化谱分别对应检测年3月初、6月初、9月初、12月初的温度、湿度变化情况；将所述检测方案映射至72小时的时间区间内，得到加速检测方案；

23、根据四个温湿度变化谱，在步入式环境箱内对参考件分别进行四组电化学指标测试；单组电化学指标测试包括5个分试验；进行单个分试验前，对参考件的孔隙含水率进行调节，5个分试验分别对应的孔隙含水率为30％、40％、50％、60％、70％；孔隙含水率调节好后，开始相应分试验：根据相应温湿度变化谱，在72小时内模拟出温湿度变化谱所对应的温度、湿度变化情况；试验过程中，根据所述加速检测方案对参考件的混凝土含水率和三种电化学指标进行检测；

24、加速试验完成后，对参考件进行解剖，对解剖出的钢筋的钢筋锈蚀状态进行评定；

25、根据检测结果和评定结果，得到一参考数据集；参考数据集包含了混凝土含水率信息、温度信息、湿度信息、三种电化学指标信息及钢筋锈蚀状态信息以及各种信息的相互匹配关系；

26、多个参考件能得到多个参考数据集，多个参考数据集按时间顺序分别记为s0、s1、s2、s3…si…sm，m≥100；si对应第i+1参考件；

27、(3)用实测数据集对多个参考数据集进行清洗：根据统计规律近似原则，找到与实测数据集统计规律近似的那个参考数据集，所找到的参考数据集记为标定数据集；

28、设标定数据集所对应的参考件是从人工气候模拟实验室内取出的第i个参考件，则试件在人工气候模拟实验室内每暴露小时对应参照结构服役一个自然年；对取整得到清洗数q，以si为基准，保留si以及与si序号间隔为q的整数倍的参考数据集；对保留的多个参考数据集按时间顺序重新进行编号，得到多个清洗后数据集f1、f2、f3……ft，f1～ft分别对应服役第1年～服役第t年；

29、(4)根据清洗后数据集，分别建立与ecorr对应的多个第一钢筋锈蚀状态转移矩阵、与icorr对应的多个第二钢筋锈蚀状态转移矩阵、与ρ对应的多个第三钢筋锈蚀状态转移矩阵；

30、第一钢筋锈蚀状态转移矩阵表示：相邻两个年份期间，在不同混凝土含水率、不同温湿度条件下，ecorr数据所对应的分级情况发生转移的概率及其所对应的钢筋锈蚀状态；

31、第二钢筋锈蚀状态转移矩阵表示：相邻两个年份期间，在不同混凝土含水率、不同温湿度条件下，icorr数据所对应的分级情况发生转移的概率及其所对应的钢筋锈蚀状态；

32、第三钢筋锈蚀状态转移矩阵表示：相邻两个年份期间，在不同混凝土含水率、不同温湿度条件下，ρ数据所对应的分级情况发生转移的概率及其所对应的钢筋锈蚀状态；

33、ecorr数据的分级情况如下：

34、

35、icorr数据的分级情况如下：

36、

37、ρ数据的分级情况如下：

38、

39、分级情况发生转移即：相应电化学指标所对应的分级由前一分级转移至后面分级。

40、前述方案的原理是：本发明通过整合沿海混凝土结构耐久性多重环境时间相似(mets)方法、马尔可夫概率转移理论及矩阵相似性度量方法，实现利用在两个评估年获得的电化学指标(半电池电位ecorr、锈蚀电流密度icorr及混凝土电阻率ρ)确定结构当前的耐久性状态(未发生锈蚀、轻微锈蚀、严重锈蚀)。考虑到建立钢筋锈蚀状态转移矩阵的工作相对繁琐，本发明适应用于大型工程及重点工程耐久性状态研判工作中，针对以中、小跨径桥梁为代表的结构采用本发明研判耐久性状态可能缺乏经济性。

41、具体实施时，还可在前述方案基础上作如下拓展应用：根据置信矩阵所处的年份可以确定待评估结构与多个清洗后数据集的年份对应关系，进而就能对待评估对象的钢筋锈蚀状态发展至下一阶段所需的年数进行预测。

42、本发明的有益技术效果是：提出了一种混凝土结构钢筋锈蚀状态判断方法，该方案能够通过采集测试得到的电化学指标确定结构所处的耐久性阶段，并且，能够对待评估结构进入下一耐久性阶段所需的服役时间即结构的剩余耐久性寿命进行预测，消除了待检测结构材料特性，几何特性及测试环境对测试结果的影响。