[发明专利]基于大数据分析的海洋环境下混凝土强度演变预测方法

说明书

本发明涉及一种基于大数据分析的海洋环境下混凝土强度演变预测方法，方法包括：(1)聚类分析方法将不同水泥标准中的35种水泥划分为五大类水泥品种，有效地解决了水泥品种复杂繁多的问题；(2)离子浓度值选取了mol/L为单位统一了不同实验溶液中离子浓度和海洋暴露环境中的离子浓度值；(3)实际海洋环境下潮汐浪溅区的干湿循环制度与实验室干湿循环制度存在较大差异，本研究中创新性地运用了一种余弦函数拟合潮汐曲线的方法，通过算法实现了对不同海域的潮汐高度进行记录并拟合出余弦曲线，最终算出干燥、润湿时间，从而获得海洋环境中的干湿循环制度。在将数据进行处理后，进行机器学习预测海洋环境下混凝土的抗腐蚀性能。

技术领域

本发明属于大数据分析与材料学融合领域，涉及一种基于大数据分析的海洋环境下混凝土强度演变预测方法。

背景技术

在严酷的海洋环境下，由于多种影响因素的耦合作用，混凝土材料的力学性能劣化严重。目前，己有大量海洋环境下混凝土材料力学性能的研究，主要包括海洋实际暴露环境与实验室模拟海洋环境的研究。从文献资料的研究结果看，海洋环境影响因素复杂，且混凝土材料的种类繁多。

混凝土本身作为一种多孔材料，在海洋、髙盐碱地区和地下水等严酷环境长期服役过程中，环境因素的影响导致其力学性能劣化，耐久性能降低，服役寿命缩短，结构失效。

以海洋环境为例，目前国内外大量的海洋中服役的混凝土构件失效，受侵蚀劣化严重。海洋区域由下而上又依次分为海洋水下区域、海洋潮汐区、海洋浪溅区以及海洋大气区。侵蚀最为严重的是海洋潮汐区和浪溅区，主要原因是海水干湿循环、离子侵蚀等多种侵蚀机制的耦合作用，导致混凝土的劣化严重。

(1)干湿循环的侵蚀环境会导致多种形式的耦合破坏作用。干湿循环本身是个物理过程，在该过程中，混凝土构件不断受到冲刷而导致结构破坏，湿胀和干燥的过程又使得混凝土构件变形，水化产物溶出；此外，海洋中的离子随着水的迀移进入的混凝土内部，在干燥时结晶，产生结晶压力而导致混凝土劣化；除了结晶压力，侵蚀离子与混凝土内部水化产物反应生成膨胀性侵蚀产物也会导致混凝土膨胀开裂、剥落甚至结构失效；另外一些侵蚀性离子与水化产物反应生成一些几乎没有胶结能力的物质使混凝土结构松散破坏等等。

(2)海洋离子侵蚀也是导致混凝土性能劣化的重要因素。氯离子、硫酸根离子以及镁离子是海洋离子中除钠离子之外含量最多的离子，对于混凝土的性能影响机理各异，目前都有较为成熟的理论研究。氯离子对于混凝土构件的破坏主要分为对混凝土的破坏和对钢筋的侵蚀。对混凝土的腐蚀机理与阳离子种类有关，钙盐与水化产物反应生成膨胀性的3CaO·CaCl₂·15H₂O，膨胀应力作用会造成表面开裂；MgCl₂与Ca(OH)₂反应生成沉淀，降低混凝土碱性，最终导致混凝土分解腐蚀。在一定条件下，环境中的氯离子存在时与C₃A反应产生复盐，可以降低C₃A的含量从而降低硫酸盐膨胀侵蚀的危害。并且，该复盐在高碱度环境下才能稳定存在。氯离子对于钢筋的侵蚀机理主要包括破坏钝化膜，形成腐蚀电池，去极化作用和导电作用。硫酸根离子对于混凝土的侵蚀主要是通过生成膨胀性的产物钙矾石而导致混凝土构件失效。镁离子侵蚀主要是由于镁离子置换出水泥水化产物C-S-H凝胶中的钙离子，生成胶结能力较差的M-S-H，从而导致混凝土性能劣化。

我国由北向南依次是渤海、黄海、东海、南海四大海域，在海洋环境下服役的混凝土构件建成后的5至10年内都开始出现不同程度的劣化。而北方海工建筑的侵蚀程度相对南方海工建筑而言更为严重，主要是由于北方的气候寒冷，冻融循环破坏严重。南方的高温高湿环境中，混凝土的离子腐蚀速度加快，劣化也同样不容忽视。