一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备，该方法首先选择氯离子的扩散过程作为研究对象，获取不同时刻氯离子浓度随空间变化的试验数据，然后建立变扩散系数分形导数模型，推导分形导数模型解析解，结合试验数据，确定变扩散系数分形导数模型的参数，量化氯离子反常扩散的浓度曲线，预测氯离子浓度的变化规律，指导工程实际应用。本发明专利技术预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法中，采用了时间幂律依赖的扩散系数，解析解清晰，计算简便，预测精度高，具有广泛的工程应用背景，可以为混凝土结构的防护和设计提供有效的指导作用。的指导作用。的指导作用。

【技术实现步骤摘要】
一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及混凝土耐久性检测技术，特别是涉及一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]混凝土材料以其低廉的造价、较高的抗冲击性、柔韧性和耐火性能成为应用最广泛的建筑材料。因此，对其耐久性和使用寿命的研究已成为热门，在当今的土木工程中，混凝土结构的耐久性并不理想。氯离子主要通过扩散、渗透和毛细管作用侵蚀混凝土表面，一般来说，氯离子侵蚀是多种入侵技术混合作用的结果，例如结合，对流，电迁移效应。然而，在许多情况下，扩散被认为是入侵的主要方式。水泥胶凝材料在混凝土中的不断水化，优化了混凝土的孔隙结构，增加了材料的密实度，降低了内部渗透性，从而降低了氯离子的扩散速率。由于水泥水化过程时间较长，往往一直到结构设计使用寿命结束，氯离子在混凝土中的输运率会随着暴露时间的增加而不断降低，说明氯离子在混凝土中的扩散具有时间依赖性。菲克第二定律使用了恒定的扩散速率，高估了氯离子在混凝土中的扩散影响。
[0003]分形导数模型具有简单、准确的特点，分形导数模型也被证明是足够描述良好的试验数据与拓展高斯分布。现有多项专利技术专利技术也涉及到氯离子在混凝土中的反常扩散中分形导数模型问题，如专利技术专利CN201710140574.2“一种氯离子在混凝土中反常扩散动态数据重构的分形导数模拟方法”采用数值计算的方法去测算氯离子在混凝土中浓度的变化，该方法未考虑到氯离子扩散系数的时间尺度关联；专利技术专利CN201711187430.9“氯离子在混凝土中反常扩散的变阶数分形导数模拟方法”同样采用数值计算的方法去测算氯离子在混凝土中的浓度变化，与前者相比，该专利提出了分形变阶数导数的新方法，但未考虑到扩散系数的时间尺度关联。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的一个目的是提供一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，采用变扩散系数分形导数模型来预测氯离子在混凝土中分布规律，使扩散作为主要的运输机制。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的系统。
[0006]技术方案：本专利技术的一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，包括以下步骤：
[0007]S1、选定具体混凝土中氯离子扩散过程作为研究对象，对混凝土块进行浸泡试验，获得在不同浸泡时刻下氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据；
[0008]S2、建立变扩散系数分形导数模型，推导该模型的解析解；
[0009]变扩散系数分形导数模型为：
[0010][0011]其中，u(x,t)为氯离子在位置x和时间t下的浓度，0<α≤1为时间分形导数的阶数，
D0t
‑
m
为时间幂律依赖的扩散系数，D0为扩散系数，m为时间依赖性常数；根据分形导数和偏微分方程的基本性质，附加时间初始条件u(x,t＝0)＝0，空间边界条件u(x＝0,t)＝c0，连续性条件x
→
∞时，推导变扩散系数分形导数模型的解析解为：
[0012][0013]其中，c0为混凝土表面初始浓度，erfc为互补误差函数；
[0014]S3、结合步骤S1中不同浸泡时刻下氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据，拟合得到步骤S2中变扩散系数分形导数模型的参数，采用模型的解析解量化步骤S1中的试验数据；
[0015]S4、根据步骤S3中拟合得到的变扩散系数分形导数模型参数的值，代入步骤S2中的解析解，改变时间尺度，预测该模型下氯离子扩散浓度随空间变化规律，指导工程实际应用。
[0016]进一步的，步骤S1中试验数据为氯离子在混凝土中扩散浓度随深度增加而衰减的变化特征。
[0017]进一步的，步骤S3采用非线性最小二乘法拟合变扩散系数分形导数模型的参数D0、α和m。
[0018]进一步的，步骤S3中采用变扩散系数分形导数模型的解析解拟合步骤S1中获得的不同时刻氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据，得到试验数据的氯离子扩散浓度随空间变化曲线。
[0019]进一步的，步骤S4还包括将预测的氯离子扩散浓度随空间变化规律与新时间尺度下的试验数据以及传统整数阶模型下所预测的氯离子扩散浓度随空间变化规律曲线做对比，评价预测的可行性。
[0020]本专利技术的一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的系统，包括：
[0021]数据采集模块，用于采集研究对象的不同时刻氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据；
[0022]模型建立模块，用于建立变扩散系数分形导数模型，并推导该模型的解析解；
[0023]参数拟合模块，结合不同时刻氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据，拟合变扩散系数分形导数模型的参数；
[0024]试验数据拟合模块，采用模型的解析解拟合不同时刻氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据，得到试验数据的氯离子扩散浓度随空间变化曲线；
[0025]预测模块，根据拟合得到的变扩散系数分形导数模型参数的值，以及模型的解析解，预测氯离子扩散浓度随空间变化规律；
[0026]验证模块，将预测的氯离子扩散浓度随空间变化规律与试验数据的氯离子扩散浓度随空间变化曲线对比，评价预测的可行性。
[0027]本专利技术的一种装置设备，包括存储器和处理器，其中：
[0028]存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
[0029]处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行上述一种预测氯离子在混凝土中反
常扩散的方法的步骤。
[0030]本专利技术的一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现上述一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法的步骤。
[0031]有益效果：与现有技术相比，本专利技术基于一种预测氯离子在混凝土中反常扩散过程作为研究对象，获取不同时刻氯离子浓度随空间变化的试验数据，然后建立变扩散系数分形导数模型，推导分形导数模型解析解，结合试验数据，确定变扩散系数分形导数模型的参数，量化氯离子反常扩散的浓度曲线，预测氯离子浓度的变化规律。本专利技术方法中，采用了时间幂律依赖的扩散系数，解析解清晰，计算简便，预测精度高，具有广泛的工程应用背景，可以为混凝土结构的防护和设计提供有效的指导作用。
附图说明
[0032]图1为本专利技术方法流程图；
[0033]图2为本专利技术方法描述试验一100天氯离子浓度的衰减图；
[0034]图3为本专利技术方法预测试验一200天氯离子浓度的衰减图；
[0035]图4为本专利技术方法描述试验二30天氯离子浓度的衰减图；
[0036]图5为本专利技术方法预测试验二120天氯离子浓度的衰减图；
[0037]图6为本专利技术方法预测试验二200天氯离子浓度的衰减图。
具体实施方式
[0038]下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。
[0039]分形导数与分数阶导数相比，前者在数学上的数学概念更简单，是一个局本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选定具体混凝土中氯离子扩散过程作为研究对象，对混凝土块进行浸泡试验，获得在不同浸泡时刻下氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据；S2、建立变扩散系数分形导数模型，推导该模型的解析解；变扩散系数分形导数模型为：其中，u(x,t)为氯离子在位置x和时间t下的浓度，0<α≤1为时间分形导数的阶数，D0t
‑
m
为时间幂律依赖的扩散系数，D0为扩散系数，m为时间依赖性常数；根据分形导数和偏微分方程的基本性质，附加时间初始条件u(x,t＝0)＝0，空间边界条件u(x＝0,t)＝c0，连续性条件x
→
∞时，推导变扩散系数分形导数模型的解析解为：其中，c0为混凝土表面初始浓度，erfc为互补误差函数；S3、结合步骤S1中不同浸泡时刻下氯离子扩散浓度随空间变化的试验数据，拟合得到步骤S2中变扩散系数分形导数模型的参数，采用模型的解析解量化步骤S1中的试验数据；S4、根据步骤S3中拟合得到的变扩散系数分形导数模型参数的值，代入步骤S2中的解析解，改变时间尺度，预测该模型下氯离子扩散浓度随空间变化规律，指导工程实际应用。2.根据权利要求1所述的一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，其特征在于，步骤S1中试验数据为氯离子在混凝土中扩散浓度随深度增加而衰减的变化特征。3.根据权利要求1所述的一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，其特征在于，步骤S3采用非线性最小二乘法拟合变扩散系数分形导数模型的参数D0、α和m。4.根据权利要求1所述的一种预测氯离子在混凝土中反常扩散的方法，其特征在于，步骤S3中采用变扩散系数分形导数模...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁英杰，严晟杰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：