【技术实现步骤摘要】
本申请涉及混凝土碳化深度预测，特别是涉及基于matlab和comsol联合的混凝土碳化深度预测方法。
技术介绍
1、在现代建筑工程中，混凝土作为最广泛使用的建筑材料之一，其性能直接影响到建筑结构的安全性和耐久性。随着建筑技术的不断发展，对混凝土的质量要求日益提高，特别是在耐久性方面，碳化、氯离子侵蚀和冻融循环等因素对混凝土的长期使用性能构成了严峻挑战。
2、其中，碳化是空气中的co2通过孔隙裂缝扩散进入混凝土中与水化产物反应的过程，会降低混凝土的碱性并生成多种腐蚀产物，使混凝土膨胀，进而出现更多的孔隙裂缝，从而增加钢筋暴露在空气中遭到锈蚀的风险。因此，准确预测混凝土的碳化深度对于评估其耐久性至关重要。
3、混凝土是包括骨料和砂浆的多相模型，但目前对于混凝土的碳化预测技术多是简单的一维模型和数值模拟，无法精确地模拟co2在混凝土中扩散并完成碳化反应的过程。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供基于matlab和comsol联合的混凝土碳化深度预测方法。
2、第一方面，本申请提供了基于matlab和comsol联合的混凝土碳化深度预测方法，方法包括：
3、获取混凝土的工况数据以及混凝土的试验碳化深度；工况数据包括水灰比、环境温度和环境湿度；
4、将工况数据输入混凝土碳化仿真模型，得到混凝土任一时刻的截面co2浓度分布图；混凝土碳化仿真模型为通过matlab和comsol联合构建的输入为工况数据对应的物质传递参
5、根据试验碳化深度和截面co2浓度分布图，得到目标co浓度；目标co2浓度为指示混凝土截面的任一位置碳化反应完成的指标；
6、根据目标co2浓度和截面co2浓度分布图，预测混凝土任一时刻的碳化深度区间。
7、在其中一个实施例中，通过matlab和comsol联合构建混凝土碳化仿真模型的步骤包括：
8、通过matlab生成混凝土截面的图像并在图像中随机生成二维骨料，得到混凝土随机骨料二维模型；
9、在comsol中基于材料几何模型、物质传递函数和物质传递参数确定混凝土碳化仿真模型；材料几何模型包括混凝土随机骨料二维模型；物质传递函数包括混凝土co2浓度分布式子；混凝土co2浓度分布式子用于求解混凝土截面的各个位置在任一时刻的co2浓度值；物质传递参数包括co2扩散系数和碳化反应速率。
10、在其中一个实施例中，通过matlab生成混凝土截面的图像并随机生成二维骨料，得到混凝土随机骨料二维模型的步骤包括：
11、设定混凝土截面的图像的形状和大小、二维骨料的生成边界和二维骨料的三个级配；
12、在二维骨料的生成边界内生成二维椭圆形骨料；二维椭圆形骨料的粒径和位置分布通过蒙特卡洛法随机生成，并且各级配内的二维椭圆形骨料面积之和根据富勒级配理论得到；
13、根据预设终止条件终止二维椭圆形骨料的生成，并使用二维内切多边形骨料替换对应二维椭圆形骨料，得到混凝土随机骨料二维模型；二维内切多边形骨料通过在对应二维椭圆形骨料中生成内切多边形得到。
14、在其中一个实施例中，预设终止条件包括骨料的级配、最小骨料间距和二维骨料面积比；根据预设终止条件终止二维椭圆形骨料的生成的步骤包括：
15、在每次随机生成二维椭圆形骨料后进行边界判断和相交冲突判断，若二维椭圆形骨料存在超过生成边界或与其他二维椭圆形骨料相交冲突，则删除本次生成的二维椭圆形骨料并重新生成二维椭圆形骨料；
16、若二维椭圆形骨料未超过生成边界且不与其他二维椭圆形骨料相交冲突，则判断已生成的二维椭圆形骨料是否满足预设终止条件，若满足，则终止二维椭圆形骨料的生成。
17、在其中一个实施例中，方法还包括：
18、基于质量守恒定律得到混凝土内存留co2量；式子如下：
19、d＝din-dout-dr
20、其中，d表示混凝土内存留co2量；din表示扩散进入混凝土的co2量；dout表示扩散离开混凝土的co2量；dr表示混凝土中碳化反应消耗的co2量；
21、在混凝土内部选取一个二维单元，二维单元的左边长和下边长分别为dx和dy，混凝土内存留co2量的式子转换为：
22、ddt＝dxdydt+dydxdt-dx+dxdydt-dy+dydxdt-rdxdydt
23、其中，dx和dy表示由x方向与y方向扩散进入混凝土的co2量；dx+dx和dy+dy表示由x方向与y方向离开混凝土的co2量；r表示单位体积内碳化反应速率，t表示碳化反应时间；
24、同时，混凝土内存留co2量的式子又可表示为：
25、ddt＝cdxdy
26、其中，c表示co2浓度；
27、因此可以得到如下式子：
28、cdxdy＝dxdydt+dydxdt-dx+dxdydt-dy+dydxdt-rdxdydt
29、基于菲克第二定律，引入co2扩散系数，且设置混凝土为各向同性材料，并将混凝土内存留co2量的式子转换为混凝土碳化反应控制方程；混凝土碳化反应控制方程如下：
30、
31、其中，cco2表示co2扩散系数；r表示单位体积内碳化反应速率；t表示碳化反应时间；
32、引入边界初始条件，增加边界初值，得到微分方程；微分方程如下：
33、
34、其中，ce表示外部环境下的co2浓度；b表示混凝土结构边界；
35、根据变分原理进一步得到泛函方程；泛函方程如下：
36、
37、其中，s表示求解域，即混凝土面积；
38、将求解域s划分n个单元，则共有n+1个节点，各节点浓度值表示为ci，其中i为节点编号，则可得到任一单元内的co2浓度；任一单元内的co2浓度式子如下：
39、
40、其中，ci表示第i个单元节点上的co2浓度值；i表示节点编号；ni表示与ci相对应的形函数；
41、泛函方程转换得到混凝土co2浓度分布式子；混凝土co2浓度分布式子如下：
42、
43、其中，∏[]表示累项相乘。
44、在其中一个实施例中，混凝土碳化仿真模型的边界初始条件包括左边界为20％的co2初始浓度边界，右边界为0的co2初始浓度边界；骨料的co2扩散系数为0。
45、在其中一个实施例中，根据试验碳化深度和截面co2浓度分布图，得到目标co2浓度的步骤包括：
46、获取混凝土在标准快速碳化试验中第14天的碳化深度作为试验碳化深度；
47、在混凝土第14天的截面co2浓度分布图中，得到试验碳化深度对应的co2浓度作为目标co2浓度。
48、在其中一个实施例中，根据目标co2浓度和截面co2浓本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于MATLAB和COMSOL联合的混凝土碳化深度预测方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过MATLAB和COMSOL联合构建所述混凝土碳化仿真模型的步骤包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过MATLAB生成混凝土截面的图像并随机生成二维骨料，得到混凝土随机骨料二维模型的步骤包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设终止条件包括所述骨料的级配、最小骨料间距和二维骨料面积比；所述根据预设终止条件终止所述二维椭圆形骨料的生成的步骤包括：
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述混凝土碳化仿真模型的边界初始条件包括左边界为20％的CO2初始浓度边界，右边界为0的CO2初始浓度边界；骨料的CO2扩散系数为0。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述试验碳化深度和所述截面CO2浓度分布图，得到目标CO2浓度的步骤包括：
8.根据权利要求1所述的方法
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，方法还包括：
10.基于MATLAB和COMSOL联合的混凝土碳化深度预测装置，其特征在于，所述装置包括：
...【技术特征摘要】
1.基于matlab和comsol联合的混凝土碳化深度预测方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过matlab和comsol联合构建所述混凝土碳化仿真模型的步骤包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过matlab生成混凝土截面的图像并随机生成二维骨料，得到混凝土随机骨料二维模型的步骤包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设终止条件包括所述骨料的级配、最小骨料间距和二维骨料面积比；所述根据预设终止条件终止所述二维椭圆形骨料的生成的步骤包括：
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
6....
【专利技术属性】
技术研发人员：杜婷，蔡永嘉，蒋慧，黄戡，曲鹏宇，肖剑，
申请(专利权)人：广州航海学院，
类型：发明
国别省市：
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