一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统与预警方法

本发明涉及水工混凝土结构修复检测，尤其涉及一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统与预警方法。

背景技术：

1、水工混凝土结构是水利工程的核心组成部分，承担着挡水、输水、泄洪等多重功能。我国已建成的水库大坝、水闸、渡槽、输水隧洞等水工建筑物数量庞大，其中大量结构已运行数十年。长期处于水流冲刷、冻融循环、干湿交替、水质侵蚀等复杂水环境中，水工混凝土结构表面极易出现开裂、剥蚀、酥松、磨损等病害。这些病害不仅削弱结构的承载能力和耐久性，还会加速内部钢筋锈蚀，严重时甚至威胁工程整体安全。为延长水工混凝土结构的使用寿命，定期开展修复加固已成为工程界的共识。

2、在众多修复材料中，碱激发再生混凝土因低碳排放、早期强度高、抗侵蚀性能优良而受到关注。该材料以粉煤灰、矿渣粉等工业固废为前驱体，以建筑垃圾破碎得到的再生骨料替代天然骨料，在实现固废资源化利用的同时降低工程碳足迹。然而，再生骨料表面附着的老旧砂浆层孔隙率高、强度低，且与新拌浆体之间易形成薄弱的双重界面过渡区，导致碱激发再生混凝土与既有基体混凝土之间的界面粘结性能显著劣化。粘结性能不足会使修复层在受力时发生界面剥离，修复结构难以满足水工运行要求。因此，需要通过改性手段提升碱激发再生混凝土的界面粘结能力。

3、而环氧树脂作为一种性能优良的聚合物改性材料，可与碱激发体系形成有机-无机复合网络。适量环氧树脂能够填充再生骨料表面孔隙和界面微裂缝，细化孔结构，并在旧混凝土表面形成强粘附性的聚合物膜，从而改善新旧混凝土之间的粘结状态。但环氧树脂掺量过高时又会引入气泡、阻碍碱激发反应，导致粘结性能下降。因此，环氧树脂掺量与再生骨料替代率之间存在协同与制约并存的复杂关系，需要建立可靠的评价方法来指导实际工程中的材料配比选择广。

4、目前，评价新旧混凝土界面粘结性能的主流方法仍以破坏性力学试验为主，例如粘结劈拉试验、粘结直拉试验、粘结抗折试验和粘结斜剪试验。这些方法需要在施工现场制作试件或钻取芯样，运回实验室进行加载测试，耗时长、效率低，且无法在修复施工过程中实时获取界面粘结状态的反馈信息。更为关键的是，传统试验仅能给出破坏时的极限强度值，无法揭示界面损伤的演化过程，也无法预判修复结构在服役期间的界面退化趋势，因此本发明提出一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统与预警方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提出一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统与预警方法，本发明基于声发射信号实时判断修复界面损伤模式，并利用神经网络模型快速预测粘结强度，同时在强度不足时发出预警，继而能解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统，包括以下模块：

3、声发射传感模块，用于贴附于基体混凝土表面，并采集修复界面在受载过程中产生的声发射信号；

4、信号采集模块，用于采集声发射信号，并将其转换为数字声发射信号；

5、特征提取模块，用于从数字声发射信号提取累计振铃计数作为特征参数；

6、损伤评价模块，用于根据特征参数随时间的变化趋势判断修复界面的损伤模式，其中损伤模式包含脆性破坏和延性破坏；

7、粘结强度预测模块，用于通过预训练完成的神经网络模型，以修复材料的至少一个组成参数为输入变量，以修复界面的粘结强度为输出变量，计算获得粘结强度预测值。

8、进一步改进在于：所述信号采集模块包含放大单元、滤波单元和模数转换单元。

9、进一步改进在于：所述损伤评价模块判断损伤模式的具体规则为：当累计振铃计数曲线的斜率在加载后期呈陡增形态时判断为脆性破坏，当累计振铃计数曲线的斜率在加载中期呈平稳上升形态时判断为延性破坏。

10、进一步改进在于：所述神经网络模型为前馈神经网络模型，且输入变量包含环氧树脂掺量、再生骨料替代率、环氧树脂掺量的平方项、再生骨料替代率的平方项以及环氧树脂掺量与再生骨料替代率的乘积项，所述输出变量包含粘结劈拉强度、粘结直拉强度、粘结抗折强度和粘结斜剪强度。

11、一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价与预警方法，包括以下步骤：

12、步骤一：将声发射传感器贴附于基体混凝土表面；

13、步骤二：对修复界面施加荷载，采集修复界面产生的声发射信号；

14、步骤三：从声发射信号中提取累计振铃计数，然后根据累计振铃计数随时间的变化曲线形态判断修复界面的损伤模式；

15、步骤四：获取修复材料的组成参数，并将其作为输入变量输入神经网络模型内，通过计算获得粘结强度预测值；

16、步骤五：将粘结强度预测值与预设阈值进行比较，当粘结强度预测值低于预设阈值时发出预警信号。

17、进一步改进在于：所述步骤三中，判断损伤模式的具体规则为：当累计振铃计数曲线的斜率在加载后期呈陡增形态时判断为脆性破坏，当累计振铃计数曲线的斜率在加载中期呈平稳上升形态时判断为延性破坏。

18、进一步改进在于：所述步骤四中，神经网络模型为前馈神经网络模型，所述输入变量包含环氧树脂掺量、再生骨料替代率、环氧树脂掺量的平方项、再生骨料替代率的平方项以及环氧树脂掺量与再生骨料替代率的乘积项，所述输出变量包含粘结劈拉强度、粘结直拉强度、粘结抗折强度和粘结斜剪强度。

19、进一步改进在于：所述步骤五中，预设阈值包含粘结劈拉强度阈值、粘结直拉强度阈值、粘结抗折强度阈值和粘结斜剪强度阈值，当任一项粘结强度预测值低于对应的预设阈值时触发预警。

20、本发明的有益效果为：

21、（1）本发明通过声发射传感模块实时采集修复界面在受载过程中产生的声发射信号，无需钻取芯样或制作试件运回实验室，可在水工混凝土修复施工现场直接完成粘结强度快速评价，解决了现有破坏性力学试验耗时长、效率低、无法实时获取界面粘结状态反馈信息的技术问题。

22、（2）本发明通过提取累计振铃计数并分析其随时间的变化曲线形态，利用加载中期平稳上升与加载后期陡增的斜率特征定量区分延性破坏与脆性破坏模式，能够揭示界面从微裂纹萌生到最终破坏的全过程损伤演化规律，解决了传统试验仅给出极限强度值、无法揭示界面损伤演化过程的技术问题。

23、（3）本发明采用前馈神经网络模型，以环氧树脂掺量、再生骨料替代率及其平方项、交互项为输入变量，以粘结劈拉强度、粘结直拉强度、粘结抗折强度和粘结斜剪强度为输出变量，经留一交叉验证训练后实现高精度预测，解决了现有预测模型未针对碱激发再生混凝土修复界面建立专用模型的技术问题。

1.一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统，其特征在于：包括以下模块：

2.根据权利要求1所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统，其特征在于：所述信号采集模块包含放大单元、滤波单元和模数转换单元。

3.根据权利要求1所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统，其特征在于：所述损伤评价模块判断损伤模式的具体规则为：当累计振铃计数曲线的斜率在加载后期呈陡增形态时判断为脆性破坏，当累计振铃计数曲线的斜率在加载中期呈平稳上升形态时判断为延性破坏。

4.根据权利要求1所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统，其特征在于：所述神经网络模型为前馈神经网络模型，且输入变量包含环氧树脂掺量、再生骨料替代率、环氧树脂掺量的平方项、再生骨料替代率的平方项以及环氧树脂掺量与再生骨料替代率的乘积项，所述输出变量包含粘结劈拉强度、粘结直拉强度、粘结抗折强度和粘结斜剪强度。

5.根据权利要求1所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价与预警方法，应用于权利要求1-4任意一项所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价系统，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价与预警方法，其特征在于：所述步骤三中，判断损伤模式的具体规则为：当累计振铃计数曲线的斜率在加载后期呈陡增形态时判断为脆性破坏，当累计振铃计数曲线的斜率在加载中期呈平稳上升形态时判断为延性破坏。

7.根据权利要求5所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价与预警方法，其特征在于：所述步骤四中，神经网络模型为前馈神经网络模型，所述输入变量包含环氧树脂掺量、再生骨料替代率、环氧树脂掺量的平方项、再生骨料替代率的平方项以及环氧树脂掺量与再生骨料替代率的乘积项，所述输出变量包含粘结劈拉强度、粘结直拉强度、粘结抗折强度和粘结斜剪强度。

8.根据权利要求5所述的一种水工混凝土修复界面粘结强度电学快速评价与预警方法，其特征在于：所述步骤五中，预设阈值包含粘结劈拉强度阈值、粘结直拉强度阈值、粘结抗折强度阈值和粘结斜剪强度阈值，当任一项粘结强度预测值低于对应的预设阈值时触发预警。