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混凝土碳化深度與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系的灰色系統(tǒng)研究

混凝土碳化深度與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系的灰色系統(tǒng)研究

周維1,朱惠英2 ,馮慶革3, 盧凌寰2

11.廣西城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院,廣西 南寧 530022;2. 廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計院,廣西 南寧 5300023. 廣西大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,廣西 南寧 530004

 

 要:以灰色系統(tǒng)理論研究不同孔徑范圍對混凝土碳化深度的影響。結(jié)果表明,不同的孔徑范圍對混凝土碳化深度的影響是不同的,養(yǎng)護(hù)齡期為28d63d的混凝土的碳化深度與孔徑范圍為200500nm的關(guān)聯(lián)度最大,當(dāng)碳化時間延長到63d時,100200nm的關(guān)聯(lián)度升高了,表明隨著碳化時間的延長影響200nm以下的孔洞的變化加強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上建立了混凝土28d碳化深度與孔徑的灰色模型GM(1, 4)。

關(guān)鍵詞:混凝土;碳化;孔徑分布;灰色系統(tǒng)

 

1  前言

影響混凝土耐久性方面一個重要的因素是混凝土的碳化問題。根據(jù)混凝土碳化機(jī)理與混凝土的傳質(zhì)過程等理論方面的研究,影響混凝土傳質(zhì)的主要因素有:混凝土的微結(jié)構(gòu)特征、介質(zhì)的自身?xiàng)l件及外界條件[1]。

影響混凝土碳化的內(nèi)因主要有混凝土的堿含量和孔結(jié)構(gòu)。在微觀水平上,混凝土中孔的數(shù)量與孔徑分布是決定氣體擴(kuò)散的重要因素。龍廣成等[2]人的研究表明,混凝土中的孔隙率增大,混凝土的碳化深度也就不斷增加。國內(nèi)外學(xué)者對混凝土的碳化深度與碳化時間的平方根成正比的規(guī)律獲得了較為一致的認(rèn)可[3]。但是混凝土的碳化深度與孔結(jié)構(gòu)的相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究。

通過研究混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)如孔隙率等[4]可以大概推斷宏觀混凝土力學(xué)性能的好壞。目前測量材料孔徑分布的方法常用的是壓汞法(MIP),其基本原理是根據(jù)汞的表面積不隨壓力的變化而變化,通過記錄不同壓力下汞壓入試樣的體積變化,計算出試樣的孔隙率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

灰色系統(tǒng)是主要基于灰色關(guān)聯(lián)性分析和灰色模型的建立,其中灰色關(guān)聯(lián)性分析是鄧聚龍[5]提出一種少數(shù)據(jù)不確定因素分析方法,其原理是基于行為因子序列微觀或宏觀的幾何形狀的差別,以曲線間差值的大小,作為關(guān)聯(lián)程度的衡量尺度。其根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度?;疑P(guān)聯(lián)分析的目的在于尋求系統(tǒng)中各因素之間的主要關(guān)系,按發(fā)展趨勢作分析,找出影響系統(tǒng)的主要因素。在此基礎(chǔ)上,將隨機(jī)量當(dāng)作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色量,將無規(guī)律的原始數(shù)據(jù)經(jīng)生成后,變?yōu)檩^有規(guī)律的生成數(shù)列后再建模。

2  試驗(yàn)原材料及方法

2.1  試驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)組成和物理性質(zhì)見表1。粗骨料使用的是最大粒徑為20mm,密度為2.71g/cm3的碎石;細(xì)骨料使用模數(shù)為2.58,密度為2.65g/cm3II區(qū)河沙。減水劑采用瑞士西卡的聚羧基系高效減水劑,減水率為28%。

1  水泥的化學(xué)組成和物理性質(zhì)

化學(xué)組成

Loss

SiO2

Al2O3

CaO

Fe2O3

MgO

SO3

20.63

60.81

6.21

3.45

0.75

2.52

20.63

物理性質(zhì)

R80篩余/%

勃氏比表面積/(m2×kg-1)

標(biāo)準(zhǔn)稠度/%

初凝時間/min

終凝時間/min

抗壓強(qiáng)度/MPa

7d

28d

2.3

371

26

138

198

29.7

45.5










2.2  實(shí)驗(yàn)方法

為了獲得不同孔徑分布的混凝土,調(diào)節(jié)水灰比和摻合料摻量,混凝土的配比見表2。采用聚羧基系減水劑控制新拌混凝土的塌落度在180±10mm。碳化實(shí)驗(yàn)采用Φ100×180mm的圓形混凝土試件,養(yǎng)護(hù)至28d后,將每個試塊的端面中除一圓面外用環(huán)氧樹脂密封后,置于溫度為(20±1、相對濕度為70%、CO2濃度為20%的碳化試驗(yàn)箱中進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。放入碳化箱中碳化至28d63d后取出。在切片試件上取凈漿樣,剪成約5mm×5mm大小,立即用丙酮洗滌并浸泡24h,取出待丙酮充分揮發(fā)后放入50℃真空干燥箱中干燥7d。使用AUTOPORE IV 9500壓汞儀對樣品進(jìn)行測試,測試最大壓力為228MPa,孔測定范圍為5~600 000nm。

2  混凝土的配合比

編號

W/B

水泥

粉煤灰

礦渣

硅灰

總量

#1

0.51

178

350

0

0

0

1250

702

2480

#2

0.57

181

270

48

0

0

1250

702

2451

#3

0.33

142

366

65

0

0

1250

705

2527

#4

0.26

121

326

140

0

0

1250

703

2539

#5

0.56

183

261

0

65

0

1250

701

2461

#6

0.40

159

318

0

80

0

1250

704

2510

3  結(jié)果分析與討論

3.1  關(guān)聯(lián)度分析

因?yàn)楂@得的數(shù)據(jù)較少且相關(guān)性并不明顯,使用灰色關(guān)聯(lián)度分析混凝土碳化深度與不同的孔徑參數(shù)的相關(guān)性大小。以28d、63d的碳化深度為母序列,以相應(yīng)的不同范圍的孔徑分布為子序列,由此計算出不同的孔參數(shù)與混凝土碳化深度的關(guān)聯(lián)度(見表3)。

結(jié)果表明,不同孔徑范圍對碳化深度的影響是不同的。由關(guān)聯(lián)度的大小可知,對于28d碳化深度各關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋海?/span>200500nm 10002000nm5001000nm100200nm>2000nm孔隙率 平均孔徑<100nm)。

對于63d碳化深度各關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋海?/span>200500nm100200nm5001000nm10002000nm>2000nm孔隙率平均孔徑<100nm)。

由結(jié)果可知>2000nm<100nm對碳化深度關(guān)聯(lián)度小,可見CO2滲入時對>2000nm大孔的影響較小,主要影響1002000nm的孔徑范圍<100nm的影響較小。當(dāng)碳化時間延長后,100200nm孔徑范圍的關(guān)聯(lián)度提高,可見隨著碳化時間的延長影響200nm以下的孔洞變化的作用加強(qiáng)。

3  母序列和子序列表及碳化深度和孔徑范圍的關(guān)聯(lián)度

系列

序號

1

2

3

4

5

6

7

關(guān)聯(lián)度

28d

x01(k)

碳化深度/mm

18.80

26.80

10.40

1.10

0.50

3.40

1.90


x1(k)

孔隙率/%

13.40

13.50

11.40

11.00

13.70

13.00

12.40

0.788

x2(k)

平均孔徑/nm

43.70

45.10

42.50

35.50

43.10

31.80

36.50

0.504

x3(k)

<100nm

75.90

85.40

64.30

47.60

57.30

48.20

50.80

0.366

x4(k)

100~200nm

11.00

9.10

12.80

5.40

11.80

7.10

4.70

0.833

x5(k)

200~500nm

14.20

12.70

11.10

5.80

11.40

4.40

5.00

0.869

x6(k)

500~1000nm

5.20

9.20

4.00

2.10

5.00

1.50

2.90

0.853

X7(k)

1000~2000nm

4.90

8.20

3.60

1.60

4.00

1.30

2.50

0.856

X8(k)

>2000nm

21.70

22.10

18.50

19.40

21.90

18.20

23.00

0.788

63d

x01(k)

碳化深度/mm

25.30

60.00

13.30

2.50

0.80

3.50

7.20


x1(k)

孔隙率/%

12

10.2

9.9

10.1

12.6

12

11

0.751

x2(k)

平均孔徑/nm

40.4

42

38.2

30.5

38.7

30.9

22.8

0.590

x3(k)

<100nm

41.60

43.50

48.90

66.00

52.80

69.20

73.70

0.458

x4(k)

100~200nm

11.7

9.1

14.9

3.8

11.3

4.8

2.8

0.802

x5(k)

200~500nm

15.1

13.6

13.3

5.3

8.7

3.8

2.8

0.825

x6(k)

500~1000nm

4.7

7.8

5.4

2.1

3.1

1.8

1.5

0.790

X7(k)

1000~2000nm

6.1

7.9

3.7

2.1

2.7

1.4

1.5

0.788

X8(k)

>2000nm

20.8

18.2

13.9

20.7

21.4

19

17.7

0.751

3.3   GM(1,4)模型的建立

根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小,將28d碳化深度與孔徑范圍為200~500nm、500~1000nm1000~2000nm建立GM(1, 4)灰色模型,模型如下,原始數(shù)列及均化序列見表4

 

其差分模式如下,模型值及殘差見表5

 

4  模型原始數(shù)據(jù)列及均值化序列

系列

1

2

3

4

5

6

7

原始數(shù)據(jù)

28d碳化深度

x1

0.80

2.50

3.50

7.20

13.30

25.30

60.00

200500nm

x2

8.70

5.30

3.80

2.80

13.30

15.10

13.60

5001000nm

x3

3.10

2.10

1.80

1.50

5.40

4.70

7.80

10002000nm

x4

2.70

2.10

1.40

1.50

3.70

6.10

7.90

均化

28d碳化深度

x1

0.05

0.16

0.22

0.45

0.83

1.57

3.73

200500nm

x2

0.973

0.593

0.425

0.313

1.487

1.688

1.521

5001000nm

x3

0.822

0.557

0.477

0.398

1.432

1.246

2.068

10002000nm

x4

0.744

0.579

0.386

0.413

1.020

1.681

2.177

5  模型值及相對誤差

k

1

2

3

4

5

6

7

0.80

1.20

3.52

8.13

13.13

25.69

59.77

0.80

2.50

3.50

7.20

13.30

25.30

60.00

0.00

1.30

-0.02

-0.93

0.17

-0.39

0.23

0.00

108.31

-0.49

-11.47

1.33

-1.51

0.39

4   結(jié)論

1 不同的孔徑范圍對混凝土碳化深度的影響是不同的;

2 對于碳化28d63d的混凝土碳化深度,孔徑范圍為200~500nm的關(guān)聯(lián)度最大,當(dāng)碳化時間延長到63d時,100200nm的關(guān)聯(lián)度升高了,表明隨著碳化時間的延長影響200nm以下的孔洞的變化加強(qiáng);

(3)        在灰色關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上建立了混凝土28d碳化深度與孔徑的灰色模型GM(1,4)

致謝

感謝廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃(桂攻科0799002-2)對本項(xiàng)目的支持。

 

 

參考文獻(xiàn):

[1] 萬小梅,張芳如,趙鐵軍.混凝土的傳值過程及其理論[J].煤炭工程,2001202):73-77

[2] 龍廣成,謝友均,尹健,馬昆林.摻礦物摻合料結(jié)構(gòu)混凝土性能與其孔隙率的關(guān)系研究[J] .鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2006,33):65-68.

[3] Ho D.W.S, Lewis R.K.The carbonation of conctete and its prediction[J].Cement and Concrete research,1987,17(3):489-504

[4] Brandt. A. M, Cement based composites: materials, mechanical properties and performance [M], London, E & FN Spon, 1995: 422.

[5] 鄧聚龍灰色控制系統(tǒng) [M]. 武漢:華中工學(xué)院出版社, 1985: 348-355.

 

作者簡介:周維,1965年生,本科,高級工程師?,F(xiàn)工作于廣西城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院。主要研究方向?yàn)椋壕G色高性能混凝土、綠色建材及節(jié)能建材研發(fā)等。