大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的多因素耦合模型

廖靈青 唐瀅 彭雪雁

摘 要：考慮混凝土主要配合比參數(shù)水膠比、粉煤灰摻量和礦粉摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)甄選原則合理地選取47組28天齡期的大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的RCM法試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過多元回歸方法分析各影響因素與混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，據(jù)此建立了大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的多因素耦合預(yù)測模型。研究結(jié)果表明，本文建立的多因素模型能較好地反映水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量等因素與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的耦合關(guān)系，具有較好的可信度與適用性。

關(guān)鍵詞：大摻量高性能混凝土；氯離子擴(kuò)散系數(shù)；多因素耦合模型；RCM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.125

1 引言

對于海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，氯離子侵入到混凝土內(nèi)部，使得混凝土中鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞而發(fā)生銹蝕，最終導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂、剝落，混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生耐久性破壞[1-2]。因此，氯鹽環(huán)境下混凝土的抗氯離子滲透性能是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素，而評價(jià)混凝土抗氯離子滲透性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)則是氯離子擴(kuò)散系數(shù)[3]。

目前我國多數(shù)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工指南采用RCM法來測定氯離子擴(kuò)散系數(shù)。RCM法也稱為快速氯離子遷移系數(shù)法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)儀器設(shè)備簡單、易于操作、測試周期短、試驗(yàn)速度快等，是國內(nèi)外使用最普遍的評定混凝土抗氯離子滲透性能的快速試驗(yàn)方法之一。

已有的研究成果顯示，混凝土的水膠比和粉煤灰、礦粉等礦物摻合料對氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響顯著。近年來，對于大摻量礦物摻合料的高性能混凝土研究較多，且結(jié)果表明，摻合料的摻量超過40%時會對混凝土性能有明顯影響。因此，研究學(xué)者通常把水膠比和礦物摻合料摻量用作氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測模型的基本參數(shù)，并依此分析混凝土抗氯離子滲透性能與這些參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。然而，目前大多數(shù)研究是針對普通摻量的混凝土中某個或某兩個因素而建立的氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型，關(guān)于大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)多因素模型研究相對較少。

為了建立適用性更廣泛的大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)多因素計(jì)算模型，本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，收集了47組國內(nèi)不同課題組利用RCM試驗(yàn)測定得到的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4-6]。其中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的甄選原則有：（1）混凝土原材料中，水泥主要選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料采用粉煤灰和礦粉，且礦物摻合料的總量占水泥用量的比例為大摻量（40%～70%），水膠比的范圍為0.31～0.38；（2）混凝土試件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為28天，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測定方法是RCM法。在此基礎(chǔ)上，通過多元回歸方法，分析了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量等主要影響因素之間的耦合關(guān)系，建立了大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的多因素耦合模型，并對其擬合效果進(jìn)行分析。

2 大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的多因素耦合預(yù)測模型的建立

以水膠比W/B、粉煤灰摻量RFA、礦粉摻量RSG為自變量（RFA和RSG均為摻量的百分?jǐn)?shù)），28天齡期大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)D28為因變量，并假定自變量與因變量間為耦合關(guān)系。由此可建立大摻量高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量之間的耦合模型：

（1）

令；其中，b0、b1 、b2、 b3 、b4、b5為待定系數(shù)。則耦合預(yù)測模型為：

（2）

令，則式（2）可簡化為：

（3）

為確保建立的氯離子擴(kuò)散系數(shù)多因素耦合模型的工程適用性，本文遵循引言部分?jǐn)⑹龅脑囼?yàn)數(shù)據(jù)甄選原則，收集了47組國內(nèi)不同課題組的RCM法試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在簡化的線性關(guān)系式（3）的基礎(chǔ)上，通過最小二乘法對氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量等因素之間的耦合模型進(jìn)行多元線性回歸分析，得到正規(guī)方程組：

（4）

將收集整理后的47組試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（4）中，可得方程組（5）：

（5）

求解可得：

[b0 b1 b2 b3 b4 b5]=[-16.2316 61.8892 0.2145 0.3016 -0.4399 -0.9421] （6）

因此，根據(jù)式（6）得到的多元線性回歸模型：

（7）

即氯離子擴(kuò)散系數(shù)的多因素耦合模型：

（8）

式中，D28為28天齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的耦合模型計(jì)算值（×10-12m2/s）。

3 耦合模型擬合效果分析

根據(jù)公式（8）的氯離子擴(kuò)散系數(shù)多因素耦合模型，再同文獻(xiàn)[4-6]中復(fù)摻為粉煤灰和礦粉的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到的擬合結(jié)果如圖1所示。圖中各形狀數(shù)據(jù)點(diǎn)為收集的47組氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)值和模型擬合值數(shù)據(jù)點(diǎn)，參考直線以試驗(yàn)值與擬合值相等的直線表示，各形狀點(diǎn)越靠近參考直線表明模型的擬合效果越好。再根據(jù)通用公式：模型計(jì)算值=1.645變異系數(shù)試驗(yàn)值，可以分別畫出計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變異系數(shù)為0.3，耦合預(yù)測模型保證率為95%時的上下限參考線。

從圖1可看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較均勻地分布于參考直線的上下兩側(cè)，并都包含于變異系數(shù)為0.3的上下限范圍內(nèi)，表明本文建立的氯離子擴(kuò)散系數(shù)耦合模型計(jì)算值與收集到的47組試驗(yàn)值吻合程度高，擬合效果良好。

4 結(jié)論

本文基于甄選的多組大摻量高性能混凝土RCM試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法的原理建立了大摻量高性能混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量之間的多因素耦合預(yù)測模型。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，該預(yù)測模型能合理地?cái)M合甄選的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并簡易地表達(dá)了復(fù)摻有粉煤灰和礦粉的大摻量混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與各影響因素之間的耦合關(guān)系。

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基金項(xiàng)目：

1.2017年度廣西科技大學(xué)科學(xué)基金項(xiàng)目：大摻量礦物摻合料混凝土的

制備及耐久性能研究，項(xiàng)目編號：校科自1711313，2017.11～2020.11

2.2018年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目：大摻量礦物摻合料混凝土的制備及耐久性能研究，2018.04～2019.05

作者簡介：廖靈青（1992-），女，瑤族，廣西桂林人，碩士研究生，助教，研究方向：混凝土耐久性。