基于擬合方法的混凝土碳化指標(biāo)研究

華 清

(江西鐵山垅鎢業(yè)有限公司，江西 于都 342307)

混凝土材料由于其良好的受力與可塑性能，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)高層建筑、大跨橋梁、隧洞工程和港口與航道等項(xiàng)目中[1,2]。近年來(lái)由于環(huán)境問(wèn)題凸顯，外部環(huán)境對(duì)混凝土的侵蝕影響愈演愈烈，工程結(jié)構(gòu)的各類(lèi)損傷問(wèn)題層出不窮，甚至引發(fā)了諸多事故[3,4]。分析其原因，很大一部分是由于結(jié)構(gòu)本身混凝土材料的碳化而導(dǎo)致的[5,6]。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文從混凝土的碳化機(jī)理入手，對(duì)影響混凝土碳化的各類(lèi)影響因素進(jìn)行分析。參考現(xiàn)有的分析方法，并引入多項(xiàng)式[7，8]，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]等擬合方法，對(duì)混凝土的碳化深度指標(biāo)進(jìn)行研究分析，對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命與材料的應(yīng)用性具有一定的借鑒。

1 碳化機(jī)理分析

在工程環(huán)境中，混凝土材料中的堿性物質(zhì)與空氣中濕潤(rùn)的CO2氣體之間存在著一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。雖然混凝土材料的剛度相對(duì)較高，但仍然是一種多孔介質(zhì)材料?？諝庵械乃魵?、CO2氣體等物質(zhì)在外部壓力的影響下會(huì)滲入混凝土基體材料中與水泥水化后的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CaCO3和其他物質(zhì)，使得混凝土基體的堿度降低，即為混凝土的碳化[5]。

參與碳化反應(yīng)的物質(zhì)不僅有水泥的水化物Ca(OH)2，往往硅酸鹽類(lèi)水泥中的鋁酸三鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鐵鋁酸四鈣和石膏等物質(zhì)與CO2之間也存在著一定的中和反應(yīng)。

諸多研究表明，混凝土的碳化反應(yīng)產(chǎn)物主要為碳酸鈣等物質(zhì)，因此生成的此類(lèi)物質(zhì)對(duì)填充混凝土內(nèi)部孔洞、縫隙具有一定效果，能提高混凝土本身的密實(shí)性，對(duì)提高混凝土的強(qiáng)度具有一定的積極效果。但同時(shí)這類(lèi)中和反應(yīng)會(huì)降低混凝土的堿度，破壞結(jié)構(gòu)層中鋼筋表面的鈍化膜，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋層更易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和保護(hù)層的破壞等諸多病害。

2 影響因素分析

混凝土結(jié)構(gòu)在各類(lèi)工程中被廣泛應(yīng)用，因此其碳化性能也會(huì)受到諸多因素影響。根據(jù)影響混凝土結(jié)構(gòu)的部位、性能等方面，可將其分為外部影響因素和內(nèi)部影響因素。

2.1 外界因素

對(duì)于影響混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的碳化深度，從外部侵蝕環(huán)境分析，主要存在CO2濃度、溫濕度、外部環(huán)境壓力和時(shí)間等因素。且已有研究表明，CO2濃度的平方根、溫度等因素與碳化深度成正比；相對(duì)濕度在50%～70%時(shí)碳化速度也較快。

2.2 內(nèi)部因素

從內(nèi)部因素分析，影響混凝土結(jié)構(gòu)在各類(lèi)環(huán)境中的碳化性主要是由于其水灰比、水泥特性、外加劑等參量存在一定差異。由于空氣中的水分子和CO2氣體會(huì)隨材料孔隙滲入混凝土基體中，因此水灰比的大小也會(huì)影響其碳化性能，孔隙比越大，其碳化速率越快。此外混凝土的和易性、減水劑的外加也會(huì)影響甚至改變混凝土的密實(shí)度，在一定程度上也影響混凝土的進(jìn)一步碳化的發(fā)生。

3 碳化深度指標(biāo)的預(yù)測(cè)與擬合

3.1 預(yù)測(cè)理論

根據(jù)上一節(jié)分析可知，影響混凝土碳化發(fā)展的因素較多，大體可分為外因和內(nèi)因兩大類(lèi)。但基于目前現(xiàn)狀，采用多參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行混凝土的碳化研究往往存在樣本過(guò)大、時(shí)間成本較高，趨勢(shì)不明顯等缺陷，因此目前大多采用特定內(nèi)因指標(biāo)，具體研究CO2濃度、抗壓強(qiáng)度、碳化深度等外因指標(biāo)對(duì)碳化深度影響的方法進(jìn)行碳化深度的預(yù)測(cè)工作。主要形成了以阿列克耶夫等提出的FICK第一擴(kuò)散定律的碳化深度理論和以張譽(yù)、牛荻濤等人[1]基于碳化試驗(yàn)的深度預(yù)測(cè)模型方法。但由于混凝土碳化深度指標(biāo)存在諸多影響因素，上述公式分別存在一定的局限條件和適用范圍，因此很難采用某一公式精確定量計(jì)算出不同標(biāo)準(zhǔn)混凝土的具體碳化深度。因此目前常采用以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行碳化深度的預(yù)測(cè)分析，主要形式如式(1)所示。

X=αtm

(1)

其中,X為混凝土的碳化深度；α為碳化系數(shù)；t為碳化時(shí)間；m為指數(shù)項(xiàng)。

又由于碳化時(shí)間的平方根與碳化深度成正比例關(guān)系，則指數(shù)項(xiàng)m可取值為0.5，則式(1)可改寫(xiě)為式(2)形式：

(2)

若考慮抗壓強(qiáng)度、CO2濃度等外部因素，式(2)又可改寫(xiě)為式(3)形式：

(3)

其中,C為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)條件下的CO2濃度；fcu為材料構(gòu)件碳化前的立方體抗壓強(qiáng)度,MPa。

3.2 引入的擬合方法

1)多項(xiàng)式擬合。

本文擬引入多項(xiàng)式擬合方法，將最小二乘方法與混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)相結(jié)合，使得通過(guò)若干影響參數(shù)得到的分析值與碳化深度實(shí)測(cè)值之間的差異取得最小。

2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合。

將反饋型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法引入碳化深度的擬合，通過(guò)一定數(shù)量輸入、輸出層樣本的參數(shù)訓(xùn)練，得到適宜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)訓(xùn)練后的模型進(jìn)而通過(guò)相應(yīng)樣本進(jìn)行驗(yàn)證。

4 案例驗(yàn)證

4.1 多項(xiàng)式擬合案例

本文利用文獻(xiàn)[10]張譽(yù)等提出的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，引入水泥用量、水灰比、相對(duì)濕度和碳化時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行類(lèi)比分析，擬采用的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 混凝土的參數(shù)分析樣本

通過(guò)本文引入的多項(xiàng)式擬合方法對(duì)上述混凝土參數(shù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證。結(jié)合式(2)的經(jīng)驗(yàn)公式，碳化系數(shù)α可輸出為二次項(xiàng)形式，形成如式(4)所示的深度預(yù)測(cè)公式：

(4)

其具體的預(yù)測(cè)效果對(duì)比如表2所示。

表2 混凝土的碳化深度預(yù)測(cè)對(duì)比

通過(guò)表2可以看出，除序號(hào)6，7兩組數(shù)據(jù)以外，采用多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行碳化深度預(yù)測(cè)的效果基本保持在15%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足初步預(yù)測(cè)的精度要求。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合案例

而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的擬合，本文擬將文獻(xiàn)[10]～[12]中的水灰比、溫度、濕度、CO2體積分?jǐn)?shù)、碳化時(shí)間、水泥用量、水泥強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等參數(shù)作為其輸入層的樣本參數(shù)，碳化深度作為輸出參數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的擬合,由于篇幅原因，這里未列出具體樣本數(shù)據(jù)。隨機(jī)選取3組數(shù)據(jù)作為輸出樣本，其余21組別數(shù)據(jù)作為輸入樣本層，根據(jù)參數(shù)特點(diǎn)選取適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)和期望誤差，根據(jù)式(5)并通過(guò)多次試算選取適宜的隱含層數(shù)：

(5)

其中，m為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)；n為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)；l為附加常數(shù)，且l的范圍為1～10之間。

根據(jù)上述條件并進(jìn)行試算，將隱含層數(shù)D取值為9，其預(yù)測(cè)效果如表3所示。

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)的混凝土的碳化深度情況

結(jié)果表明，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也可以得到較好的碳化深度預(yù)測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)混凝土的碳化指標(biāo)進(jìn)行研究分析，首先，對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)碳化是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕和保護(hù)層脫落破壞的主要因素；然后，對(duì)導(dǎo)致碳化破壞的各類(lèi)影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要羅列；接著，對(duì)碳化深度預(yù)測(cè)理論進(jìn)行分析，并引入擬合方法；最后，通過(guò)對(duì)比與驗(yàn)證算例表明：目前多采用的半理論半試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行混凝土碳化深度指標(biāo)的預(yù)測(cè)效果較好，但過(guò)程較為復(fù)雜。采用本文引入的簡(jiǎn)便經(jīng)驗(yàn)公式擬合也可滿(mǎn)足初步預(yù)測(cè)的精度要求，另外引入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也可以得到較好效果。