輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測方法設(shè)計與仿真

熊黎黎，賈 璐

(1. 南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330069；2. 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

1 引言

建筑行業(yè)中中混凝土是樓房建設(shè)必不可少的一部分，幾年前經(jīng)濟(jì)發(fā)展還不夠發(fā)達(dá)時，會使用普通混凝土鑄造墻體，但隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提升，為了提升建筑的施工便捷性，南方地區(qū)已經(jīng)開始使用輕質(zhì)混凝土。由于輕質(zhì)混凝土本身有著隔熱快、質(zhì)量輕的特點，因此在填充墻中得到了廣泛應(yīng)用。而北方地區(qū)則是將輕質(zhì)混凝土應(yīng)用到墻體保溫層內(nèi)，這樣就可以隔絕涼氣，使室內(nèi)保持適宜溫度。由于輕質(zhì)混凝土與混合型混凝土的質(zhì)量不同，因此兩者之間的承壓能力也大不相同。通常來說，輕質(zhì)混凝土的孔隙較小，而孔隙的大小會影響混凝土的強度?？紫哆^大的混凝土就會導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土的抗壓強度低于普通混凝土的強度。為此，人們對輕質(zhì)混凝土的孔隙要求更高。為了能夠有效應(yīng)用輕質(zhì)混凝土，需進(jìn)一步監(jiān)測輕質(zhì)混凝土的承壓效果。

楊曜等人提出瀘州地區(qū)回彈法檢測混凝土抗壓強度試驗研究方法。該方法以瀘州地區(qū)為研究對象，排序該地區(qū)的混凝土抗壓強度，并對其完成承壓測試，計算測試結(jié)果，從中能取得了混凝土擬合曲線，構(gòu)建出混凝土監(jiān)測承壓曲線，實現(xiàn)混凝土承壓監(jiān)測，該方法取得的擬合曲線存有誤差，導(dǎo)致該方法存在混凝土承壓強度改進(jìn)效果較差的問題。陳宗平等人提出回彈法檢測高溫噴水冷卻后高強混凝土抗壓強度試驗方法。該方法首先確立經(jīng)歷不同溫度變化的混凝土強度等級變化參數(shù)，同時設(shè)置出多種混凝土試件，對其進(jìn)行回彈監(jiān)測和軸壓測試，以此取得承壓影響規(guī)律，根據(jù)實測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對其進(jìn)行擬合后實現(xiàn)混凝土承壓監(jiān)測。但是，由于該方法分析的影響規(guī)律不夠完善，導(dǎo)致出現(xiàn)承壓監(jiān)測效果差的問題。陳建立等人提出基于圖像處理方法的混凝土檢測方法。該方法構(gòu)建出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像監(jiān)測模型，利用該模型對混凝土出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行監(jiān)測，而監(jiān)測結(jié)果能夠徹底反映出混凝土的邊緣裂縫情況，反映出混凝土的承壓效果，從而實現(xiàn)混凝土承壓監(jiān)測。但是，該方法構(gòu)建的模型存有欠缺，存在與實際質(zhì)量損失率相差大的問題。

為了解決上述方法中存在的應(yīng)用缺陷，提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測方法。

2 輕質(zhì)混凝土承壓強度影響因素

2.1 影響因素分析

輕質(zhì)混凝土也被稱作泡沫混凝土，是由不同的特殊多孔材料組成，所以輕質(zhì)混凝土的承壓能力與傳統(tǒng)混凝土的承壓能力大不相同。

多數(shù)情況下，水泥強度、容重、漿體密度、濕含量等都會給輕質(zhì)混凝土帶來影響。這些影響因素都會影響到輕質(zhì)混凝土的承壓效果，所以為了便于對輕質(zhì)混凝土的承壓強度進(jìn)行監(jiān)測，首先需要對影響輕質(zhì)混凝土承壓強度的各種因素進(jìn)行有效分析。

2.2 容重對輕質(zhì)混凝土承壓的影響分析

為了分析容重對輕質(zhì)混凝土承壓強度造成的影響，選取150-1350kg/m容量的水灰，而輕質(zhì)混凝土的承壓強度用

σ

描述，那么容重與輕質(zhì)混凝土承壓之間的擬合函數(shù)用方程表達(dá)式就定義為：

σ

=12

.

154

ρ

2135。式中，

ρ

表示密度。當(dāng)輕質(zhì)混凝土相關(guān)系數(shù)為

R

=1

.

2354時，就說明輕質(zhì)混凝土在容重范圍內(nèi)，表明輕質(zhì)混凝土的承壓強度會隨著容重的增加而提升，兩者符合冪函數(shù)關(guān)系。那么在冪函數(shù)關(guān)系下將容重與輕質(zhì)混凝土凈漿強度相結(jié)合，就可以得到容重與輕質(zhì)混凝土承壓的關(guān)系表達(dá)式，用方程定義為

(1)

式中，

σ

表示輕質(zhì)混凝土的承壓強度，

σ

表示凈漿強度，

ρ

1表示輕質(zhì)混凝土密度，

ρ

0表示漿體密度。

根據(jù)式(1)就可以得知輕質(zhì)混凝土在不同凈漿強度及容重下的承壓強度。

2

.

2

.

1 水灰比對輕質(zhì)混凝土承壓帶來的影響水灰比對于輕質(zhì)混凝土來說有著重要作用，根據(jù)調(diào)節(jié)減水劑摻量，選取了0

.

15-0

.

70水灰比流動性較強的水泥凈漿，以及550kg/m的輕質(zhì)混凝土。

一般來說，漿體水灰比的密度、粘稠程度、水泥顆粒的水化程度均有所不同，這樣就會導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土硬化后的容重有著不確定性。經(jīng)測試可知，當(dāng)水灰比在不斷增加時，泡沫混凝土的承壓強度會隨之下降；當(dāng)水灰比的整體范圍超過0.70時，輕質(zhì)混凝土的承壓強度變化就會略有平緩。

從水灰比對漿體容重和強度兩方面來看，水灰比增加時，輕質(zhì)混凝土的氣孔率就會產(chǎn)生下降趨勢。若漿體強度也隨之下降，那么輕質(zhì)混凝土的整體承壓強度也會因此降低。與其相反的是，當(dāng)輕質(zhì)混凝土的氣孔率降低時，輕質(zhì)混凝土的承壓強度就會提升。根據(jù)這種特殊規(guī)律可知，輕質(zhì)混凝土的承壓強度可以依據(jù)水灰比的降低效果實現(xiàn)。

2.2.2 氣孔孔徑對輕質(zhì)混凝土承壓帶來的影響

在制作輕質(zhì)混凝土?xí)r，需要在混凝土中加入不同摻量的速凝劑和緩凝劑，根據(jù)輕質(zhì)混凝土的凝結(jié)時間，對氣泡孔隙消解合并量進(jìn)行控制，從而制造出孔徑不同的輕質(zhì)混凝土。

設(shè)置水灰比為0.58的550kg/m輕質(zhì)混凝土，其中摻雜不同量的緩凝劑及速凝劑，根據(jù)孔徑大小對輕質(zhì)混凝土的抗壓強度進(jìn)行衡量，那么利用下式對輕質(zhì)混凝土的孔徑模數(shù)進(jìn)行計算，就可以取得輕質(zhì)混凝土的孔徑模數(shù)方程表達(dá)式，該式定義為

孔徑模數(shù)=(>0氣孔比)+(>0

.

22

mm

氣孔比)+(>0

.

33

mm

氣孔比)+(>0

.

44

mm

氣孔比)+(>0

.

55

mm

氣孔比)

(2)

通過式(2)可以得知，當(dāng)獲取的結(jié)果為低孔徑模數(shù)時，輕質(zhì)混凝土中的氣孔就較多，這樣輕質(zhì)混凝土中的水泥顆粒分布的就不會均勻，進(jìn)而降低了輕質(zhì)混凝土的承壓強度。

當(dāng)計算結(jié)果為高孔徑模數(shù)時，輕質(zhì)混凝土中的大氣孔會更多，這樣會加大輕質(zhì)混凝土的宏觀缺陷，導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土的承壓強度下降。

通過上述可知，孔徑中的大孔、小孔所占比例相對較少時，就說明氣孔在輕質(zhì)混凝土中分布均勻，這時輕質(zhì)混凝土的承壓強度就較高，而出現(xiàn)的缺陷就較少。所以輕質(zhì)混凝土在制作期間所用的摻量要謹(jǐn)慎控制，這樣才能調(diào)節(jié)出承壓強度較高的輕質(zhì)混凝土。

根據(jù)容重、水灰比、氣孔孔徑對輕質(zhì)混凝土帶來的影響，完成不同因素下輕質(zhì)混凝土的承壓強度分析。

3 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測

3.1 數(shù)據(jù)采集

基于上述分析結(jié)果，對不同強度、不同環(huán)境和不同齡期下的輕質(zhì)混凝土承壓強度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此取得輕質(zhì)混凝土的回彈值、超聲波速值。采集的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 輕質(zhì)混凝土數(shù)據(jù)采集結(jié)果

根據(jù)表1中采集到的數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對輕質(zhì)混凝土力學(xué)指標(biāo)采集結(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練，以此實現(xiàn)輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測。

3.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位，它通過對數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，實現(xiàn)對輕質(zhì)混凝土的承壓監(jiān)測。

基于上述采集數(shù)據(jù)，設(shè)置輕質(zhì)混凝土承壓矩陣為D，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對D中的輕質(zhì)混凝土承壓特征進(jìn)行提取。

為了提升輕質(zhì)混凝土承壓強度的監(jiān)測效率，構(gòu)建出一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其本身有著規(guī)模小、訓(xùn)練速度快的特點，以此對輕質(zhì)混凝土承壓特征向量進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。那么構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過方程表達(dá)式定義如下

net

=

newPR

，[

S

1，

S

2，…，

SN

1]，{(

GH

1，

GH

2，…，

GHN

1)，

BGH

，

BIH

，

PH

}

(3)

式中，

net

表示建立的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，

PR

表示輸入矩陣，[

S

1，

S

2，…，

SN

1]表示卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元數(shù)量，(

GH

1，

GH

2，…，

GHN

1)表示傳遞函數(shù)，

BGH

表示訓(xùn)練函數(shù)，

BIH

表示權(quán)值訓(xùn)練函數(shù)，

PH

表示性能函數(shù)。

通過式(3)可知，構(gòu)建的卷積神經(jīng)模型主要由三層構(gòu)成，其中還包含一個分類器可以對采集的輕質(zhì)混凝土承壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

為了使構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠達(dá)到監(jiān)測精度高的目的，需要對該模型中的結(jié)構(gòu)及池化層規(guī)則進(jìn)行設(shè)計，具體操作如下所示。

1)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷積層

在卷積層中，各個節(jié)點的輸入與上一層的區(qū)域都有所關(guān)聯(lián)，利用卷積核計算卷積層的上一層區(qū)域，那么此時卷積層的輸入用方程表達(dá)式定義如下

(4)

2)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的池化層

輕質(zhì)混凝土承壓特征向量輸送到池化層時，池化層會通過池化函數(shù)對上一層的輸出特征向量數(shù)據(jù)進(jìn)行消減，消減后的池化層輸出方程表達(dá)式就標(biāo)記為

(5)

基于式(5)設(shè)置池化函數(shù)

pool

為最大值。

3)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全連接層

當(dāng)輕質(zhì)混凝土承壓特征向量經(jīng)過卷積層和池化層后，最終就會輸出到全連接層，而全連接層會對所有接收的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，最終映射到特征空間中，便于對輕質(zhì)混凝土承壓樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。那么利用下述方程表達(dá)式的計算，取得全連接層的輸出方程，表示為

(6)

通過對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)果及池化層規(guī)則的設(shè)計，提高了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的監(jiān)測效率。這時利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對輕質(zhì)混凝土樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，依據(jù)訓(xùn)練結(jié)果確定輕質(zhì)混凝土承壓強度，以此完成對輕質(zhì)混凝土承壓強度的監(jiān)測。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對輕質(zhì)混凝土承壓樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時，該模型的初始學(xué)習(xí)率設(shè)置在0

.

002，那么此時的訓(xùn)練流程如下所示：

1)首先在輕質(zhì)混凝土承壓樣本數(shù)據(jù)中確立訓(xùn)練數(shù)據(jù)；

2)在訓(xùn)練前對閾值進(jìn)行確立，使其接近于0，同時對學(xué)習(xí)率

β

實行初始化操作；3)對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輕質(zhì)混凝土輸出矢量

D

進(jìn)行確立；4)對模型中的輸出矢量

H

進(jìn)行計算，并取得實際輸出矢量

Y

；

5)計算輕質(zhì)混凝土承壓調(diào)整權(quán)值及調(diào)整閾值；

6)對指標(biāo)是否滿足輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測精度進(jìn)行判斷，若滿足要求就進(jìn)行下一步，若不滿足要求則返回到步驟3)繼續(xù)迭代；

7)結(jié)束訓(xùn)練。

依據(jù)上述流程得知，最終訓(xùn)練結(jié)果就是輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判定輕質(zhì)混凝土承壓效果，以此實現(xiàn)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測。

4 實驗與分析

為了驗證基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測方法的整體有效性，需要對該方法進(jìn)行實驗對比測試。

采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測方法(方法1)、瀘州地區(qū)回彈法檢測混凝土抗壓強度試驗研究方法(方法2)和回彈法檢測高溫噴水冷卻后高強混凝土抗壓強度試驗研究(方法3)進(jìn)行實驗測試。

1)為了能夠有效測試輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測效果，本次實驗選擇一棟18層的住宅樓用作研究對象。在住宅樓中較多的剪力墻和“

L

”形狀的框架柱，其尺寸大不相同。剪力墻的尺寸通常為：110m×0.15m×3.0m；而“L”形狀的框架柱的尺寸為：1.0m×0.20m×3.0m。剪力墻和框架柱均由輕質(zhì)混凝土混合而成。一般來說，輕質(zhì)混凝土需要經(jīng)過現(xiàn)場攪拌、塔吊運輸、澆注等操作實現(xiàn)，其中輕質(zhì)混凝土通過水泥、石灰石粉、水、外加劑等材料組成，且各個材料的配比大不相同。

利用混合好的輕質(zhì)混凝土對剪力墻及“L”形狀的框架柱進(jìn)行澆注，采用方法1、方法2和方法3分別對不同齡期下的輕質(zhì)混凝土抗壓強度進(jìn)行監(jiān)測，以此驗證該方法的監(jiān)測效果。設(shè)置輕質(zhì)混凝土抗壓強度為α，具體測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 監(jiān)測效果測試

分析圖1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本次實驗共進(jìn)行60d齡期測試，隨著齡期的增加，方法1對輕質(zhì)混凝土的抗壓強度進(jìn)行監(jiān)測時的監(jiān)測效果要優(yōu)于方法2和方法3，可以看出方法1的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測效果最強，監(jiān)測精度最高。而方法2和方法3在測試期間，方法2的監(jiān)測準(zhǔn)確率要低于方法3，由此可以斷定方法2的監(jiān)測精度最低。

2)輕質(zhì)混合土在硬化期間，溫度的變化會對輕質(zhì)混凝土的硬化質(zhì)量帶來影響。當(dāng)溫度在不斷升高時，輕質(zhì)混凝土的表面就會出現(xiàn)裂縫、掉皮等現(xiàn)象，若溫度控制不當(dāng)，就會大大降低輕質(zhì)混凝土的承壓強度，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土不能進(jìn)行承壓強度測試。所以為了能夠明確溫度變化對輕質(zhì)混凝土承壓強度帶來的影響，需要利用方法1、方法2和方法3分別對輕質(zhì)混凝土的質(zhì)量損失率進(jìn)行實驗測試，根據(jù)測試結(jié)果將其與實際結(jié)果進(jìn)行對比，具體測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同溫度狀態(tài)下的質(zhì)量損失率與實際值對比測試

根據(jù)圖2(a)中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輕質(zhì)混凝土處于低溫狀態(tài)時，方法1的質(zhì)量損失率與實際值相同，不存有誤差。方法2在低溫狀態(tài)下與實際值的相差距離較大，因而得知，方法1的質(zhì)量損失率與實際值相同，驗證了方法1的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測效果最佳。

而圖2(b)中，溫度由100 ℃上升到500 ℃時，三種方法與實際質(zhì)量損失率的上升速度均有所提升。但從整體來看，即使是在高溫狀態(tài)下，方法1與實際質(zhì)量損失率之間也不存有誤差，而其余兩種方法卻與實際值之間的距離愈加增多，說明方法2、方法3與實際質(zhì)量損失率的誤差大。

綜上所述，方法1在不同溫度下的質(zhì)量損失率都要與實際值相同，這主要是因為方法1對輕質(zhì)混凝土承壓強度影響因素進(jìn)行有效分析，以此提升了承壓監(jiān)測效果，使方法1的監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果相同，驗證了方法1的監(jiān)測效果強。

5 結(jié)束語

提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測方法。該方法首先對輕質(zhì)混凝土承壓影響因素進(jìn)行有效分析，基于分析結(jié)果利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對輕質(zhì)混凝土采集數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，其訓(xùn)練結(jié)果就是承壓監(jiān)測結(jié)果，以此實現(xiàn)輕質(zhì)混凝土承壓監(jiān)測。該方法在日后輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的深入研究中有著關(guān)鍵性作用。