混凝土碳化深度與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系的灰色系統(tǒng)研究
2023-11-10
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
1（1.廣西城鄉(xiāng)規(guī)劃設計院，廣西 南寧 530022；2. 廣西建筑科學研究設計院，廣西 南寧 530002；3. 廣西大學 環(huán)境學院，廣西 南寧 530004）
摘 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)護齡期為28d和63d的混凝土的碳化深度與孔徑范圍為200～500nm的關(guān)聯(lián)度最大，當碳化時間延長到63d時，100～200nm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。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)的自身條件及外界條件[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。灰色關(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，將隨機量當作是在一定范圍內(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 試驗原材料及方法
2.1 試驗原材料
實驗用水泥為普通硅酸鹽水泥，其化學組成和物理性質(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；細骨料使用模數(shù)為2.58，密度為2.65g/cm3的II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%。
表1 水泥的化學組成和物理性質(zhì)
化學組成 | 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) | 標準稠度/% | 初凝時間/min | 終凝時間/min | 抗壓強度/MPa | ||
7d | 28d | |||||||
2.3 | 371 | 26 | 138 | 198 | 29.7 | 45.5 | ||
2.2 實驗方法
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。碳化實驗采用Φ100×180mm的圓形混凝土試件，養(yǎng)護至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%的碳化試驗箱中進行快速碳化試驗。放入碳化箱中碳化至28d和63d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壓汞儀對樣品進行測試，測試最大壓力為228MPa，孔測定范圍為5~600 000nm。
表2 混凝土的配合比
編號 | W/B | 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 礦渣 | 硅灰 | 石 | 砂 | 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
因為獲得的數(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)度大小順序為：（200～500nm） （1000～2000nm）（500～1000nm）（100～200nm）（>2000nm）= 孔隙率 平均孔徑（<100nm）。
對于63d碳化深度各關(guān)聯(lián)度大小順序為：（200～500nm）（100～200nm）（500～1000nm）（1000～2000nm）（>2000nm）= 孔隙率平均孔徑（<100nm）。
由結(jié)果可知>2000nm和<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100～2000nm的孔徑范圍<100nm的影響較小。當碳化時間延長后，100～200nm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。
表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、500~1000nm及1000~2000nm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：
表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 |
200～500nm | x2 | 8.70 | 5.30 | 3.80 | 2.80 | 13.30 | 15.10 | 13.60 | |
500～1000nm | x3 | 3.10 | 2.10 | 1.80 | 1.50 | 5.40 | 4.70 | 7.80 | |
1000～2000nm | 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 |
200～500nm | x2 | 0.973 | 0.593 | 0.425 | 0.313 | 1.487 | 1.688 | 1.521 | |
500～1000nm | x3 | 0.822 | 0.557 | 0.477 | 0.398 | 1.432 | 1.246 | 2.068 | |
1000～2000nm | x4 | 0.744 | 0.579 | 0.386 | 0.413 | 1.020 | 1.681 | 2.177 | |
表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28d和63d的混凝土碳化深度，孔徑范圍為200~500nm的關(guān)聯(lián)度最大，當碳化時間延長到63d時，100～200nm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；
（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
感謝廣西科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃（桂攻科0799002-2）對本項目的支持。
參考文獻:
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[5] 鄧聚龍. 灰色控制系統(tǒng) [M]. 武漢:華中工學院出版社, 1985: 348-355.
作者簡介:周維，1965年生，本科，高級工程師。現(xiàn)工作于廣西城鄉(xiāng)規(guī)劃設計院。主要研究方向為：綠色高性能混凝土、綠色建材及節(jié)能建材研發(fā)等。
