稻殼灰混凝土的力學性能試驗及強度預測

王維紅，李新睿，叢佩瑤，裴耀彬，姚奇峰，楊 用

（1.北方民族大學土木工程學院，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學數值計算與工程應用研究所，寧夏銀川 750021）

稻殼灰是稻谷殼煅燒后的殘留物，其中1 t 谷殼煅燒后就會產生0.2 t 的稻殼灰，稻殼灰如不加妥善處理，會污染環(huán)境。稻殼在合適溫度煅燒后，會得到含有大量的無定型SiO2稻殼灰，其活性可與硅灰相媲美，一般最佳溫度控制在500～600 ℃。有效開發(fā)利用稻殼灰中的活性SiO2是近年來研究的主要課題[1—2]，國內外學者將稻殼灰作為混凝土摻合料進行了大量研究。F.A.Olutoge 等[3]采用0%，5%，7.5%，10%，12.5%，15%的稻殼灰取代水泥，研究稻殼灰對混凝土強度的影響。結果表明，用稻殼灰代替常規(guī)水泥，降低了混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，特別是在稻殼灰摻量較高時，強度越低。H.T.Le等[4]通過試驗發(fā)現，稻殼灰對抗壓強度的影響類似于硅灰，對自密實混凝土強度有增強效果，其中稻殼灰替代率較大時對混凝土后期強度影響更明顯。梁世慶等[5]以0%～30%的摻量等量取代水泥后，稻殼灰摻量越大，混凝土的初凝時間減小程度越大，對終凝時間影響不是很大。余其俊等[6]研究發(fā)現，混凝土摻加稻殼灰后強度提高，水膠比越大，強度提高程度越大，且混凝土的抗鹽酸侵蝕能力、抗碳化和抗?jié)B性能也得到了明顯改善。

本文選擇經高溫煅燒后的稻殼灰作為混凝土礦物摻合料，由于煅燒后的稻殼灰顆粒較粗，稻殼灰的活性不能充分發(fā)揮，在拌制混凝土之前，預先將稻殼灰粉磨45 min[7]，研究稻殼灰混凝土的力學性能，并采用BRF 神經網絡對混凝土128 d 抗壓強度進行預測。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）膠凝材料。水泥選用寧夏賽馬牌PO 42.5R級水泥，其28 d 抗壓強度和抗折強度分別為45.2，8.3 MPa，初凝時間158 min，終凝時間248 min，標準稠度用水量27.6%。粉煤灰采用寧夏青銅峽熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，需水量比92%，燒失量2.8%，細度（0.045 mm 篩余量）7.8%。硅灰選用甘肅三遠硅材料有限責任公司生產的硅灰，SiO2含量在90%以上。稻殼灰是寧夏石嘴山市平羅縣中糧米業(yè)輕工業(yè)園區(qū)中的稻殼經高溫煅燒后得到的，此稻殼灰粒徑較粗，細度（0.045 mm 篩余量）92%，平均粒徑在107.28 μm，粒徑分布見圖1；經粉磨45 min 后，稻殼灰細度（0.045 mm 篩余量）5%，顆粒平均粒徑在13.19 μm，粒徑分布見圖2；稻殼灰顆粒微觀形狀呈現大小不一、多棱角且不規(guī)則形狀，見圖3～4。以上膠凝材料化學成分見表1。

（2）其他材料。細骨料選用寧夏青銅峽人工水洗砂，砂的細度模數為2.8，連續(xù)級配；粗骨料選用寧夏鎮(zhèn)北堡人工碎石，最大粒徑為20 mm，連續(xù)級配。減水劑采用聚羧酸減水劑，摻量為膠凝材料質量的2%，減水率為25%。

圖1 原狀稻殼灰顆粒組成分布圖

圖2 粉磨45 min 稻殼灰顆粒組成分布圖

圖3 稻殼灰1 000 倍SEM 圖

圖4 稻殼灰5 000 倍SEM 圖

1.2 試驗方案及方法

本試驗中采用四因素三水平的正交試驗表，水膠比，稻殼灰、粉煤灰、硅灰摻量作為影響因素。水膠比選用0.3，0.35，0.4 三個水平。稻殼灰、粉煤灰和硅灰摻量以等質量部分替代水泥，稻殼灰摻量選用10%，15%，20%，粉煤灰摻量選用15%，20%，25%，硅灰摻量選用2%，5%，8%。測試9 組配合比的混凝土7，28，56，128 d 抗壓強度值，試模采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體塑料試模?；炷量箟簭姸仍囼灠凑铡镀胀ɑ炷亮W性能力學試驗標準》（GB/T 50081—2002）中的規(guī)定進行試驗，混凝土配合比見表2。

表1 水泥、稻殼灰、粉煤灰和硅灰的化學成分

表2 混凝土配合比設計表

2 結果與分析

混凝土7，28，56，128 d 抗壓強度試驗結果見表3。采用極差法對試驗結果進行分析，四種影響因素對混凝土抗壓強度的影響見圖5～8。

由表3 可知，混凝土抗壓強度隨著齡期的增長而增加。由圖5～8 可知，水膠比、稻殼灰、粉煤灰和硅灰對混凝土強度的影響規(guī)律不盡相同?；炷猎诓煌g期的抗壓強度值隨水膠比的增大呈下降趨勢，7 d 抗壓強度值下降程度最大，達43.5%。在齡期7，28，128 d 時，混凝土抗壓強度都隨稻殼灰摻量的增加而降低；28 d 齡期時，混凝土抗壓強度下降程度最大，達14.3%；在齡期56 d 時，混凝土抗壓強度隨著稻殼灰摻量的增加非但沒有降低，還略有增加；128 d 齡期時，稻殼灰摻量對抗壓強度的影響不大。綜合考慮力學性能和材料成本，建議稻殼灰摻量為20%。粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響較小，28 d 齡期時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度先增加后降低；粉煤灰摻量為20%時混凝土28 d 抗壓強度增加了3.2%，摻量為25%時，混凝土56 d抗壓強度下降程度達16.5%；128 d 齡期時，粉煤灰摻量為15%和20%的混凝土抗壓強度相差不大，當摻量為25%，混凝土強度下降了8.9%?？紤]到混凝土獲得良好的力學性能及經濟效益，選取粉煤灰摻量為15%作為最佳摻量。硅灰可以增強混凝土抗壓強度，7，28 d 齡期時，硅灰摻量越大，混凝土抗壓強度隨之增大；56，128 d 齡期時，隨著硅灰摻量的增加，抗壓強度先增后降；當摻量為5%時，混凝土56 d 抗壓強度增加了15.8%?？紤]混凝土綜合性能和經濟性，硅灰摻量不宜超過5%。從試驗結果及數據分析圖的對比結果看，水膠比對混凝土抗壓強度的影響最大，配制C50 混凝土，水膠比取0.3。

圖5 抗壓強度與水膠比的關系

圖6 抗壓強度與稻殼灰的關系

圖7 抗壓強度與粉煤灰的關系

圖8 抗壓強度與硅灰的關系

表3 稻殼灰混凝土力學性能試驗結果

3 RBF 神經網絡預測模型

3.1 RBF 神經網絡介紹

徑向基函數網絡（Radial Basic Function，RBF）與反向傳播神經網絡（Back-Propogation，BP）都屬于多層前饋網絡。但RBF 神經網絡的逼近能力、分類能力和學習速度等方面都優(yōu)于BP 神經網絡，其結構簡單、訓練簡潔、學習收斂速度快，能夠逼近任意非線性函數和克服局部極小值問題。本文基于RBF神經網絡的優(yōu)點，構建神經網絡模型，選取試驗樣本數據進行訓練，訓練完成后對稻殼灰混凝土128 d抗壓強度進行預測，并對檢測樣本真實值與預測值進行擬合，來驗證RBF 神經網絡預測模型的精度。

3.2 RBF 神經網絡設計、訓練

在RBF 神經網絡中，實際問題的影響因素和預測指標決定了輸入層和輸出層的神經元個數。本文將水膠比、稻殼灰摻量、粉煤灰摻量、硅灰摻量作為RBF 神經網絡的輸入參數，混凝土128 d 抗壓強度作為網絡輸出。以本文的試驗結果和文獻[8]的試驗結果為樣本（表4），選取后20 組為訓練樣本，前5組為檢驗樣本，建立基于徑向基網絡的混凝土128 d抗壓強度預測模型。選擇一個隱含層，神經元數目的選擇根據達到規(guī)定誤差要求的神經元數或者是隱藏層中最大數目，模型網絡結構見圖9，本模型神經元個數為322 個。

3.3 預測結果和分析

表5 是基于RBF 神經網絡模型對混凝土128 d抗壓強度預測值與試驗實測值的對比結果，從結果上看，預測結果與實測值很接近，其中最大的誤差為6.7%，平均誤差4.3%。這說明RBF 神經網絡對混凝土128 d 抗壓強度的預測值與實測值具有較高的吻合度。利用該神經網絡模型可以優(yōu)化配合比設計，能夠較準確地預測混凝土長期強度，減少試驗齡期。

表4 稻殼灰混凝土力學性能試驗結果

4 結論

（1）通過正交試驗對稻殼灰混凝土的力學性能進行研究，結果表明，水膠比、稻殼灰摻量、粉煤灰摻量及硅灰摻量對混凝土不同養(yǎng)護齡期的抗壓強度影響規(guī)律不同，水膠比影響最大。

（2）考慮混凝土力學性能及經濟性，在進行C50稻殼灰混凝土配合比設計時，建議水膠比為0.3、稻殼灰摻量為20%、粉煤灰摻量為15%、硅灰摻量為5%。

（3）采用RBF 神經網絡模型對稻殼灰混凝土進行128 d 抗壓強度預測，預測結果與實測值較吻合。

圖9 RBF 網絡結構模型

表5 RBF 神經網絡預測值與試驗值對比結果