SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能及其BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

劉榮桂, 陳 浩, 崔釗瑋, 陳業(yè)強(qiáng), 張邵峰, 閆乾勛

(1.南通理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 江蘇 南通 226001; 2.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著我國(guó)天然砂資源的日益枯竭,以及政府對(duì)天然砂開(kāi)采的限制,使得土木工程的用砂矛盾日益突出.為此,越來(lái)越多的工程項(xiàng)目開(kāi)始使用機(jī)制砂來(lái)替代天然砂.但是與天然砂相比,機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量的石粉.研究結(jié)果[1-2]表明:石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土的性能具有重大的影響;適量石粉可以填充水泥顆粒間微小空隙,提高界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)度,從而提高混凝土強(qiáng)度;過(guò)多石粉則會(huì)加大混凝土的干燥收縮,從而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂,嚴(yán)重影響混凝土力學(xué)性能.

高吸水性樹(shù)脂(SAP)是一種內(nèi)部含有多種親水基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物,具有獨(dú)特的吸水-儲(chǔ)水-釋水特性,能夠預(yù)先吸收相當(dāng)于自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍的水,并穩(wěn)定地儲(chǔ)存在內(nèi)部.待水化反應(yīng)過(guò)程中水分不足時(shí),釋放其內(nèi)部預(yù)先吸收的水分,使水泥繼續(xù)水化,有效地緩解因干縮開(kāi)裂而導(dǎo)致強(qiáng)度下降的問(wèn)題.近年來(lái),學(xué)者們對(duì)摻SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土力學(xué)性能開(kāi)展了大量的研究.研究發(fā)現(xiàn):少量的SAP能夠有效細(xì)化混凝土內(nèi)部的空隙[3];摻入0.2%粒徑為50目的SAP能夠明顯提高混凝土的早期強(qiáng)度[4];SAP的摻入使混凝土水化反應(yīng)更充分,有利于強(qiáng)度的發(fā)展[5];發(fā)現(xiàn)在水化反應(yīng)后期,SAP對(duì)高強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度有明顯的提升作用[6].因此,通過(guò)SAP對(duì)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù),可有效解決機(jī)制砂混凝土因干縮開(kāi)裂而造成的強(qiáng)度下降問(wèn)題.

為此,筆者所在課題組依托蒲炎高速三明段工程,采用現(xiàn)場(chǎng)隧道開(kāi)挖洞渣生產(chǎn)的機(jī)制砂,研究不同石粉摻量下SAP對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律,并利用BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè),為機(jī)制砂混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo).

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為鶴林牌P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥.粗骨料采用粒徑為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石.細(xì)骨料中的河砂為中砂.機(jī)制砂采用現(xiàn)場(chǎng)隧道開(kāi)挖洞渣生產(chǎn)的級(jí)配為Ⅰ區(qū)的機(jī)制砂,其級(jí)配組成見(jiàn)表1.

表1 級(jí)配Ⅰ區(qū)的機(jī)制砂級(jí)配組成

減水劑為聚羧酸混凝土高效減水劑,摻量為膠凝材料總重量的0.2%.試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水.石粉采用機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中生成的粒徑小于0.075 mm的顆粒.高吸水性樹(shù)脂(SAP)的粒徑為0.15～0.25 mm,吸水倍率為400～500 g/g.鹽水吸收倍率為60 g/g,加壓吸水倍率為26 g/g.堆積密度為0.65～0.85 g/mL.pH值為6.2.

文中,某種物質(zhì)的摻量是指其質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的百分比;S0F0表示SAP和石粉摻量均為0,S8F0表示SAP摻量為0.08%和石粉摻量為0,其余依此類(lèi)推,S16F9表示SAP摻量為0.16%和石粉摻量為9%[7].

1.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定,對(duì)機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì).其中機(jī)制砂替代率為80%,與施工現(xiàn)場(chǎng)替代率相同.機(jī)制砂混凝土配合比見(jiàn)表2,其中w為摻量,ρ為密度.

表2 機(jī)制砂混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

材料混合采用干拌方式.將SAP、石粉、水泥、河砂、機(jī)制砂、石子及減水劑放入混凝土攪拌機(jī)中,干拌30 s,待SAP、石粉與膠凝材料充分混合后,再加水?dāng)嚢?依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)機(jī)制砂混凝土開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn).抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件.試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中靜置24 h,隨后取出試件進(jìn)行拆模、編號(hào),再繼續(xù)放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù).其中抗壓強(qiáng)度試件養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7和28 d,抗折強(qiáng)度試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d.養(yǎng)護(hù)完成后取出試件開(kāi)展力學(xué)性能測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

在齡期t為3、7和28 d時(shí),分別單摻不同摻量SAP和石粉的混凝土抗壓強(qiáng)度σp變化曲線(xiàn)如圖1所示.由圖1a可知,與w(SAP)=0混凝土相比,w(SAP)=0.08%混凝土在齡期為3、7和28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度均有較大程度的提高,分別比w(SAP)=0混凝土增加了14.32%、4.71%和8.48%,說(shuō)明少量的SAP可以提高機(jī)制砂混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度.這主要是因?yàn)镾AP摻入到混凝土中吸收了漿體中的水分,減少了混凝土中自由水含量,導(dǎo)致水膠質(zhì)量比減小,從而提高了機(jī)制砂混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度.當(dāng)SAP摻量超過(guò)0.08%時(shí),由于過(guò)多SAP的摻入,使得SAP釋水后在混凝土內(nèi)部留下的孔洞增多,導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土在齡期為3、7和28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度開(kāi)始逐漸降低,這與文獻(xiàn)[5]結(jié)果類(lèi)似.

該系統(tǒng)選用了LM317穩(wěn)壓模塊為直流電機(jī)提供穩(wěn)定電壓。LM317是一種可調(diào)3端正電壓穩(wěn)壓器，具有穩(wěn)壓性能好、輸出電壓可調(diào)、噪聲低、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于一些小型嵌入式系統(tǒng)。穩(wěn)壓模塊原理圖如圖2所示。LM317模塊輸出電壓公式為：

圖1 單摻SAP和石粉的各個(gè)齡期機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線(xiàn)

由圖1b可知:w(石粉)=0～9%時(shí),機(jī)制砂混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均隨石粉摻量的增加而不斷提高;當(dāng)石粉摻量為9%時(shí),機(jī)制砂混凝土在齡期為3、7和28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高值;與w(石粉)=0混凝土抗壓強(qiáng)度相比,在齡期為3、7和28 d時(shí),w(石粉)=3%混凝土分別提高了8.67%、2.33%和0.58%,w(石粉)=6%混凝土分別提高了23.43%、7.11%和4.86%,w(石粉)=9%混凝土分別提高了25.08%、7.29%和6.84%.可見(jiàn),石粉對(duì)不同齡期機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度從大至小依次為3、7和28 d.這主要是由于石粉主要成分是CaCO3,將其加入混凝土中能夠促進(jìn)硅酸三鈣(C3S)水化反應(yīng),而C3S的水化反應(yīng)發(fā)生在混凝土早期[8],因此混凝土的早期強(qiáng)度得到了提高.

圖2為齡期為28 d時(shí)復(fù)摻SAP和石粉的各組機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn).

圖2 齡期為28 d時(shí)各復(fù)摻組機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)

由圖2可知,除S24F3組外,其他復(fù)摻組的抗壓強(qiáng)度均高于S0F0組,特別是S8F9組(SAP摻量為0.08%,石粉摻量為9%)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了14.44%,效果最好.說(shuō)明摻量為0.08%～0.16%的SAP與摻量為3%～9%的石粉復(fù)摻,兩者可以同時(shí)發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì),共同改善混凝土的性能.

2.2 對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖3顯示了齡期為28 d時(shí)復(fù)摻SAP和石粉的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度σb曲線(xiàn).

圖3 齡期為28 d時(shí)復(fù)摻SAP和石粉的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度曲線(xiàn)

由圖3a可知:當(dāng)石粉摻量一定時(shí),機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度均隨SAP摻量的增加呈現(xiàn)先降低、后升高、再降低的變化趨勢(shì),可見(jiàn)SAP摻量過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響;當(dāng)SAP摻量為0.16%時(shí),4種石粉摻量的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,與未摻SAP時(shí)相比,石粉摻量為0、3%、6%和9%的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度分別提高1.82%、1.69%、13.85%和1.56%.分析其原因可能來(lái)源于兩個(gè)方面:一方面,由于SAP的釋水特性,使得微孔周?chē)磻?yīng)充分進(jìn)行,在孔洞內(nèi)壁及其四周形成大量針狀的鈣礬石,這些針狀的鈣礬石能夠填充混凝土中微裂縫和微孔隙,從而提高混凝土的強(qiáng)度;另一方面,SAP在釋水時(shí),由于混凝土基體已經(jīng)初步形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu),當(dāng)SAP預(yù)先吸收的水分釋放完全后,混凝土內(nèi)部會(huì)形成連續(xù)的球形孔洞,從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低.

由圖3b可知:當(dāng)SAP摻量一定時(shí),機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度隨石粉摻量增加均呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì);當(dāng)石粉摻量達(dá)到6%時(shí),SAP摻量為0、0.08%、0.16%和0.24%的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,與未摻石粉相比,分別提高了18.18%、7.41%、32.14%和8.51%;之后隨著石粉摻量的增加,混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸降低,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是石粉粒徑較小,能夠填充水泥顆粒間微小空隙,使得界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)度提高.此外,石粉能夠與水泥中的鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)的水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng),生成水化碳鋁酸鈣,而水化碳鋁酸鈣可以與其他水化產(chǎn)物相互交錯(cuò),使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí),從而使混凝土具有更高強(qiáng)度.當(dāng)混凝土密實(shí)度達(dá)到最大程度后,此時(shí)繼續(xù)增加石粉摻量,會(huì)產(chǎn)生一部分游離態(tài)的石粉出現(xiàn)在混凝土界面過(guò)渡區(qū),影響水泥與石粉的粘結(jié),從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降.

由圖3還可知,在機(jī)制砂混凝土中復(fù)摻適量的SAP和石粉,對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度有較大的增強(qiáng)作用,并且增強(qiáng)作用大于單摻SAP和石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土的增強(qiáng)幅度,特別是SAP摻量為0.16%和石粉摻量為6%時(shí),增強(qiáng)效果最為顯著,其抗折強(qiáng)度與S0F0組相比提高了34.55%.

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

3.1 輸入層和輸出層的確定

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通常由一個(gè)輸入層、多個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層組成[9].本課題組結(jié)合SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素,選取SAP摻量、石粉摻量、水灰質(zhì)量比、水泥用量、用水量、機(jī)制砂替代率、減水劑用量及養(yǎng)護(hù)齡期作為輸入向量.將齡期為3、7和28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度作為輸出向量,建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為8-K-1(8為輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),K為隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),1表示輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1個(gè))的SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型.其中隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)K對(duì)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)精度的影響重大,數(shù)目過(guò)多容易出現(xiàn)過(guò)擬合的現(xiàn)象,數(shù)目過(guò)少又會(huì)增大誤差[10].因此,筆者先利用經(jīng)驗(yàn)公式確定K的大致范圍,再用試湊法找出其最佳數(shù)目.經(jīng)驗(yàn)公式[10-11]為

K=lbm,

(1)

(2)

(3)

式中:m、n分別為輸入層和輸出層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),個(gè);α為常數(shù),取值為1～10.通過(guò)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型不斷進(jìn)行測(cè)試,得知節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10個(gè)時(shí)擬合效果最好,因此,建立結(jié)構(gòu)為8-10-1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,圖中Wij為輸入層第i個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)與隱含層第j個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間連接權(quán)值,Vjk為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)與輸出層第k個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間連接權(quán)值.

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 樣本選取及量綱一化處理

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型包括訓(xùn)練和預(yù)測(cè)兩個(gè)部分.本研究中,在48組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,隨機(jī)選取70%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,其余30%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練前,為了能夠達(dá)到更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果,需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱一處理,使得各個(gè)維度不同的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化到[0,1]區(qū)間內(nèi),以此來(lái)消除各輸入樣本之間數(shù)量級(jí)的差異.目前最常用的量綱一化處理方法為最大最小法,該方法的計(jì)算式[12]為

(4)

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)與結(jié)果分析

本研究中,設(shè)定的最大迭代次數(shù)為2 000次,目標(biāo)誤差為1×10-5次,對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練.經(jīng)過(guò)12次迭代后,訓(xùn)練停止.圖5為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集及全部數(shù)據(jù)的線(xiàn)性回歸擬合結(jié)果,該結(jié)果能夠反映樣本實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)程度[13].由圖5可知,訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集及全部數(shù)據(jù)擬合精度R分別為0.999 98、0.988 74、0.986 74及0.996 32,可見(jiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中3個(gè)子集及全部數(shù)據(jù)的期望輸出值與網(wǎng)絡(luò)輸出值均有較高的擬合度,說(shuō)明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的工作性能.

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各子集的線(xiàn)性回歸擬合結(jié)果

齡期為28 d時(shí),組號(hào)S16F0、S24F0、S0F3、S0F6、S0F9、S8F3、S8F6、S8F9、S16F3、S16F6、S16F9、S24F3、S24F6和S24F9的樣本編號(hào)依次為1-14,其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比如圖6所示.由圖6可知,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的R2為0.956 22,并且抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的誤差絕對(duì)值均小于4 MPa,最大相對(duì)誤差為8.16%,平均相對(duì)誤差為4.54%.由于訓(xùn)練樣本有限,預(yù)測(cè)樣本較少,因此會(huì)存在一定的誤差,但總體預(yù)測(cè)結(jié)果較為理想.說(shuō)明采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型是可行的,可以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐中.

圖6 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié) 論

1)機(jī)制砂混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度隨SAP摻量的增加均呈先升高、后降低的趨勢(shì).當(dāng)SAP摻量為0.08%時(shí),相比其他SAP摻量,機(jī)制砂混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值,且不同石粉摻量機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度得到顯著提高,特別是與9%石粉復(fù)摻時(shí),抗壓強(qiáng)度最高.

2)不同石粉摻量的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度均隨SAP摻量的增加呈現(xiàn)先降低、后升高、再降低的趨勢(shì).當(dāng)SAP摻量為0.16%時(shí),相比其他SAP摻量,不同石粉摻量的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,其中0.16%SAP與6%石粉進(jìn)行復(fù)摻,機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好.

3)結(jié)合本研究中抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù),建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,將預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值進(jìn)行擬合,擬合精度R2達(dá)到0.956 22,因此可以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐中.