基于灰色系統理論的礦渣混凝土氯離子擴散性能與孔結構研究

張雪勤 徐鋒

摘? 要：為了提高混凝土抗氯鹽侵蝕耐久性能，研究礦渣混凝土氯離子擴散系數與微觀孔結構參數之間的關系。基于灰色系統理論，分析了孔結構分布、總孔隙率、平均孔徑、最可幾孔徑對礦渣混凝土氯離子擴散系數的影響程度，有效區分多種因素的主次關系。研究結果表明：平均孔徑氯離子擴散系數的影響程度最大，其次為最可幾孔徑，<20 nm的無害孔和20～50nm的少害孔對氯離子擴散性能的影響不大。

關鍵詞：礦渣? 氯離子擴散系數? 孔結構? 平均孔徑? 灰色關聯度

中圖分類號： TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）07（b）-0061-04

Abstract： In order to improve the durability of concrete against chloride corrosion， the relationship between chloride diffusion coefficient of slag concrete and micro pore structure parameters was studied. Based on the Grey system theory， the influence degree of pore structure distribution， total porosity， average pore diameter and the most probable pore diameter on chloride diffusion coefficient of slag concrete is analyzed， and the primary and secondary relations of various factors are effectively distinguished. The results show that the average pore size has the greatest influence on the diffusion coefficient of chloride ion， followed by the most probable pore size， and has little influence on the diffusion performance of chloride ion for the harmless pore size < 20 nm and the less harmful pore size from 20 nm to 50 nm.

Key Words： Slag; Chloride diffusion coefficient; Pore structure; Average pore size; Grey correlation degree

混凝土材料是一種典型的耐久性材料，但是本質上是一種非均勻的多孔材料。在服役環境中，當氯離子通過混凝土孔隙侵入到其內部時，混凝土會加速破壞，使用壽命大大縮短。研究發現氯離子的侵蝕速率主要取決于氯離子擴散系數。而氯離子在擴散系數這項宏觀性能，取決于其微觀孔結構組成，研究混凝土宏觀性能與微觀結構之間的關系已經成為主要學科之一。

目前，國內外學者的研究主要集中在氯離子擴散系數與單一孔結構參數之間的關系。如，Pivonka等通過試驗研究出水泥石氯離子擴散系數、孔隙率及孔隙溶液中氯離子擴散系數，并且得出水泥石氯離子擴散系數與孔隙率和孔隙溶液中氯離子擴散系數之間的關系。高禮雄等人研究表明：水泥基復合材料的氯離子擴散系數與其毛細孔孔隙率之間有明顯的線性關系;同時，得出氯離子擴散系數與其連通孔徑之間的關系，氯離子擴散系數隨連通孔徑的增加而增加。謝超[1]等研究表明，水泥砂漿孔分形維數與混凝土的氯離子滲透系數存在良好的相關性。但是，在分析氯離子擴散系數與各微觀孔結構的孔隙率、連續孔徑、孔分形維數等的關系時，并沒有考慮各因素之間的相互影響、相互制約的關系以及礦渣摻入的混凝土孔結構參數對氯離子擴散系數的影響程度研究較少。

鑒于此，本文通過礦渣混凝土孔結構和氯離子擴散性試驗，深入分析礦渣混凝土氯離子擴散系數與微觀孔結構的關系[2]，利用灰色關聯理論研究各個孔結構參數與氯離子擴散系數之間的關聯關系，計算分析礦渣混凝土各孔結構參數與氯離子擴散系數的灰色關聯度，得出其影響氯離子擴散系數的主要因素和次要因素，從而確定孔結構各微觀參數與氯離子擴散系數之間的密切關系，更好地控制礦渣混凝土的抗氯離子擴散性能[3]。其規律可用于指導耐久性混凝土的設計與配置，對全面提高混凝土結構的服役壽命具有重要意義[4]。

1? 試驗原材料

碩士論文已經進行了礦渣混凝土氯離子擴散系數和孔結構試驗[5]。試驗混凝土材料采用PⅡ52.5級水泥，粒徑為5～25mm的連續級配碎石，細度模數為2.3～3.0的河砂。礦渣采用S95級礦粉。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率在32%左右?；炷翉姸仍O計等級為C35，配置了五組不同礦渣摻量的混凝土，養護齡期取28d、90d，混凝土坍落度控制在90±20mm，其配合比見表1。

按設計配合比稱取原材料，在混凝土攪拌機中攪拌，先加入石子和砂，預拌少許時間。然后繼續加入膠凝材料和水攪拌，總攪拌的時間為3min。將攪拌均勻的混凝土裝入直徑為100mm，高為200mm的PVC管材中。在實驗室靜置24h后拆模、編號，然后轉入標準養護室養護至28d、90d。

2? 灰關聯熵分析

根據劉思峰[6]等研究的灰色系統理論，這套理論主要以少數據、貧信息系統為研究對象，分析各個因素之間的影響程度及關聯度。具體步驟如下。

假設影響混凝土氯離子擴散系數的各個因素為序列X1～Xn，混凝土的氯離子擴散系數為Yi，即氯離子擴散系數作為主序列，孔結構參數作為參考系列Xi，如表2所示。

第一步：對原始數據進行無量綱化處理，得出各個序列的初始值或均像值。

如表3所示：

第二步：計算主序列與子序列之間的差值。

如表4所示。

第三步：計算兩極最大差和最小差。

查表4可得出，M=3.028173，m=0

第四步：計算關聯系數。

其中，為分辨系數，一般取0.5。

如表5所示。

第五步：計算關聯度。

如表6所示。

表6為氯離子擴散系數與孔結構各項參數的關聯度計算結果。從表6中看出，氯離子擴散系數與孔結構各項參數的關聯度排序由大到小為：平均半徑>最可幾孔經>總孔隙率。氯離子擴散系數與孔徑分布關聯度排序由大到小為：50nm～200nm >大于200nm >20 nm～50nm >小于20nm。顯而易見，平均孔徑與氯離子擴散系數的關聯度最大，即控制平均孔徑對抵抗氯離子擴散性能意義非常重大。同時，最可幾孔徑與氯離子擴散系數的關聯度也很大，僅次于平均孔徑，總孔隙率和大于200nm的孔對氯離子擴散系數的影響也很顯著。所以，分析孔結構參數與氯離子擴散系數之間的關系，不能簡單地分析單一因素對氯離子擴散系數的影響，要進行綜合考慮，最終建立氯離子擴散系數與多種孔結構參數的定量關系式，才可以更加精確地預測混凝土的宏觀性能[7-8]。在關聯度的計算中，還可以看出，孔徑<20nm的無害孔和20～50nm的少害孔的分布對氯離子擴散性能的影響最不顯著，因此在分析氯離子擴散系數與孔結構參數關系時可予以剔除。

3? 結語

采用灰色關聯方法分析礦渣混凝土孔結構參數與其抗氯離子擴散性能的關系。由氯離子擴散系數與孔結構各參數的關聯度可知，平均半徑是影響礦渣混凝土抗氯離子擴散性能的最大因素，最可幾孔徑次之?？讖?20nm的無害孔和20nm～50nm的少害孔的分布對氯離子擴散性能的影響最不顯著，該結論是否適用于其他礦物摻合料混凝土，還需要進一步的研究。

參考文獻

[1] 謝超，王起才，李盛，等.養護溫度和水灰比對混凝土孔結構的影響研究[J].混凝土，2016（6）：15-19.

[2] 胡艷麗，郝晉高，趙向敏，等.泡沫輕質混凝土性能與孔結構研究究[J].南京理工大學學報，2019，43（3）：363-366.

[3] 辛紹強，王偉，呂艷梅.基于灰關聯熵分析的再生混凝土抗壓強度影響因素研究[J].內蒙古公路與運輸，2018（4）：30-33.

[4] 張凱，王起才，楊子江，等.多年凍土季節活動層區引氣混凝土孔結構演變規律與抗凍性研究[J].硅酸鹽通報，2019，38（3）：609-614.

[5] 張雪勤.雙摻粉煤灰和礦渣混凝土的氯離子擴散機理研究[D].南京：南京工業大學，2015.

[6] 王飛，王少強，王建，等.高性能混凝土耐久性能試驗研究[J].混凝土，2020（4）：107-109.

[7] 薛翠真，申愛琴，郭寅川.基于孔結構參數的摻CWCPM混凝土抗壓強度預測模型的建立[J].材料導報，2019，33（4）：1348-1353.

[8] 周莉.土木工程建筑中混凝土結構的施工技術分析[J].科技創新導報，2018，15（34）：32-33.