再生骨料透水混凝土亞高溫-冷卻性能研究

陳守開，蔣海峰，郭 磊，汪倫焰

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045；3.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450045)

近年來，隨著再生骨料透水混凝土(Recycled Aggregate Pervious Concrete，RAPC)的廣泛應(yīng)用，針對于RAPC性能的試驗(yàn)與研究也越來越引起人們的重視。亞高溫狀態(tài)是一種相對的狀態(tài)，與火災(zāi)、火爐等高溫環(huán)境相比，亞高溫狀態(tài)下溫度交替變化速率較為緩慢和均勻，水淬溫差也較小，當(dāng)RAPC處于溫度不高但環(huán)境溫度交替變化的環(huán)境中時，其力學(xué)性能也會發(fā)生改變。目前，針對于(亞)高溫環(huán)境再生混凝土性能變化已有一定的研究。與普通混凝土相比，高溫狀態(tài)下含有再生骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度損失較大[1]；混凝土試件在20～400 ℃時抗壓強(qiáng)度降低相對平緩，在400～800 ℃時，抗壓強(qiáng)度降低趨勢相對顯著，但劈拉強(qiáng)度始終呈線性下降[2]。Shaikh[3]研究了200 ℃高溫下再生混凝土殘余抗壓強(qiáng)度變化情況，結(jié)果表明，再生混凝土殘余強(qiáng)度比普通混凝土小，但彈性模量變化不大。Yang等[2]的研究表明再生混凝土強(qiáng)度隨溫度的升高而減小，其中，劈拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度下降更快。Taimur[1]采用不同的加熱方式和測試條件，研究了混凝土包括抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度以及應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)等在內(nèi)的機(jī)械性能變化，結(jié)果表明，再生混凝土初始抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低約11%，高溫狀態(tài)下再生混凝土抗壓強(qiáng)度保留率較高，即比普通混凝土損失小，劈拉強(qiáng)度則損失較大。陳宗平等[4]通過相似試驗(yàn)，表明再生混凝土彈性模量與峰值應(yīng)力會隨溫度的增加而逐漸降低，且峰值應(yīng)變與加熱溫度呈正相關(guān)。萬夫雄等[5]研究了在不同溫度下、不同冷卻方式下，再生混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢，結(jié)果表明：自然冷卻條件下，再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨加熱溫度的上升呈現(xiàn)先增后減的趨勢；澆水冷卻條件下，抗壓強(qiáng)度則隨加熱溫度升高而減小；從微觀層面上看，隨著加熱溫度升高，混凝土內(nèi)部存在的界面裂縫均呈變寬趨勢，只是澆水冷卻產(chǎn)生的損傷更為嚴(yán)重。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用誤差反向傳播算法進(jìn)行訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]，是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里面應(yīng)用最廣泛的模型之一。陳守開等[7]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，建立了RAPC預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、孔隙率及滲透系數(shù)等性能相互預(yù)測的目的，結(jié)果表明其平均相對誤差均在10%以內(nèi)，精度較高。Shirgir等[8]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了透水混凝土性能預(yù)測模型，以細(xì)骨料含量、孔隙率、水灰比、骨料均勻系數(shù)和最大比重為輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)了對抗壓強(qiáng)度與滲透系數(shù)的預(yù)測，相對誤差為1.09%。季韜等[9]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了以混凝土等效水灰比、骨料平均漿體厚度以及粉煤灰與膠凝材料用量比為輸入?yún)?shù)的混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型，均方誤差為0.103，結(jié)果吻合較好。目前，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于混凝土力學(xué)性能預(yù)測分析中。但有關(guān)于RAPC在亞高溫-冷卻方面尚缺乏相關(guān)研究，本文通過試驗(yàn)并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，深入研究亞高溫-不同冷卻方式下RAPC抗壓強(qiáng)度的變化特征，為RAPC的理論發(fā)展與工程應(yīng)用提供支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所需材料及來源：①水。鄭州市自來水。②水泥。豐瑞天博 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為49.6 MPa、劈拉強(qiáng)度為8.6 MPa。③再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)。由C30廢棄混凝土路面經(jīng)人工錘石與顎式破碎機(jī)破碎，后由振篩機(jī)篩分后獲得4.75～9.5 mm粒徑的RCA，RCA性能按《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行測試，相關(guān)指標(biāo)滿足《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11]，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 再生粗骨料的性能參數(shù)表

1.2 配合比及試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)已有研究與相關(guān)論文[12-13]，試驗(yàn)選定RAPC水灰比0.30。考慮再生粗骨料吸水率高，按15 min吸水率增加附加用水量[14]，以保證實(shí)際水灰比變動不大，具體配合比見表2。

表2 配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共需邊長為100 mm立方體試件59組，用于亞高溫-冷卻試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)定5種加熱溫度T，即20、80、120、160、200 ℃；采用4種冷卻方式，即水冷、風(fēng)冷、自冷、高溫狀態(tài)。

試件制作采用粗骨料全造殼法[15]工藝，待水、水泥和粗骨料混合均勻后插搗成型，具體如下：采用二次投料法；首先將骨料和30%的拌和用水投入攪拌機(jī)，攪拌30 s，骨料預(yù)濕有助于膠結(jié)料包裹；然后投入水泥，攪拌30 s，使得膠結(jié)料充分包裹骨料；最后投入剰余70%的拌和用水，顆粒漿體開始變得粘稠并相互粘結(jié)，攪拌60 s出料，然后將表面抹平在常溫下覆膜靜置24 h，拆模后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 試驗(yàn)方法

亞高溫-冷卻試驗(yàn)時，將養(yǎng)護(hù)28 d的RAPC試件放入電熱恒溫干燥箱加熱至設(shè)計(jì)溫度，并保持恒溫6 h，加熱完成后及時稱重，具體試驗(yàn)方法如下：①亞高溫試件直接測試抗壓強(qiáng)度；②自然冷卻試件，放置于室內(nèi)，待冷卻至常溫后稱重并測試抗壓強(qiáng)度；③浸水冷卻試件，放入水中冷卻至常溫，稱重并測試抗壓強(qiáng)度；④涼風(fēng)冷卻試件，置于風(fēng)口冷卻至常溫后稱重并測試抗壓強(qiáng)度。劈拉強(qiáng)度采用相同方式試驗(yàn)，此處不再贅述。強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C39/C39M-2010，由WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(上海華龍測試儀器股份有限公司)完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常溫-亞高溫強(qiáng)度變化規(guī)律分析

2.1.1RAPC常溫性能

常溫RAPC性能實(shí)測結(jié)果見表3，均滿足透水混凝土強(qiáng)度3.5～28.0 MPa[16]的要求。

表3 常溫下RAPC性能參數(shù)(基準(zhǔn)值)

2.1.2亞高溫狀態(tài)下RAPC質(zhì)量損失與強(qiáng)度性能

圖1為RAPC質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度以及劈拉強(qiáng)度隨加熱溫度變化規(guī)律。與常溫狀態(tài)(20 ℃，基準(zhǔn)值)相比，加熱至80、120、160 ℃以及200 ℃時，RAPC的質(zhì)量損失逐漸增大，強(qiáng)度數(shù)值均呈先增后降的趨勢，但抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)值，而劈拉強(qiáng)度除80 ℃外，其他均低于基準(zhǔn)值。這一現(xiàn)象反映了加熱既有使RAPC強(qiáng)度提高的一面，也有使強(qiáng)度損失的一面。比較直觀的理解是，加熱會對“水”在RAPC中的作用產(chǎn)生影響，一方面，適當(dāng)加熱(如80 ℃時)會加快RAPC水化反應(yīng)速率，使強(qiáng)度提高占主導(dǎo)[17]；另一方面，加熱會導(dǎo)致水分損失，當(dāng)達(dá)到一定溫度時試件毛細(xì)孔與凝膠孔脫水，會增加RAPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，使強(qiáng)度損失占主導(dǎo)[1-2]，溫度越高，脫水越多，強(qiáng)度也越低。

圖1 RAPC質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度以及劈拉強(qiáng)度隨加熱溫度變化規(guī)律

2.2 亞高溫-冷卻狀態(tài)下強(qiáng)度變化規(guī)律分析

圖2、圖3反映了亞高溫冷卻后RAPC抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度變化規(guī)律。由結(jié)果可知，冷卻會引起試件損傷從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，其中浸水冷卻影響最大，涼風(fēng)冷卻次之，自然冷卻最小。RAPC冷卻后抗壓強(qiáng)度變化率見表4。從表4可知，80 ℃時，相比亞高溫狀態(tài)，自然冷卻后RAPC強(qiáng)度損失12.5%(12.82 MPa)，涼風(fēng)冷卻和浸水冷卻分別損失18.5%(11.94 MPa)和19.5%(11.80 MPa)；而200 ℃時，相比亞高溫狀態(tài)，后兩種冷卻強(qiáng)度分別下降25.3%和46.5%，即加熱溫度越高，強(qiáng)度損失也越大。自然冷卻在4種加熱溫度下強(qiáng)度損失率變化不大，在12.3%左右。這是由于急劇冷卻(風(fēng)冷和水冷)時，受冷熱沖擊的影響，試件表面會出現(xiàn)大面積微裂紋，其內(nèi)部冷卻損傷較多[18]，導(dǎo)致RAPC強(qiáng)度快速劣化，并且加熱溫度越高損傷越大，尤以浸水冷卻狀態(tài)下的損傷最為明顯[19]；而自然冷卻屬于緩慢冷卻，其冷卻時間較長，冷卻損傷較小，由于加熱溫度越高冷卻時間也越長，試件溫度高或低的影響往往差別不大。劈拉強(qiáng)度變化存在相同的趨勢，此處不再贅述。

圖2 冷卻方式對RAPC抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 冷卻方式對RAPC劈拉強(qiáng)度的影響

表4 RAPC冷卻后抗壓強(qiáng)度變化率

可見，亞高溫狀態(tài)下，冷卻會引起RAPC損傷導(dǎo)致強(qiáng)度損失，溫度越高、冷卻越劇烈強(qiáng)度損失也越大。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的亞高溫-冷卻性能試驗(yàn)強(qiáng)度預(yù)測

3.1 BP模型建立

由上述分析可知，在亞高溫-冷卻作用下，RAPC內(nèi)部在水分含量變化、冷卻損傷與水化反應(yīng)等多重作用下強(qiáng)度發(fā)生改變，但這些作用對強(qiáng)度的影響卻難以直接給出。為此，可通過設(shè)定不同影響因素及相應(yīng)強(qiáng)度的變化建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以此描述這種影響。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以預(yù)測RAPC抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)，設(shè)定密度、加熱溫度、冷卻方式、齡期、加熱-冷卻次數(shù)、質(zhì)量損失率等6個指標(biāo)作為輸入?yún)?shù)，參照2.1、2.2節(jié)分析，針對不同冷卻方式對RAPC強(qiáng)度影響程度的高低，進(jìn)行人為賦值，由小到大分別代表冷卻條件的影響系數(shù)，且影響程度越大，數(shù)據(jù)賦值越大；常溫∶亞高溫∶自然冷卻∶涼風(fēng)冷卻∶浸水冷卻=0∶0.25∶0.5∶0.75∶1。此處選用單隱含層，并用試湊法[20]確定隱含層神經(jīng)元數(shù)目，即

(1)

式中，l為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；α為調(diào)節(jié)常數(shù)，范圍在1～10之間。

為探索最佳預(yù)測模型結(jié)構(gòu)，經(jīng)多次計(jì)算、訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12時，訓(xùn)練效果最佳，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。訓(xùn)練總樣本容量共59組數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取9組數(shù)據(jù)作為檢測樣本，占總樣本量的15.3%，其余50組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本。迭代次數(shù)設(shè)定為1 000次，誤差范圍0.01，修正系數(shù)0.02。

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

3.2 預(yù)測結(jié)果分析

分析模型相關(guān)曲線可知，模型的均方誤差隨訓(xùn)練次數(shù)的增加而不斷降低，其最小均方誤差僅為7.17×10-4。最小梯度值Gradient由初始值100逐漸降低至2.89×10-3，曲線有一些波動，但基本滿足誤差值范圍要求，小于規(guī)定的最大值1×10-2；參數(shù)u由1×10-3逐漸減小至1×10-5，未出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。相關(guān)系數(shù)R值反映了訓(xùn)練樣本實(shí)際值與預(yù)測值的線性關(guān)系，模型R值為0.981 9，說明整體預(yù)測效果很好。

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，用仿真數(shù)據(jù)樣本測試亞高溫-冷卻性能試驗(yàn)強(qiáng)度預(yù)測模型的預(yù)測效果(見圖5、6)，經(jīng)9個仿真樣本的測試表明，亞高溫-冷卻性能試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型預(yù)測抗壓強(qiáng)度實(shí)測與預(yù)測值平均絕對誤差均在1.26 MPa以內(nèi)，其最大相對誤差為17.65%，平均相對誤差為11.45%，劈拉強(qiáng)度預(yù)測平均絕對誤差為0.13 MPa，最大相對誤差為20.03%，平均相對誤差為9.96%，整個模型泛化能力良好。由此說明，通過設(shè)立不同的輸入?yún)?shù)，如溫度、冷卻方式等，可描述RAPC內(nèi)部存在的水分含量變化、冷卻損傷與水化反應(yīng)的綜合影響，并實(shí)

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抗壓強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)際值對比

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)劈拉強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)際值對比

現(xiàn)RAPC強(qiáng)度的預(yù)測。

4 結(jié) 論

(1)常溫下，RAPC抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度分別為10.07、1.58 MPa(基準(zhǔn)值)。隨溫度升高，RAPC質(zhì)量損失逐漸增大，強(qiáng)度則表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律。與基準(zhǔn)值相比，4種亞高溫狀態(tài)下，RAPC抗壓強(qiáng)度均增加，而劈拉強(qiáng)度除80 ℃外均有所降低，如80 ℃時，質(zhì)量損失率最小，為2.59%，強(qiáng)度最高，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別增加了45.54%(14.65 MPa)和14.40%(1.81 MPa)，而到200 ℃時，質(zhì)量損失率達(dá)11.29%，抗壓強(qiáng)度增幅降為22.92%，劈拉強(qiáng)度則變?yōu)榻捣?3.05%。

(2)總體而言，冷卻會導(dǎo)致RAPC強(qiáng)度發(fā)生損傷，且初始溫度越高、冷卻越劇烈，損傷也越大，其中，浸水冷卻影響最大，涼風(fēng)冷卻次之，自然冷卻強(qiáng)度性能保留最佳。自然冷卻時，RACP強(qiáng)度損失變化不大，降幅在12.3%處浮動，而浸水冷卻時，80 ℃的RAPC抗壓強(qiáng)度降幅為19.5%(11.80 MPa)，到200 ℃，達(dá)46.5%，僅有6.62 MPa。

(3)分析表明，亞高溫-冷卻狀態(tài)下，引起RAPC強(qiáng)度增加或損失的機(jī)理成因復(fù)雜，難以直接量化，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法為間接分析這一成因提供了有效途徑。本文以密度、加熱溫度、冷卻方式、齡期、循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量損失率等6個可量測指標(biāo)作為輸入?yún)?shù)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)RAPC強(qiáng)度性能預(yù)測，抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度相對誤差、絕對誤差平均值分別為11.45%和9.96%、1.26 MPa和0.13 MPa，這表明RAPC強(qiáng)度性能的可預(yù)測性和與輸入指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。