基于灰色關聯的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性評估

程 琤

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

由于我國西北地區氣候、環境等自然條件比較惡劣，建筑物長期處于惡劣的環境中，會使混凝土受到多因素耦合作用，減少混凝土的使用壽命[1]。在工程建設中，只有了解把控多因素耦合作用發展趨勢，才能獲取能夠增強混凝土材料耐久性的配合比，為特殊環境下混凝土的配比與應用提供參考。在西北地區景泰川電力提灌工程中，筆者引入灰色關聯度分析法，采用碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環加濕試驗，對混凝土材料進行多因素耦合作用下的耐久性試驗。獲得基于灰色關聯的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性評估結果。

1 試驗

1.1 試驗材料和方案設計

首先考慮景泰川電力提灌工程所在區域的氣候特征，并通過水膠比、粉煤灰對混凝土耐久性的影響以及水工混凝土建筑物的服役環境，設計混凝土材料的配比，如表1所示。

表1 混凝土材料的配比設計

試驗運用人工加速鹽離子侵蝕與加速干濕循環方法完成試驗，采用強度為42.5級水泥作為混凝土試塊，將汝河河砂作為細骨料材料，將5～25mm表面粗糙的連續級配碎石作為粗骨料，該碎石質地較堅硬[2]。試驗測試質量和動彈模量運用120mm×120mm×380mm 的長方體作為試驗試件。

首先將混凝土試件在標準條件下養護28d，取出后再進行28d 的碳化處理，試驗前2 天將試塊從養護室中取出。檢測該試件的各項初始值，然后將試件放入烘干箱內，在低于60℃的條件下進行烘干，烘干時長為48h。試件碳化至28d時將其取出。試件每進行十次硫酸鹽干濕循環后，進行一次測試，主要測試試件的質量、動彈模量與抗壓強度[3-4]。依據混凝土材料的試驗規程，當混凝土模量高達60%，質量損壞程度達到5%，或已經進行120次干濕循環時結束試驗[5]。

1.2 測試結果與分析

為驗證多因素耦合作用下混凝土材料的耐久性，以混凝土試件的抗壓強度、質量損失率與相關動彈性模量作為評估指標。

（1）首先在不同水膠比情況下，測試混凝土試件的耐久性，如圖1所示。根據圖1可見，在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環加濕多因素耦合作用下，水膠比為0.44、0.49、0.54的混凝土試件耐久性評估指標的整體趨勢相同。混凝土的緊密程度會隨著水膠比的降低而提高，然而混凝土試件的相對動彈性模量會隨著水膠比的提高而降低速率，增加質量損失速度，最后導致混凝土試件的質量損失極大，沒有質量穩定階段。

圖1 不同水膠比混凝土試件的耐久性

（2）在不同粉煤灰摻量情況下，測試混凝土試件的耐久性，如圖2所示。

圖2 不同粉煤灰摻量下混凝土試件的耐久性

根據圖2可見，在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環加濕多因素耦合作用下，摻加一定量的粉煤灰可以增加混凝土材料的耐久性，降低混凝土材料的劣化程度。在一定范圍內，混凝土試件的相對動彈性模量、抗壓強度耐蝕系數與損失率會隨著粉煤灰摻量的增加而提高，但并不是粉煤灰摻量越多越好，根據試驗可知粉煤灰的最優摻量大約在20%～30%的范圍內。

2 基于灰色關聯度的混凝土耐久性評估

混凝土材料耐久性評估，要以灰色關聯度作為評估依據，具體計算公式為：

評估混凝土材料耐久性時，首先對中間層次的各試件進行耐久性評估，并以試件的耐久性評估結果作為初始值，再以此計算歸一化值、指標權重、關聯系數，最終確定灰色關聯度，以此劃分混凝土材料耐久性等級。

基于灰色關聯度大小，混凝土材料耐久性評估狀態分為5級，具體如表2所示。

表2 混凝土材料耐久性評估標準

根據表2可知，如果評估等級為1級或2級，說明此時混凝土材料無需進行修復，只需要進行日常維護即可；如果評估等級為3級，說明需要對混凝土材料進行修復才能恢復其安全性；如果評估等級為4級，說明需要對混凝土材料進行安全性評估，并采取相應措施及時修復；如果評估等級為5級，那么應該立即提出解決方案，盡快修復混凝土材料。

3 試驗結果

計算P2組試驗數據和每10次循環后各評估指標相對于最優指標的關聯系數，具體如表3所示。

表3 各評估指標關聯系數

根據表3所見，隨著循環次數的增加，各指標的關聯系數整體呈下降趨勢，在循環30次的時候，關聯系數的值最高。說明多因素耦合作用下混凝土材料干濕循環30次時耐久性最好。

根據本文方法計算得出多因素耦合作用下混凝土材料各評價指標在循環后對于最優指標關聯度為R=（0.872，0.921, 10.999, 0.892, 0.781, 0.611, 0.533, 0.462,0.407,0.365）。采取同樣計算方法可以獲得每個試驗組在每次循環后相對于最優指標的關聯度，具體如表4所示。

表4 各試驗組關聯度值

根據表4可見，在試驗的前20天，混凝土材料的耐久性關聯度值并未達到最高值，而最高值出現在第30天，但這種現象并不能代表混凝土材料在20天內已經出現損傷。多因素耦合作用下混凝土材料耐久性關聯度值的變化趨勢均為先上升再下降，關聯度最大值均出現在第30天，說明混凝土材料整體上出現了耐久性先增強再下降的過程。當試驗第50天時，混凝土材料耐久性處于優等狀態，當試驗80天時，混凝土材料耐久性處于低劣狀態。通過對比各試驗組在不同時期的關聯度值可知，無論何時，P組的關聯度值始終處于P1＞P2＞P3的順序，說明混凝土水灰比越小，混凝土材料的耐久性越強；在M組試驗中，M2的關聯度值始終為最大值，說明摻入一定量的粉煤灰能夠提高混凝土材料的耐久性，且最優摻量處于20%左右。在N組試驗中，N1、N3的關聯度值差距較小，說明摻入引氣劑能夠增加混凝土材料的耐久性，但是實際效果并不明顯。

4 結束語

本文為更好評估碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環加濕多因素耦合作用下混凝土的耐久性，引用灰色關聯度法，為驗證多因素耦合作用下混凝土材料的耐久性，以混凝土試件的抗壓強度、質量損失率與相關動彈性模量作為評價混凝土材料耐久性的指標。降低了主觀因素對于評估結果的影響，降低計算難度。但是本文僅考慮了三個評估指標，存在評估指標較少的問題，仍需根據當地情況進行改善。