复杂环境下混凝土动弹性模量的灰色预测.pdf

1 5 0 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g Oc t o b e r ，2 01 2 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 1 0 0 1 5 0 0 4 复杂环境 下混凝土动弹性模量 的灰色预测 郭钟群 ， 赵奎 ， 谢 良 ， 肖海平 ( 1 江西理 工大学 建筑 与测绘工程学 院 ， 江西 赣州3 4 1 0 0 0 ； 2 江西理工大学 工程研究院 ， 江西 赣 州3 4 1 0 0 0 ) 摘要 ： 干湿循环条件下混凝土性能所涉及到的问题较 多， 具有不确定性。在混凝土受干湿循环硫酸盐腐 蚀 的 试验基 础上 ， 研 究 了不 同环 境条件 下 混凝 土动 弹性模 量 的 变化规 律 ， 并运 用灰 色 系统理 论 ， 对 混凝 土动弹性模量值进行 了预测。结果表明， 干湿循环条件下， 试件的动弹性模量在初期有微小上升后 明显 下 降 ； 浸 泡环境 下 ， 试件 的动弹性 模量 先上 升后缓 慢 下 降 ， 说 明干 湿循 环 较 浸 泡环 境 下混 凝 土 腐蚀 更 快 速 。G M( 1 ， 1 ) 灰 色模 型对 混凝 土动 弹性模 量预 测精 度较 高 ， 为 混凝 土受腐蚀 破 坏的预报 提供 了参 考 。 关键 词 ： 灰 色理 论混凝 土硫 酸 盐腐蚀 干 湿循 环动 弹性模 量 中图分类 号 ： T U 5 2 8 3 3 文 献标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 1 0 4 5 动弹 性模量 是评 价干湿 循 环条件 下混凝 土抗 硫酸 盐侵蚀性能的一个重要指标 。大量研究表明， 干湿循 环条 件下 的混凝 土受 到硫 酸盐 的侵蚀 要 比长期 处于浸 泡环境中的混凝土更加严重 ， 其力学性能下降更 明 显 ， 但对其长期性能的预测， 国内外研究较少。灰色理 论适 用 于无经 验 、 少 数据 的不 确定性 问题 ， 并且 灰色 理 论 G M( 1 ， 1 ) 模型建模所需样本量少 ， 计算方法简便 ， 对系统已知数据的模拟和对未知数据 的预测精度均较 高 。本文 采用 动 弹性模量 为判 据来评 价混 凝土 在干 湿 循环条件下抗硫酸盐侵蚀 的性能 ， 并 以试验测得的数 据为建模样本 ， 运用灰色预测理论进行分析 ， 对其动弹 性模 量 的发 展趋势 进行 预测 。 1 灰 色理论 与预测模型 1 1灰 色 系统理 论 在控制论中， 常用颜色的深浅形容信息的明确程 度 。灰 色系 统 是 相对 于 白色 系 统 和 黑 色 ( 黑 箱 ) 系 统 而言的。一个由诸多事物或参数构成的系统 ， 如果事 物或参数间的关系完全明确 ， 或可用数学模型给出的， 则称为白色系统 ； 如果事物或参数问的关系是未知 的 系统 ， 称为 黑 色 ( 黑 箱 ) 系统 ； 而 灰 色 系统 则 介 于 白色 系统与黑色系统之间， 只已知部分信息， 是信息不完全 的系统。这里“ 信息不完全” 一般是指 ： 参数信息不 完全 ； 结构信息不完全 ； 边界信息不完全 ； 运行 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 - 1 3 ； 修 回13期 ： 2 0 1 2 0 3 2 0 基 金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 4 0 6 9 ) ， 江西省教育厅青 年 科学基金资助项 目( G J J 1 1 1 3 0 )， 江西理工大学科研基金项 目 ( j x x j l 1 0 0 8 ) 作者 简介 ： 郭钟群 ( 1 9 8 7 一) ， 男 ， 江西九江人 ， 助教 ， 硕士 。 行为信 息不 完全 。 灰色 系统理 论 是 中 国学 者 邓 聚龙 教 授 在 1 9 8 2年 所创 立 的一 种研 究少 数 据 、 贫 信 息 不 确定 问题 的 新 方 法 。它 的一个基 本 观点 是 ， 把 一 切 随 机量 都 看 作 是 在 一 定范围内变化的灰色量 。对灰色量的处置不是寻找 概率分布 、 寻求统计规律 ， 而是将原始数据按一定的要 求作生成 、 开发处理 ， 提取有价值的信息 ， 从 而实现对 系统 行为 和演 化规律 的探 索和有 效监 控 。 1 2建立预 测模 型 灰色 预测 是基 于人们 对 系统演 化 的不 确定 性特 征 的认识 ， 运用序列算子对原始数据进行生成、 处理， 挖 掘系统的演化规律 ， 建立灰色系统模型 ， 对 系统的未来 状 态 做 出 科 学 的定 量 预 测 ， 即 是 基 于 灰 色 动 态 模 型 ( g r e y d y n a m i c m o d e l ， G M) 的预测。一般预测模型是因 素模型 ， 由于客观世界是一个整体 ， 各因素之间总存在 着某种直接或间接的联 系， 若按 因素的变化来预测 系 统的行为， 则 由于因素中又含有因素 ， 最后分析者将 坠 入 因素 的海洋 而不 能 自拔 ， 所 以灰 色 理 论 主 张用 单 因 素模型 G M( 1 ， 1 ) 进 行 预 测 ， 而把 基 于 G M( 1 ， 1 ) 模 型 的预 测 称 为 灰 色 预测 。G M( 1 ， 1 )的 含 义 为 一 阶 ( o r d e r ) 、 1 个变 量 ( v a r i a b l e ) 的 灰色 模 型 ( g r e y m o d e 1 ) ， 是基本预测模型 ， 具有全信息 。本文对干湿循环 条 件下混凝土受硫酸盐侵蚀时动弹性模量的发展趋势进 行预测 ， 只有时间 1个因素 ， 所 以采用 G M( 1 ， 1 ) 模型 。 灰色 G M( 1 ， 1 ) 模型建立过程如下 ： 设 原始 数列 为 X 们 ： 。 ( 1 ) ， 。 ( 2 ) ， ， 。 ( t ) ) ( 1 ) 对 式 ( 1 ) 做 1 A G O处理 ， 得 到生成 数列 为 X “ = ( 1 ) ， ( 2 ) ， ， “ ( n ) ) ( 2 ) 2 0 1 2年第 1 0期 复杂环境下混凝 土动 弹性模量 的灰 色预测 1 5 l 其 中 ， n ( k ) = ( i ) ( 3 ) G M( 1 ， 1 ) 模 型 的 白化 形式 的微分 方程 为 +。 ( 1 )： ( 4 ) -+0 = 斗 Q 式 中 ， 口和 u为 待定参 数 ， 口反 映了系统 发展 的态 势 ， 为 发展系数 ； “ 是从背景值 中挖掘出来 的数据 ， 它反映数 据变 化 的关 系 ， 称为 灰色作 用量 。 根据最小二乘法原理 ， 解式( 4 ) 微分方程可得 a = ( B B) B Y = n ， H ( 5 ) 式 中 ， 曰= 一 1( ( 1 ( 1 )+ ( 1 ( 2 ) ) 一 1( ( 1 ( 2 )+ ( 1 ( 3 ) ) ； 一 1( ( 1 ( n 一 1 )+ ( 1 ( n ) ) Y = 。 ( 2 ) 。 ( 3 ) ： 。 ( n ) 则 白化 方程 的解 ( 即时 问响应 函数 ) 为 龛 ( + 1 ) = ( 1 ) 一 詈 + 詈 ( 6 ) 原始 数据 的拟合 值为 。 ( k+1 ) = ( k+1 )一岔 ( k ) ( 7 ) 1 3模 型精 度检 验 模 型残 差 为 ( k )= 。 ( k )一岔 。 ( k ) ， k= 1 ， 2 ， ， n 原始数据序列的均值 与方差 Js ； 为 = 。 ( k ) Js ： 音 ( ) 一 残差的均值 与方差 S 为 = ( k ) Js = s ( k )一 ， f 后验方差 比值 C=s S 小误 差概 率 P为 P=P l s ( k )一 l0 6 7 4 5 S 。 ) 对 于评定 一个 预测模 型 的好坏 ， C值越 小越 好 ， 一 般要求 C 0 9 5 ， 不 得 小 于 0 7 0 。根 据检 验指 标 可 以把 模型预测精度分为 4个等级 ， 见表 1 。 表 1 灰色理论模型精度等级 2 试验 方法与结果 2 1试 验方 法 混 凝土设 计 强度 等级 为 C 3 5 ， 试件 尺 寸 为 1 0 0 m m 1 0 0 m m1 0 0 m m， 水胶 比为 0 3 5 ， 砂 率 为 3 8 。试 件在标准条件下养护 2 8 d后取 出试 验 ， 腐蚀溶 液为 5 N a 2 S O 4 溶 液 。 干湿循 环 试 验条 件 利用 人工 模 拟环 境进 行模 拟 。2 4 h为一个循环 ， 将试件浸泡在腐蚀溶液中 1 2 h， 再放人烘箱中以( 6 0 5 ) a C的温度烘 8 h ， 取出降温 3 h ， 再放入腐蚀溶液中浸泡 ， 如此反复循环 ， 以干湿循 环 1 4 d为取样 周期 进行 一次超 声 检 测 ， 检测 后再 放 人 溶液中继续浸泡 ， 反复进行。为 了研究 干湿循环对混 凝 土硫 酸 盐侵蚀 的加 速作 用 ， 本 试 验 设 置 了 长期 硫 酸 盐溶 液浸 泡与 干湿循 环条 件进 行对 比。 试验采用无损检测的方法 ， 主要采用超声检测 ， 以 动 弹性模 量作 为评 价指标 。使 用非 金属 超声 检测分 析 仪测定混凝土的超声声时， 利用式( 8 ) 和式( 9 ) 将其转 化 为混凝 土 的声速 和动 弹性模 量 。 口： ( 8 ) E ： ： ( 9 ) 1一 ， 式中， 为测 区声速值 ； L为超声测距 ； T 为 n次干湿循 环后 测 区平 均 声 时 值 ； E 为 动 弹 性 模 量 ； p为 密度 ； 为泊 松 比 。 2 2 试 验结 果 干湿循环条件和浸泡环境下试件的动弹性模量变 化结果各 自有不同的特点， 由于超声检测对于混凝土 内部 微 裂缝 的开展 有 特 殊 的敏 感 度 ， 所 以对 于 混凝 土 受腐蚀之后受到的微损伤 ， 动弹性模量可 以较好地反 映出变化趋势。两种不 同试验环境下的动弹性模量如 图 1 所 示 。 由图 1可知 ， 两 种不 同 的试 验 环境 下 试 件 动 弹性 模量随时间的变化是不同的。在浸泡环境下 ， 混凝 土 只受 到硫 酸盐 的作 用 ， 变 化 比较 缓 慢 。初 期 由于水 泥 1 5 2 铁道建筑 0 1 4 2 8 4 2 5 6 7 0 8 4 9 8 1 1 2 1 2 6 1 4 0 1 5 4 时 间， d 图 1 浸泡环境与干湿循环条件下试 件动弹性模量值 水 化 的原 因 ， 内部 逐渐水 化密 实 ， 硫 酸盐 的作用 使 混凝 土内部产生一些钙矾石对混凝土也起到密实作用 ， 所 以初期 动 弹性模 量有所 上升 ； 随着 时 间的变化 ， 钙 矾石 膨胀体积变大 ， 使混凝土内部产生微裂缝 ， 导致混凝土 的动弹性模量下降 ， 但下降 比较缓慢。在干湿循环条 件下 ， 试件 动弹性 模 量 变 化 明显 。初 期 混 凝 土 动 弹性 模量有微小 的上升 ， 随着 时间的变化动弹性模量下降 剧烈。这主要是因为干湿循环一方面使混凝土内的硫 酸盐溶液在瞬间达到最大 ， 加快了化学反应的速度 ， 钙 矾石 膨胀快 ； 另 一方 面干燥 环境 下混凝 土发 生收缩 ， 内 部产生拉应力 ， 有一些微裂缝产生， 降低了混凝土的渗 透性 ， 使硫酸根离子更易渗透进入混凝土中 。 。 3基于灰色理论的预测结果与分析 以第 0， 1 4 d ， 2 8 d ， 4 2 d ， 5 6 d ， 7 0 d ， 8 4 d ， 9 8 d ， 1 1 2 d ， 1 2 6 d ， 1 4 0 d干湿循 环条件下硫酸盐腐蚀的混凝土 试件动弹性模量值为原始数列 ， 由式( 2 )式 ( 6 ) 建立灰色 G M( 1 ， 1 ) 预测模型 ， 求得时间响应 函数 ， 用 以对 系统 进行 预测 。预测 流程 如 图 2所示 。 通过 G M( 1 ， 1 ) 公 式 建 模 得 到 灰 色 预 测 模 型 为 ( k+1 )=一1 7 9 3 4 9 5 e 一 “ 。 +1 8 4 1 7 9 5 ， 计 算结 果 见表 2 。 进行 后验 差检验 ： 方差 比 C=3 1 3 5 0 3 5 P= Pl 8 ( k )一 l0 9 5 对照表 1可以看 出， 灰色模型的精度为好 ， 等级为 1级 。 4 结 论 1 ) 硫酸盐溶液浸泡环境中， 试件 的动弹性模量先 上升后下降 ， 但对混凝土的影响在短期内作用不 明显 ， 腐蚀 较慢 。 2 ) 干湿 循环 条件 下 ， 试 件 的动 弹 性模 量 在 初期 有 微小上升后明显下降， 说明较浸泡环境下其腐蚀速度 试验得 到原始数据 新 陈 代 谢 预测数列的生成 累加 数列的生成 建立灰色微分方程 求得时间响应函数 还原预 测模型 输出预测 结果 初值生成 AGO生成 离散解 残差 、精 度计算 图 2 灰色 G N( 1 ， 1 ) 模 型建模 预测流程 表 2预测模型的计算结果 更快 。 3 ) 灰 色 G M( 1 ， 1 ) 预测 模 型 ， 对 干湿循 环 条件 下 试 件 的动 弹性模量 预测 精 度 较 高 ， 可 为混 凝 土受 腐 蚀 破 坏的预报提供参考。 参 考 文 献 1 郭钟群， 赵奎， 余育新 ， 等 不同环境条件下混凝土性能的试 验研究 J 江西理工大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 5 ) ： 1 3 1 6 2 刘思峰 ， 党耀 国， 方志 耕 ， 等 灰 色系统理论 及其 应用 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 O l O 3 邓聚龙 灰色预测与决策 M 武汉 ： 华 中理工大学 出版社 ， 1 98 6 4 储 洪强 ， 蒋林华 ， 张研 基于灰 色理论 预测 电沉 积处理 后 的 5 5 5 4 4 4 4 4 3 3 日 d o。 _I ， 删l 肆 掣敲稃 2 0 1 2年第 1 O期 复杂环境下混凝土动弹性模量 的灰色预测 1 5 3 混凝土抗碳化性能 J 河海 大学学报 (自然 科学版 ) ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 2)： 1 7 0 1 7 5 5 王强 ， 刘松玉 ， 童立元 ， 等 灰色理论在深基坑支挡结构 变形 预测中的应用 J 岩土工程学报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 增 2 ) ： 6 9 7 2 f 6 吴银亮 ， 刘艳敏 ， 祝 艳波 动态灰 色模 型的滑坡位 移时 间预 测方 法研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 8 8 9 0 7 阎岩 ， 张 明义 ， 王 家涛 灰色理论 在快速 载荷试验 数据处 理 中的应 用 J 岩 土力学 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 5 ) ： 7 9 9 8 0 6 8 卫军 ， 王腾 ， 董荣珍 ， 等 干湿循 环条件 下氯离子对钢 筋混凝 土材料的影响研究 J 混凝 土 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 4 6 9 王琴 ， 杨鼎宜 ， 郑佳 明 干湿 交替环 境下混凝 土硫酸盐 侵蚀 的试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 2 9 3 1 1 O 邱厚好 海水环境 下铁路桥梁混凝土结构耐久性施 工技术 J 铁 道建 筑 ， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 1 2 - 1 5 Gr e y p r e d i c t i o n o f d y n a m i c mo d u l us o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e u n d e r c o mp l e x e n v i r o n m e n t GUO Zh o n g q u n ， ZHA0 Ku i ， XI E L i a n g ， XI A0 Ha i p i n g ( 1 F a c u l t y o f A r c h i t e c t u r a l a n d Ma p p i n g E n g i n e e r i n g， J i a n g x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Ga nz h o u J i a n g x i 3 4 1 0 0 0， Ch i na； 2 En g i ne e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e， J i a ng x i Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， G a n z h o u J i a n g x i 3 4 1 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e c o n c r e t e p e r f o r ma n c e i s s u e s a r e c o mp l e x，mu l t i f a c e t e d a n d u n c e r t a i n u n d e r we t a n d d r y c y c l e s Dy n a mi c e l a s t i c mo d u l u s i s a n i mp o rta n t i n d e x i n e v a l u a t i n g t h e c o n c r e t e r e s i s t a n c e o f s u l f a t e a t t a c k On t h e b a s i s o f c o n c r e t e t e s t s i n we t - d ry c y c l e s a n d s u l f a t e c o r r o s i o n， t h i s p a p e r s t u d i e d t h e c h a n g e r u l e s o f c o n c r e t e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ， a n d a p p l i e d t h e g r e y s y s t e m t h e o r y t o p r e d i c t t h e c o n c r e t e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l us v a l u e s T h e r e s u l t s s ho we d t h a t t he d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f s a mp l e r i s e s s l i g h t l y i n e a r l y s t a g e a n d t he n d e s c e n d s s i g n i f i c a n t l y u n d e r d ry we t c y c l e s ，wh i l e i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n d e c r e a s e s s l o wl y u n d e r i mme r s i o n e n v i r o n me n t ，wh i c h i l l u s t r a t e s t h a t t he c o r r o s i o n o f c o n c r e t e u n d e r d ry we t c y c l e s i s q u i c k e r t ha n i n i mme r s i o n e n v i r o n me n t T h e GM ( 1 ，1 )g r e y m o d e l h a s a h i g h f o r e c a s t i n g a c c u r a c y i n c o n c r e t e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s p r e d i c t i o n ， wh i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r c o n c r e t e c o r r o s i o n d a ma g e f o r e c a s t i n g Ke y wo r d s： Gr e y t h e o ry ； Co n c r e t e； S u l f a t e c o r r o s i o n； W e t a n d d r y c y c l e； Dy n a mi c e l a s t i c mo d u l u s ( 责任 审编 白敏华) ( 上接第 1 1 4页) 由数据可以看出 ， 粉煤灰处理的效果不理想 ， 处理 到最 佳状 态 时还具 有 弱 膨胀 性 ， 处 理 的方法 还需 要 进 一 步研究 。 4 结 语 本 文通 过系统 试验 所获 得 的平顶 山原状 土 和重塑 土 的性能参数及改良试验资料可为进一步研究该膨胀 土 的变 形和 稳定 性提 供参考 。 参 考 文 献 1 熊山铭 膨胀土工 程特性及 处治技 术 J 华东 公路 ， 2 0 1 1 ， 1 8 9 ( 3)： 6 5 6 9 2 卢再华 ， 陈正汉 ， 蒲 毅彬 膨胀 土干湿循环 胀缩 裂隙演化 的 C T试验研究 J 岩土力学 ， 2 0 0 2 ， 4 ( 2 3 ) ： 4 1 7 4 2 2 3 缪林 昌 ， 刘 松玉 南 阳膨胀 土 的水 分特征 和强 度特 性研究 J 水利学报 ， 2 0 0 2 ( 7 ) ： 8 7 9 2 4 翟 聚云 平顶 山地 区膨 胀 土地基 探讨 J 建筑 技术 开发 ， 2 0 0 2( 6 )： 2 0 2 2 5 查甫 生 ， 刘 松 玉 ， 杜 延 军 石 灰一粉煤 灰 改 良膨胀 土试 验 J 东南大学学报 ( 自然 科学版) ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 2 ) ： 3 3 9 3 4 4 6 王征 ， 周进 ， 黄志全 南水北调 禹州段 压实膨胀 土膨胀性 试 验研 究 J 铁道建 筑 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 7 5 7 8 ( 责 任 审编 李付军)