客运专线耐久性混凝土配合比优化设计研究.pdf

文章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 2 7 0 5 生态 建材 客运专线耐久性混凝土配合比优化设计研究 De s i g n o f Mi x Ra t i o Op t i mi z a t i o n o f Du r a b l e Co n c r e t e f o r P a s s e n g e r De d i c a t e d L i n e 张玉海 ( 中铁十二局集 团公司，山西 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要： 在优选原材料及配合比参数的基础上，运用人工神经网络技术设计 了满足耐久性能的 C 3 0 、C 5 0混凝土配合比；利用数 学模型和人工神经网络系统 ，通过测定参数，对优选的混凝土配合比进行了耐久寿命预测。 关键词 ： 客 运专 线 ；耐 久性混 凝土 ；人工神 经 网络技 术 ；C3 0 、C5 0配 合 比 中 图分 类 号 ：T U5 2 8 31 文献 标 识 码 ：A 0 前 言 为混凝土使服役寿命达到和超过 1 0 0年，在综合 考虑其强度、施工技术 、各种收缩与长期徐变性能的情况 下，针对客运专线所处环境、气候等客观条件，按照客运 专线耐久性混凝土原材料优选、复合矿物外加剂优化配伍 技术方案 ，根据耐久性混凝土抗氯离子渗透性能影 响因 素的研究结果，对客运专线耐久性混凝土配合比进行了优 化设计。 1原材料选用 水泥：安徽怀宁海螺牌 P 0 3 2 5级水泥 ( 配制 C 3 0 混凝土 )、P O 4 2 5 级水泥 ( 配制 C 5 0 混凝土 )。 砂 ：金寨朝阳砂场 区中砂和金寨满江红砂场河砂。 石：配制 C 3 0混凝土采用金寨隧道项目部石料场生 产的 5 1 6 m m ，1 6 3 1 5 m m二级配碎石 ；配制 C 5 0混凝 土采用金寨攀峰石料场生产的人工碎石，最大公称粒径为 2 5 m m，二级配，5 1 6 m i l l 与 l 6 2 5 m m掺配比例为3 ：7 。 粉煤灰 ：淮南坪圩电厂生产粉煤灰。 矿粉：安徽芜湖朱家桥水泥有限公司生产矿渣粉。 高效减水剂：采用本课题中广选出的外加剂D 。 2 C 3 0 、C 5 0混凝土配合 比设计 2 1设计技术方案 客运专线高 to i l 混凝土根据结构类型主要分为 C 3 0 和 C 5 0两个强度等级。C 3 0混凝土主要用于灌注桩、承 台、墩台、隧道衬砌、现浇涵洞 、涵洞基础及其他小型预 制构件等。C 5 0 昆 凝土主要用于预制箱梁与移动模架现浇 箱梁等。 配合比设计试验参数见表 1 。 表 1 试验参数选择表 坍落度 砂率 用水量粗集料用量 耪煤灰掺量 矿渣掺量 减水剂 名称 m m ( k g ) ( k g il l ) 减水事 2 2模糊神经网络优化 C 3 0 、C 5 0混凝土配合比 配合比主要控制参数：水泥用量、粉煤灰掺量和矿 粉掺量。 样本数据：以基准配比作为样本数据，并采集混凝土 各项性能数据而得出的，C 3 0 、C 5 0基准配合比样本数据 分别如表 2 、表 3 所示 。 C 3 0基准配合比为胶凝材料 ： 砂 ： 石 ： 水 ： 外加剂： 3 8 0： 7 0 4 ： 1 1 0 0 ： l 5 2 ： 3 8 0。 C 5 0基准配合比为胶凝材料 ： 砂 ： 石 ： 水 ： 外加剂= 4 7 0 ： 6 9 2 ： I l 1 0 ： I 5 0 ： 4 7 0。 2 3 C 3 0 、C 5 0混凝土配合比优化结果 综合模糊神经网络优化C 3 0 、C 5 0 混凝土配合比结果， 通过外加剂、矿物外加剂复合配伍试验得出粉煤灰掺量、 矿物外加剂配伍对混凝土性能的影响结果，结合经济性， 确定客运专线耐久性混凝土的优化配合比，如表4所示。 2 2 0 1 1 粉煤 灰 2 7 表 2 C 3 0混凝土样本数据 编号 水泥 粉煤灰矿粉 2 8 d 抗压强度5 6 d l 5 渗 6d 透系数 5 6 深 d 度 氯离子 碳化 ， 。 ， C 0o c s 1 n u n 2 8 coAL ASH 2 2 01 1 表 4 C 3 0 、C5 O 混凝土配合比优化结果 3 混凝土性能试验 3 1混凝土拌合物性能试验结果 混凝土拌合物性能试验结果见表 5 。 表 5 C 3 0 、C 5 0混凝土拌合物性能试验 从表5 中可以得出： C 3 0 、 C 5 0 配合比 坍落度均在1 8 0 m m 以上，可以满足泵送施工需要， 混凝土凝结时间较普通混 凝土有所延长，提高了混凝土的可操作时间。 3 2 混凝土力学性能试验结果 混凝土力学性能试验结果见表 6 。 表 6 C 3 0 、C5 0混凝土力学性能试验结果 MP a 由表 6可以看出，由于考虑耐久性时选择了较低的水 胶比，C 3 0 、C 5 0配合比力学性能均能满足设计要求。 3 - 3混凝土抗氯 离子渗透试验结果 混凝土抗氯离子渗透试验结果见表 7 。 表 7 C 3 0 、C 5 0混凝土的抗氯离子渗透试验结果 从表 7 可以看出，C 3 0 、C 5 0配合比均可以满足客运 专线耐久性混凝土抗氯离子渗透性能的要求。 3 4 抗裂性试验 基准配合 比和优化配合比的收缩对比试验以及优选配 合 比的圆环法试验，试验结果见表 8 。 表 8 混凝土千缩 ( 膨胀 ) 试验结果 注 ：基准目 合 比胶凝材科全 部为水泥 。 由表 8可见，在混凝土中掺加矿物外加剂后 ，混凝土 的早期膨胀率有所增加，干缩率下降速率与基准混凝土一 致，因此掺加矿物外加剂有利于减缓混凝土干缩开裂现象 的发生 ，由于优选 C 3 0 、C 5 0 混凝土配合比的水胶比较低 ， 混凝土易发生 自收缩现象 ，其 自收缩主要发生在 1 4 d 龄 期前，因此混凝土成型后应保持 1 4 d的潮湿养护，可以 消除大部分混凝土收缩应变。 采用圆环法进行了抗裂性试验观察结果 ：试件成型 2 8 d内，各组用于观测的C 3 0 、C 5 0 混凝土配合比试件均 未出现肉眼可见裂缝 。但未出现裂缝并不表示混凝土内部 未产生应力损伤，在后期混凝土干缩、气温骤降或荷载等 原因作用下，混凝土内部应力积累就很容易超过其临界抗 拉强度，出现开裂。因此 ， 在实际工程中还是要加强养护， 慎重对待混凝土的早期开裂问题。 3 5 抗碳 化试验 碳化试验结果如表 9 所示。 表 9 混凝土碳化试验结果 mm 由混凝土快速碳化试验结果可见 ，掺加矿物外加剂的 优选配合比的混凝土碳化速度和碳化深度均比基准混凝 土增加，但其能否满足耐久性要求，需进一步验证。 3 6抗冻性试验 对优选出的 C 3 0 、C 5 0 耐久性混凝土进行了抗冻性能 试验 ， 试验结果分别如表 1 0所示。 表 1 0 C 3 0 、C 5 0耐久性混凝土抗冻性能试验结果 由表 1 O 中试验结果可以看出，优选出的 C 3 0 、C 5 0 耐久性混凝土配合比在经过 3 0 0次冻融循环试验后，它 们的质量损失分别为2 2 0 和 1 8 0 ，均满足6 0 的技术要求。 3 7 徐 变试验 C 5 0 基准混凝土和优选混凝土徐变测试结果如表 l 1 所示。 表 l l c 5 0基准混凝土和优选混凝土徐变测试结果 从表 1 l 结果可知，C 5 0基准混凝土和优选混凝土的 徐变是随养护龄期的变化而具有相似的变化规律，龄期增 长，徐变随之增长，但优选混凝土在各个试验龄期的徐变 度 ( 单位徐变应力的徐变值) 均小于同龄期的基准混凝土。 3 _ 8钢筋锈蚀试验 对优选出的 C 3 0 、C 5 0配合比进行了钢筋锈蚀试验， 结果见表l 2 。 表 1 2 C3 0 、C 5 0配合 比钢筋锈蚀试验结果 由表 l 2看出，配合比在掺人矿物外加剂后，钢筋的 质量损失率明显降低，这是由于掺入矿物外加剂后， 孔结 构得到细化，加大了 c l 一 的扩散难度，延长了钢筋的使 用寿命 。 4 混凝土优化配合比的寿命预测 4 1氯离子渗透系数法 2 2 0 1 1 粉煤灰 2 9 目前大部分研究都将氯离子侵蚀到钢筋表面作为混凝 土结构氯离子侵蚀耐久寿命终结的标志，并用 ( 1 ) 式来 计算氯离子侵蚀环境下混凝土结构的耐久寿命： = X 2 Ierft err (14D 一 = I 一 Il r 1 、 l c 川 式中： 一 混凝土保护层的厚度； C c ， 一氯离子临界浓度； C 一 混凝土暴露表面处的浓度 ； t 一预测的耐久寿命。 综合考虑客运专线耐久性混凝土所处的环境， 取 4 0 m m， 取 0 6 0 ，C 取值为 0 2 8 ，氯离子扩散 系数 D取值如表 l 3所示。 表 l 3 氯离子渗透系数试验结果 已知各参数取值，利用公式 ( 1 ) 对耐久性混凝土优 选配合比进行耐久性年限预测，预测结果如表 1 4所示。 表 l 4 耐久性混凝土优选配合比耐久年限预测 配 合 比 种 类 预测耐久年限 基准混凝土配合比 ( C 3 o 】 优选混凝土配合比 ( C 3 0 ) 基准混凝士配合比 ( c 5 o ) 优选混凝土配合比 ( c 5 O ) 6 l 1 3 3 1 0 1 1 8 9 4 2碳化深度预测法 本课题利用经验数学模型，对混凝土的抗碳化耐久年 限进行了预测。一般认为，混凝土的碳化深度( D ) 与 C 0 2 浓度( c ) 的平方根成正 比，即公式 ( 2 )： DI 一 一 D2一 3 0 coALASH 2 20 1 1 ( 2) 国家标准规定， 混凝土快速碳化试验时c O 的体积浓度 为 ( 2 0 3 ) 。这样，可以较方便的得知，在正常大气条 件下混凝土存放龄期为 5 0年的自然碳化深度，相当于按 国家标准方法快速碳化2 8 d的碳化深度。 对于某一工程的混凝土来说，其快速碳化与自然碳化 的差别主要在于周围介质中 C 0 ： 的浓度不同，因此。可 得公式 ( 3 )： ， 、 2 f： f 旦1 ( 3 ) c D l 式 中 ： t 一 根据快速碳化深度预测的混凝土抗碳化耐久年限， 年。 t 。 一 混凝土快速碳化龄期， d ，若 t 。 = 2 8 d ，在自然碳 化预测中则应取 f 2 8 3 6 5 ) 年 。 C 一预测混凝土周围介质 C 0 2 的平均浓度，在正常大 气 中一般可取 c =0 0 0 0 3 。 C 。 一 快速碳化时 C O s 的浓度，取C 。 = 0 2 0 。 D一 混凝土的自然碳化深度( m m ) 。钢筋混凝土的抗碳 化极限深度为钢筋保护层厚度，本课题中D = 4 0 m m 。 D。 一2 8 d快速碳化龄期时混凝土的碳化深度( m m ) 。 利用公式对优选配合比和基准配合比混凝土的抗碳化 耐久年限进行预测 ，结果见表l 5 。 表 l 5 耐久性混凝土优选配合比耐久年限预测 由计算结果表明，掺加大量矿物外加剂后虽然混凝土 的抗碳化性能下降， 但碳化耐久年限远远超过 1 0 0年。 4 3人工神经网络技术预测法 人工神经网络技术能够综合考虑各种影响因素，预测 结果稳定。其基本原理：神经网络系统是由大量的、同时 也是很简单的处理单元( 或称神经元) 广泛地互相连接而形 成的复杂网络系统。它反映了人脑功能的许多基本特性， 但 它并不是人脑神经网络系统的真实写照， 而只是对其作某种 简化、 抽象和模拟，这也是现实情况( 当前对脑神经和其智 能机理的研究水平) 所能做到的，是目前人工神经网络研 究的基本出发点。神经元是神经网络最基本的组成部分， 各 个神经元之间 通过相互连接形成个网络拓扑，每对神经元之 间的连接上有一个加权系数，通常称为权值，可以按照学 习算法来修改。这样，系统就可以产生所谓的 “ 进化”。 误差反向传播神经网络( B P网络：B a c k P r o p a g a t i o n N e u r a l N e t w o r k s 1 ，是神经网络模型中应用最广泛的一类。 B P网络是典型的反馈式全连接多层神经网络，结构简单， 具有较强的联想、记忆和容错能力，可以以任意精度逼近 任何非线性连续函数。B P神经网络由一个输入层、若干 个输出层以及个或多个隐含层构成，每一层可以有若干 个结点。B P神经网络的训练过程由正向传播和反向传播 组成。在正向传播过程中，输人信号要先输入到隐层结点， 经过传递函数后，再把隐层结点的输出信息传播到输出层 结点 ，最后得到输 出结果。 混凝土耐久性的预测建模问题可以归结为建立混凝土 耐久年限与其影响因素之间的非线性输入输出关系，可概 括为建立多输入、单输出的网络结构。在建立神经网络模 型时，把混凝土性能的参数指标：用水量、水泥用量 、粉 煤灰掺量，氯离子渗透系数、电通量、碳化深度等作为输 入向量，耐久性年限作为单一的输出向量。 C 3 0 混凝土耐久年限预测 ，把网络输出的数据转换成 原始数据与预测数据进行比较，结果见表 1 6。 裹 1 6 C 3 0混凝土网络预测数据与实测数据的比较结果 从表 l 6中可以看出6组测试数据同混凝土评价耐久 年限非常接近， 这说明训练模型可以很好的拟和原数据， 具有很好的预测精度。同时可以得出第五组配合比为耐久 性最优配合比，这同试验结果也是相吻合的。 C 5 0混凝土耐久年限预测，把网络输出的数据转换成 原始数据与预测数据进行比较，结果见表 1 7 。 从表 l 7中可以看出 7 组测试数据同混凝土评价耐久 年限非常接近，这说明训练模型可以很好的拟和原数据， 具有很好的预测精度。同时可以得出第七组配合比为耐久 性最优配合比，这同试验结果也是相吻合的。 表 1 7 C 5 0网络预测数据与实测数据的比较结果 萼 麓 压 懑 7 0 0 6 0 0 7 0 3 0 6 0 4 0 7 0 l 5 5 5 l 5 5 5 2 2 5 5结 论 在全面考虑混凝土的强度、 施工技术、客运专线所处 环境、气候条件、 荷载作用及耐久性能条件下，从混凝土 性能和经济技术角度对混凝土原材料和配比参数进行优选 ， 得出了满足客运专线耐久性的 C 3 0 、C 5 0混凝土配合比， 并进行了工作性能、力学性能和耐久性能试验研究。利用 经验数学模型和神经网络技术等几种科学方法对优选的配 合比进行了耐久年限预测和相互验证，预测结果均超过 1 0 0年。 参考文献 f l 】吴中伟廉慧珍 高性能混凝土f M】 北京： 中国铁道出版社，1 9 9 9 2 】张长福，王木柯，毛建林 客 运专线高性能混凝土的试验研究 J 铁道 建筑技术，2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 9 2 1 3 1 冯乃谦，路新瀛等耐 k l O 0 年以上的高性能混凝土【 J 】 混凝土与水泥 制品。 1 9 9 8 ( 4 ) ： 5 9 4 1 姚燕 中国混凝土材料耐久性研究的新进展 J 】 中国水泥， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 3 9 4 2 【 5 】 孙立春 早期推定粉煤灰混凝土强度及人工神经网络技术应用研究【 D 】 西安建筑科技大学 2 0 0 7 6 1 牛狄涛，陈亦奇等，混凝土结构的碳化模式与碳化寿命分析 J 】 西安 建筑科技大学学报，1 9 9 5 ( 4 ) ： 3 6 5 3 6 9 7 】 田俊峰，王胜年等 海港工程混凝土耐久性设计与寿命预测 J 】 中国 港湾建设 2 0 0 4 ( 6 ) ： 1 3 8 J 董朝文，于百勇等 地铁工程中高性能混凝土耐久性综合评价 J 】 东南 大学学报。 2 0 0 6 ， 3 6 ( 2 ) 【 9 】 苏青松 绿色高性能混凝土的试验研究及其预测的神经网络方法 D】 西北工业大学 2 0 0 5 1 o 1 张伟，王世清，李爱东等 B P 人工神经网络在混凝土耐久性评价上的 应用【 J 】 _ 混凝土， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 8 1 O 作者简介： 张玉海( 1 9 6 7 一 ) ， 太高级工程师 联系地址： 山 西省太原市西矿街 1 3 0 号 收稿日期： 2 0 1 0年 l 2月 6日 2 2 0 1 1 粉煤灰 3 1 叭 叭 觚 住 鸵 0 7 6 2 5 6 j m & 嘶 盯 4 3 3 3 3 3 2 掰 拿 l枷 2 3 ：2醯 =2 5 如们 O O：2 如