科学技术与工程

纤维类型	密度/ (g·cm^-3)	拉伸强度/MPa	弹性模量/GPa	长度/ mm	极限伸长率/%
玄武岩纤维	2.65	1 050	7.6	12	3

纤维类型	密度/ (g·cm^-3)	拉伸强度/MPa	弹性模量/GPa	长度/ mm	极限伸长率/%
玄武岩纤维	2.65	1 050	7.6	12	3

水泥	NCA	RCA	砂子	水	粉煤灰	减水剂
1	2.37	0.79	1.92	0.46	0.21	0.01

水泥	NCA	RCA	砂子	水	粉煤灰	减水剂
1	2.37	0.79	1.92	0.46	0.21	0.01

试件编号	纤维掺量/%	立方体抗压试件
BRC-0-0		150×150×150	3
BRC-30-0	0	150×150×150	3
BRC-60-0		150×150×150	3
BRC-90-0		150×150×150	3
BRC-0-0.5		150×150×150	3
BRC-30-0.5	0.5	150×150×150	3
BRC-60-0.5		150×150×150	3
BRC-90-0.5		150×150×150	3
BRC-0-1.0		150×150×150	3
BRC-30-1.0	1.0	150×150×150	3
BRC-60-1.0		150×150×150	3
BRC-90-1.0		150×150×150	3
BRC-0-1.5		150×150×150	3
BRC-30-1.5	1.5	150×150×150	3
BRC-60-1.5		150×150×150	3
BRC-90-1.5		150×150×150	3

试件编号	纤维掺量/%	立方体抗压试件
BRC-0-0		150×150×150	3
BRC-30-0	0	150×150×150	3
BRC-60-0		150×150×150	3
BRC-90-0		150×150×150	3
BRC-0-0.5		150×150×150	3
BRC-30-0.5	0.5	150×150×150	3
BRC-60-0.5		150×150×150	3
BRC-90-0.5		150×150×150	3
BRC-0-1.0		150×150×150	3
BRC-30-1.0	1.0	150×150×150	3
BRC-60-1.0		150×150×150	3
BRC-90-1.0		150×150×150	3
BRC-0-1.5		150×150×150	3
BRC-30-1.5	1.5	150×150×150	3
BRC-60-1.5		150×150×150	3
BRC-90-1.5		150×150×150	3

试件编号	抗压强度/MPa	抗劈拉强度/MPa	质量/kg
BRC-0-0	31.7	2.84	7.948
BRC-0-0.5	32.7	2.93	8.075
BRC-0-1.0	34.3	3.08	7.867
BRC-0-1.5	33.3	3.04	7.904
BRC-30-0	30.7	2.75	7.923
BRC-30-0.5	31.6	2.83	8.055
BRC-30-1.0	33.1	2.95	7.846
BRC-30-1.5	32.2	2.90	7.883
BRC-60-0	29.4	2.63	7.878
BRC-60-0.5	30.2	2.70	8.009
BRC-60-1.0	31.3	2.80	7.810
BRC-60-1.5	30.8	2.78	7.848
BRC-90-0	28.2	2.47	7.848
BRC-90-0.5	28.8	2.53	7.997
BRC-90-1.0	30.1	2.62	7.773
BRC-90-1.5	29.3	2.58	7.812

试件编号	抗压强度/MPa	抗劈拉强度/MPa	质量/kg
BRC-0-0	31.7	2.84	7.948
BRC-0-0.5	32.7	2.93	8.075
BRC-0-1.0	34.3	3.08	7.867
BRC-0-1.5	33.3	3.04	7.904
BRC-30-0	30.7	2.75	7.923
BRC-30-0.5	31.6	2.83	8.055
BRC-30-1.0	33.1	2.95	7.846
BRC-30-1.5	32.2	2.90	7.883
BRC-60-0	29.4	2.63	7.878
BRC-60-0.5	30.2	2.70	8.009
BRC-60-1.0	31.3	2.80	7.810
BRC-60-1.5	30.8	2.78	7.848
BRC-90-0	28.2	2.47	7.848
BRC-90-0.5	28.8	2.53	7.997
BRC-90-1.0	30.1	2.62	7.773
BRC-90-1.5	29.3	2.58	7.812

干循环周期/d	不同纤维掺量(%)下的D值
0	1.000 0	1.031 4	1.081 8	1.060 7
30	0.969 2	0.996 6	1.040 1	1.019 3
60	0.928 4	0.952 5	0.986 5	0.976 2
90	0.880 1	0.900 3	0.934 8	0.916 4

干循环周期/d	不同纤维掺量(%)下的D值
0	1.000 0	1.031 4	1.081 8	1.060 7
30	0.969 2	0.996 6	1.040 1	1.019 3
60	0.928 4	0.952 5	0.986 5	0.976 2
90	0.880 1	0.900 3	0.934 8	0.916 4

纤维掺量/%	干湿循环周期/d	试验值D	a	b	预测值D	C	p
	0	1.000 0			1.000 0
0	30	0.969 2	0.048 0	1.042 1	0.970 5	0.043 8	1
	60	0.928 4			0.925 0
	90	0.880 1			0.881 6
	0	1.031 4			1.031 4
0.5	30	0.996 6	0.050 6	1.075 7	0.998 1	0.043 8	1
	60	0.952 5			0.948 8
	90	0.900 3			0.902 0
	0	1.081 8			1.081 8
1.0	30	1.040 1	0.053 3	1.125 7	1.040 0	0.003 8	1
	60	0.986 5			0.986 0
	90	0.934 8			0.934 8
	0	1.060 7			1.060 7
1.5	30	1.019 3	0.052 8	1.105 4	1.022 1	0.074 2	1
	60	0.976 2			0.969 5
	90	0.916 4			0.919 6

纤维掺量/%	干湿循环周期/d	试验值D	a	b	预测值D	C	p
	0	1.000 0			1.000 0
0	30	0.969 2	0.048 0	1.042 1	0.970 5	0.043 8	1
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	60	0.952 5			0.948 8
	90	0.900 3			0.902 0
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	60	0.976 2			0.969 5
	90	0.916 4			0.919 6

评定指标	优(I级)	良(II级)	中(III级)	差(IV级)
均方差比值C	0.35	0.50	0.65	0.80
小误差概率p	0.95	0.80	0.70	0.60

评定指标	优(I级)	良(II级)	中(III级)	差(IV级)
均方差比值C	0.35	0.50	0.65	0.80
小误差概率p	0.95	0.80	0.70	0.60

纤维掺量/%	预测值/d
0	191
0.5	199
1.0	213
1.5	205

纤维掺量/%	预测值/d
0	191
0.5	199
1.0	213
1.5	205

盐-干湿循环耦合侵蚀下玄武岩纤维再生混凝土耐久性评价及寿命预测

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黄跃文 , 杨文瑞 ^* , 刘利爱 , 周海 , 张勋 , 李成炜 , 熊小龙 , 钟勖文

科学技术与工程 | 论文·建筑科学 2025,25(2): 763-772

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科学技术与工程 | 论文·建筑科学 2025, 25(2): 763-772

盐-干湿循环耦合侵蚀下玄武岩纤维再生混凝土耐久性评价及寿命预测

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黄跃文, 杨文瑞^*, 刘利爱, 周海, 张勋, 李成炜, 熊小龙, 钟勖文

作者信息

东华理工大学土木与建筑工程学院, 南昌 330013

黄跃文(2000—),男,汉族,江西宜春人,硕士研究生。研究方向:纤维再生混凝土性能。E-mail:2100775192@qq.com。

通讯作者:

^* 杨文瑞(1986—),女,汉族,江西南昌人,博士,副教授。研究方向:新型材料应用与结构耐久性。E-mail:wryang99@163.com。

Durability Evaluation and Life Prediction of Basalt Fiber Recycled Concrete under Salt-Dry-Wet Cycle Coupling Erosion

Yue-wen HUANG, Wen-rui YANG^*, Li-ai LIU, Hai ZHOU, Xun ZHANG, Cheng-wei LI, Xiao-long XIONG, Xu-wen ZHONG

Affiliations

School of Civil and Architectural Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China

出版时间: 2025-01-18 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2308142

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摘要

收起

为了研究盐溶液侵蚀下玄武岩纤维对再生混凝耐久性能的影响,开展了不同玄武岩纤维掺量下再生混凝土试块在受到盐-干湿循环耦合侵蚀后耐久性能变化规律研究。基于熵权法建立了综合耐久性指标D值来评价再生混凝土耐久性能,分析了盐溶液干湿循环周期和玄武岩纤维掺量对D值的影响,并构建了GM(1,1)均值模型,用以揭示再生混凝土D值的时变规律,得到了不同条件下再生混凝土的预测寿命。结果表明:D值可以反映出不同盐溶液干湿循环周期及玄武岩纤维掺量对再生混凝土耐久性能影响规律。随着盐溶液干湿循环周期的增加,试件D值呈现出逐渐下降的趋势,且变化趋于剧烈,表现为D值下降速率逐渐增大;玄武岩纤维的掺入可以有效提高再生混凝土D值,改善再生混凝土的耐久性能;玄武岩纤维掺量为1.0%时,耐久性能改善效果最佳;在数据量较少时, GM(1,1)模型可以较为精确地预测再生混凝土在盐-干湿循环耦合侵蚀下D值的时变规律。

关键词

玄武岩纤维 / 再生混凝土 / 盐-干湿循环耦合侵蚀 / 耐久性 / 寿命预测

Abstract

收起

In order to study the effect of basalt fiber on the durability of recycled concrete under the erosion of salt solution, the durability of recycled concrete specimens with different basalt fiber contents after salt-dry-wet cycle coupling erosion was studied. A comprehensive durability index D value was established to evaluate the durability of recycled concrete based on the entropy weight method. The effects of dry-wet cycle period of salt solution and basalt fiber content on D value were analyzed. A GM (1,1) mean model was constructed to reveal the time-varying law of the D-value of recycled concrete, and the predicted life of recycled concrete under different conditions was obtained. The results show that the D value can reflect the influence of different salt solution dry-wet cycle cycles and basalt fiber content on the durability of recycled concrete. As the salt solution's dry-wet cycle increased, the D value of the specimen gradually decreased, indicating a severe change. However, adding basalt fiber to the recycled concrete can effectively enhance its D value and durability. When the content of basalt fiber is 1.0%, the durability of recycled concrete is the best. The GM(1,1) model can more accurately predict the time-varying pattern of D values of recycled concrete under coupled salt-dry-wet cycle erosion when the amount of data is small.

Key words

basalt fiber / recycled concrete / salt-dry-wet cycle coupled erosion / durability / life prediction

引用本文

黄跃文, 杨文瑞, 刘利爱, 周海, 张勋, 李成炜, 熊小龙, 钟勖文. 盐-干湿循环耦合侵蚀下玄武岩纤维再生混凝土耐久性评价及寿命预测. 科学技术与工程, 2025 , 25 (2) : 763 -772 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2308142

Yue-wen HUANG, Wen-rui YANG, Li-ai LIU, Hai ZHOU, Xun ZHANG, Cheng-wei LI, Xiao-long XIONG, Xu-wen ZHONG. Durability Evaluation and Life Prediction of Basalt Fiber Recycled Concrete under Salt-Dry-Wet Cycle Coupling Erosion[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (2) : 763 -772 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2308142

正文

收起

再生混凝土是建筑垃圾回收利用以及缓解环境污染和资源损耗的有效方法之一^[1-5],其应用减少了天然碎石和天然河沙的开采,减缓了自然资源过度开发造成的不良影响。由于再生混凝土中分布着较多的再生骨料,其表面还残留着原始水泥砂浆(original cement mortar,OCM),OCM的结构表现为松散多孔,外部和内部均分布着细小的微裂缝,从而导致新老砂浆与再生骨料之间的黏结强度大大降低,以致再生混凝土的相关力学性能和耐久性无法达到预期效果^[6-9]。对此,研究者们通过不同方法对再生混凝土进行改性处理。例如,通过添加纤维(钢纤维、玻璃纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维等)的方法提高再生混凝土的抗裂性、抗渗性和耐腐蚀性^[10-12];通过内置或外置纤维增强复合材料玻璃纤维筋(glass fiber reinforced polymer,GFRP)和玄武岩纤维筋(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)等改善构件的力学性能^[13-15];通过对再生骨料进行预处理,主要包括水泥浆预包裹^[16-17]和化学试剂预处理等方法^[18-20]对再生混凝土进行改性处理。其中,玄武岩纤维(basalt fiber)作为一种新型的绿色环保型材料,其弹性模量和抗拉强度分别达到了9 100~11 000 kg/mm和3 800~4 800 MPa,在耐久性方面具有较好的耐高温性、耐水性、耐腐蚀性,与碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维被列为中国四大重点发展的纤维材料,如今已被广泛用于各行业领域中。

在中国沿海地区及盐湖地区混凝土结构常遭受盐侵蚀,导致混凝土耐久性能下降,使用寿命缩短。在气候的影响下甚至还表现为盐-干湿循环耦合侵蚀,此耦合作用影响下对混凝土的劣化效应更为显著^[21-23]。盐侵蚀中主要包括了金属离子(Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺)、非金属离子(Cl^-、$\mathrm{SO}_4^{2-}$)以及众多的有机物和无机物,当混凝土受到潮湿环境和结合水的耦合影响后,其内部局部成分会发生物理反应和化学反应,对混凝土造成物理和化学的双重侵蚀损伤,从而影响混凝土的相关性能。针对盐侵蚀下混凝土性能的损伤劣化情况,中外学者采取不同的方法改善其劣化程度,如添加粉煤灰和高炉矿渣可以减缓氯离子的侵蚀^[24-26],还有研究表明添加纤维材料后也可以减缓盐类对混凝土的侵蚀影响^[27-29]。

为确保混凝土结构使用安全,研究人员提出了质量^[30]、抗压强度^[31]、抗劈拉强度^[32]和膨胀率^[33]等耐久性指标对混凝土耐久性劣化过程进行评价。然而,现有研究大多采用单一耐久指标对混凝土耐久性能进行评价,并不能全面反映混凝土的耐久性能,且采用单一耐久性指标进行评价时常会与其他指标评价结果产生矛盾。因此,建立一种混凝土耐久性综合评价体系是有必要的。

混凝土寿命预测是耐久性研究的一个重要目的。许多学者根据试验数据,采用灰色系统理论建立了混凝土的寿命预测模型^[34-36]。侯永利等^[35]以相对动弹性模量为指标,利用GM(1,1)模型的原始差分、均值、均值差分、离散4种形式建立了玄武岩纤维再生混凝土的抗冻性预测模型,预测了BFRC在内蒙古地区受冻融循环单因素作用的使用寿命。徐存东等^[37]采用灰色系统理论和Weibull理论对3种不同冻融工况下,不同玄武岩纤维掺量的混凝土和普通混凝土进行冻融试验研究,并对其耐久性寿命进行预测,结果发现灰色预测和Weibull两种模型的寿命预测结果大致相似,其中灰色预测模型所需样本容量较小。众多研究表明了运用灰色系统理论对混凝土进行寿命预测的可行性,灰色系统理论的特点是以少数据、贫信息系统进行科学的建模预测,可有效节约试验成本与时间。

针对以上问题,现开展玄武岩纤维再生混凝土复合盐-干湿循环耦合侵蚀试验,根据再生混凝土的质量、抗压强度和抗劈拉强度3个耐久性指标试验值,采用熵权法建立综合耐久性指标D值来评价再生混凝土的耐久性能,讨论盐溶液干湿循环周期及玄武岩纤维掺量对D值的影响,最后建立GM(1,1)均值模型对再生混凝土的寿命进行预测,以期为盐-干湿循环耦合侵蚀下玄武岩纤维再生混凝土在实际工程中的应用提供参考。

1 试验设计

收起

1.1 试验材料和试件设计

再生粗骨料取自于正在维修的施工道路,进行破碎后根据骨料的连续级配5~20 mm对再生骨料进行筛分。相关研究表明:当再生骨料替代率为25%时,混凝土的7 d强度会略有提高,且平均弹性模量降低幅度最小仅为4%,与其他再生骨料替代率相比对混凝本的工作性能的影响较小;另一方面,瑞士政府也规定所有的公共建筑至少使用25%的再生骨料^[38-40]。因此,再生骨料替代率选取为25%。本次试验使用强度等级为42.5的硅酸盐水泥,纤维增强复合材料选取玄武岩纤维,相应的玄武岩纤维物理特性如表1所示。玄武岩纤维和再生骨料破碎筛分过程分别如图1和图2所示。本次试验配合比参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011),具体数值如表2所示。混凝土试件的设计参数如表3所示。

1.2 试件制作与试验方法

利用单卧轴搅拌机进行混合料搅拌,随后进行装模,待试件浇筑成型静置24 h后脱模取出试件,如图3所示。

沿海地区的盐土中表层盐浓度一般为0.6%~1.0%,本次试验溶液浓度设置为普通沿海地区盐土浓度的5倍以上,即处于3%~5%。NaCl和Na₂SO₄溶液的配置选取分析纯等级的无水氯化钠和无水硫酸钠,浓度均为5%。试件采用半浸泡的方式进行干湿循环。具体方式为,将试件浸泡于复合盐溶液中,溶液更换周期为30 d(届时利用电热棒和温度计实时保持水温处于30 ℃的温度),在30 d内,试件每在溶液中浸泡12 h后取出擦干表面水分,在30 ℃的烘箱内静置12 h,以此为一个干湿循环,即1 d为一个干湿循环周期。在干湿循环周期分别达到0、30、60、90 d时间节点时,取出试件开始试验,测量试件的质量、抗压强度和抗劈拉强度。

2 基于熵权法的再生混凝土耐久性综合评价

收起

经过实际环境下复合盐-干湿循环耦合侵蚀作用的影响,再生混凝土的各项力学性能和耐久性指标都会发生不同程度的变化。由于这些指标对再生混凝土性能的影响程度不同,因此需要综合考虑多种评价指标对其性能的影响。然而,简单地对这些指标进行叠加并不科学,因此需要使用权重反映它们对再生混凝土性能的影响程度。兰素恋等^[41]提出了一种综合评估混凝土性能指标的公式,定义为本文的综合耐久性评价D值,计算公式为

(1)D=

∑ i = 1 n

q_iS_i

式(1)中:q_i为盐-干湿循环耦合侵蚀下再生混凝土第i个指标的权重;S_i为盐-干湿循环耦合侵蚀下再生混凝土第i个指标标准化处理后的样本值。

2.1 标权重计算步骤

克劳修斯为了描述热力学循环中温度及热的变化关系,提出了“熵”的概念,后来,申农则将热力学的“熵”引入信息论中,从而出现了信息熵的概念^[42]。在工程评价中,熵权法是一种客观赋权法,通过使用信息熵对各个指标进行赋权,可以客观地反映初始数据的重要性。具体计算权重的步骤如下。

(1)假设混凝土耐久性能指标有m个评价对象,n个指标个数,那么初始指标矩阵为

(2)A=

(a i j) m n

, i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

式(2)中:a_ij为第j个指标下第i个评价对象的样本值。

(2)由于各个指标量纲不同,所以需要对初始指标矩阵进行标准化处理消除量纲。对各个指标进行无量纲化处理得到的标准化指标矩阵X=

(x i j) m n

,计算公式为

(3)x_ij=

a i j a 1 j

, i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(3)比重矩阵P=

(p i j) m n

。p_ij作为计算信息熵时的概率,计算公式为

(4)p_ij=

x i j ∑ i = 1 m x i j

, i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(4)评价指标的信息熵矩阵E=(e_j)。e_j表示第j个性能指标的信息熵,计算公式为

(5)e_j=

1 l n m ∑ i = 1 m

p_ijI_ij, j=1,2,…,n

式(5)中:I_ij=-lnp_ij,为混凝土第j个指标下第i个评价对象的信息量。

(5)权重矩阵W=(w_j),w_j表示混凝土第j个指标的权重,计算公式为

(6)w_j=

d j ∑ j = 1 n d j

, j=1,2,…,n

式(6)中:d_j=1-e_j,为混凝土第j个指标的信息效用值。指标的信息熵越大,携带信息量越少,信息效用值越小。

2.2 综合耐久性指标D值的确定

选取质量、抗压强度和抗劈拉强度作为综合评价混凝土耐久性能的指标,16组复合盐-干湿循环耦合侵蚀作用下的再生混凝土试件作为评价对象。试件数据如表4所示,通过以下步骤计算不同指标权重。

(1)根据试验数据,构建初始耐久性指标矩阵A,公式为

(7)A=

31.7 2.84 7.948 32.7 2.93 8.075 34.3 3.08 7.867 33.3 3.04 7.904 30.7 2.75 7.923 31.6 2.83 8.055 33.1 2.95 7.846 32.2 2.90 7.883 29.4 2.63 7.878 30.2 2.70 8.009 31.3 2.80 7.810 30.8 2.78 7.848 28.2 2.47 7.848 28.8 2.53 7.997 30.1 2.62 7.773 29.3 2.58 7.812

(2)对初始指标矩阵A进行标准化,采用式(3)对矩阵A进行计算,得到标准化指标矩阵X,公式为

(8)X=

1.0000 1.0000 1.0000 1.0315 1.0317 1.0160 1.0820 1.0845 0.9898 1.0505 1.0704 0.9945 0.9685 0.9690 0.9969 0.9968 0.9959 1.0135 1.0442 1.0387 0.9872 1.0158 1.0228 0.9918 0.9274 0.9272 0.9912 0.9527 0.9507 1.0077 0.9874 0.9859 0.9826 0.9716 0.9793 0.9874 0.8896 0.8697 0.9874 0.9085 0.8908 1.0062 0.9495 0.9225 0.9780 0.9243 0.9085 0.9829

(3)分别对质量、抗压强度和抗劈拉强度3个指标采用式(4)计算出不同评价对象比重,得出比重矩阵P,公式为

(9)P=

0.0637 0.0639 0.0628 0.0657 0.0659 0.0638 0.0689 0.0693 0.0622 0.0669 0.0684 0.0625 0.0617 0.0619 0.0626 0.0635 0.0636 0.0637 0.0665 0.0664 0.0620 0.0647 0.0654 0.0623 0.0591 0.0593 0.0623 0.0607 0.0608 0.0633 0.0629 0.0630 0.0618 0.0619 0.0626 0.0621 0.0567 0.0556 0.0621 0.0579 0.0569 0.0632 0.0605 0.0590 0.0615 0.0589 0.0581 0.0618

(4)分别对质量、抗压强度和抗劈拉强度3个指标采用式(5)计算出信息熵矩阵E,公式为

(10)E=[0.999 5 0.999 3 1.000 0]

(5)分别对质量、抗压强度和抗劈拉强度3个指标采用式(6)计算出权重矩阵W,公式为

(11)W=[0.420 0 0.562 8 0.017 2]

将混凝土各指标权重和标准化后的样本值代入式(1),可得综合评价指标D,各组试件D值计算结果如表5所示。

2.3 盐溶液干湿循环周期对再生混凝土D值的影响

通过标准化公式[式(3)]消除量纲后,可以根据D值对质量、抗压强度和抗劈拉强度三个指标进行综合评价来衡量混凝土的性能,D值越大说明混凝土的性能越好。同一纤维掺量下,D值随复合盐溶液干湿循环周期变化情况如图4所示。从图4可以看出,随着复合盐溶液干湿循环周期的增加,试件D值呈现出逐渐下降的趋势,且随着干湿循环周期的增加,试件D值的变化趋于剧烈,表现为D值下降速率逐渐增大。在复合盐溶液干湿循环周期为0~30 d时,试件D值变化速率较为缓慢,变化幅度较小,此时各纤维掺量下,D值的下降百分比分别为3.08%、3.37%、3.85%和3.90%;干湿循环周期为30~60 d时,试件D值下降速率增大,此时各纤维掺量下D值下降百分比分别为4.21%、4.43%、5.15%和4.23%;干湿循环周期为60~90 d时,试件D值下降速率最大,此时各纤维掺量下D值下降百分比分别为5.20%、5.48%、5.24%和6.13%。

出现该现象的原因为:在复合盐溶液干湿循环初期,再生混凝土受侵蚀影响较小,侵蚀现象不明显,再生混凝土性能影响较小,D值变化缓慢;随着干湿循环周期的增加,再生混凝土复合盐溶液干湿循环的影响逐渐增大,侵蚀现象逐渐明显,试块表面有明显的侵蚀痕迹,再生混凝土的性能下降,D值下降速率增大;干湿循环周期为60~90 d时,侵蚀现象最为明显,再生混凝土表皮存在剥落现象,性能影响严重,D值的变化最剧烈。

2.4 玄武岩纤维掺量对再生混凝土D值的影响

不同玄武岩纤维掺量下D值变化如图5所示。从图5可以看出,干湿循环周期相同时,再生混凝土D值随纤维掺量的变化大致经历了两个阶段:玄武岩纤维掺量为0~1.0%时,随着纤维掺量的增加,各干湿循环周期下的再生混凝土D值上升至峰值,分别为1.081 8、1.040 1、0.986 5和0.934 8;达到峰值后,随着纤维掺量的增加,四种干湿循环周期下的再生混凝土D值开始下降,在纤维掺量达到1.5%时,D分别为1.060 7、1.019 3、0.976 2和0.916 4。在整个掺入纤维的过程中,再生混凝土D值均高于未掺入纤维的D值。结果表明,玄武岩纤维的合理掺入可以提高盐溶液干湿循环下再生混凝土的耐久性能,且玄武岩纤维掺量为1.0%时,对再生混凝土的耐久性能改善效果最佳。

在再生混凝土中,掺入一定量的玄武岩纤维,能够提高混凝土的密实性,同时纤维在再生混凝土中可以起到桥接作用,加强再生混凝土内部骨料间的黏结性,从而提高混凝土的抗压强度及抗劈拉强度,减少再生混凝土在复合盐溶液干湿循环下的质量损失,能有效地改善再生混凝土的耐久性能;随着玄武岩纤维的不断掺入,过量的纤维会产生纤维成团现象,从而降低玄武岩纤维对再生混凝土耐久性能的改善效果。因此,在实际工程中,应选用掺入1.0%的玄武岩纤维来改善再生混凝土的耐久性能。

3 运用GM(1,1)模型对混凝土进行寿命预测

收起

GM(1,1)模型以少数据、贫信息系统进行科学的建模预测,可有效节约试验成本与时间,且在数据量较少时,GM(1,1)模型的预测结果较为精确。

3.1 GM(1,1)模型的建立及精度检验

采用GM(1,1)模型的均值形式对再生混凝土的耐久性值进行预测。

将复合盐溶液浸泡下某纤维掺量的玄武岩纤维再生混凝土经历90 d干湿循环周期所得D值作为原始序列,记为X⁰。

(12)X⁰={x⁰(1),x⁰(2),…,x⁰(n)}

将原始序列X⁰进行一次累加,得到新序列X¹,则

(13)X¹={x¹(1),x¹(2),…,x¹(n)}

式(13)中:x¹(k)=

∑ i = 1 k

x⁰(i), k=1,2,…,n。

定义Z¹={z¹(1),z¹(2),…,z¹(n)},其中z¹(k)=

12

[x¹(k)+x¹(k-1)],k=2,3,…,n。

GM(1,1)的均值形式为

(14)x⁰(k)+az¹(k)=b

白化微分方程为

(15)

d x 1 d t

+ax¹=b

式中:a为发展系数;b为灰色作用量。

定义向量A=(a,b)^T,采用最小二乘法计算向量A。

(16)A=(a,b)^T=

(B T B) - 1

B^TY

(17)Y=

x 0 (2) x 0 (3) ︙ x (0) (n)

(18)B=

- z 1 (1) 1 - z 1 (2) 1 ︙ ︙ - z 1 (n - 1) 1

通过计算,可以得到GM(1,1)模型的均值时间响应方程为

(19)

X^

(k)=

x 0 (1) - b a

e^-^a⁽^k^-1)+

b a

, k=1,2,…,n

用累减公式对式(19)进行还原,即可计算出模型预测值序列,即

(20)

X^

x ˙ (0)

(1),

x ˙ (0)

(2),…,

x ˙ (0)

(n)}

模型建立完成后,为保证模型的可靠性,还需对模型进行精度检验。根据均方差比值C和小误差概率p两个指标来评定模型预测精度等级。

模型残差序列为ε⁰={ε(1),ε(2),…,ε(n)},其中ε(k)=x⁽⁰⁾(k)-

x ˙ (0)

(k),k=1,2,…,n。

X⁰的均值与方差分别为

x -

和

S 12

,残差序列的均值与方差分别为

ε -

和

S 22

。

(21)

x - = 1 n ∑ k = 1 n x 0 (k) S 12 = 1 n ∑ k = 1 n {x 0 (k) - x -} 2

(22)

ε - = 1 n ∑ k = 1 n ε 0 (k) S 22 = 1 n ∑ k = 1 n {ε 0 (k) - ε -} 2

则均方差比值为

(23)C=

S 2 S 1

小误差概率为

(24)p=P(|ε(k)-

ε -

|<0.674 5S₁)

3.2 D值预测结果及分析

根据试验数据即可计算出GM(1,1)模型各参数,结果如表6所示。模型精度等级参照表如表7所示。

根据GM(1,1)模型预测结果可知,模型的预测值与试验值非常接近,在干湿循环周期为60 d时,GM(1,1)模型的预测值与试验值误差最大,各玄武岩纤维掺量下,GM(1, 1)模型预测值与试验值的最大误差分别为0.36%、0.39%、0.05%和0.68%,误差均小于5%;且模型在4种不同玄武岩纤维掺量下的均方差比值均小于0.35,小误差概率均大于0.95,则模型的预测精度均为Ⅰ级,表明模型预测结果可靠,可采用GM(1,1)模型对复合盐溶液干湿循环下的玄武岩纤维再生混凝土的耐久性值进行预测。

3.3 再生混凝土寿命预测

根据GM(1,1)模型,对复合盐溶液干湿循环下再生混凝土耐久性值D的预测结果如图6所示。从图6可以看出,随着干湿循环周期的增加,再生混凝土耐久性值D逐渐减小,玄武岩纤维的掺入能有效提升再生混凝土耐久性值D,玄武岩纤维的最佳掺量为1.0%。

类比抗压强度耐蚀系数,参照混凝土耐久性能相关规范,认为D值下降至0.75时试件失效,得到复合盐溶液干湿循环下再生混凝土预测寿命值,如表8所示。

由表8可以看出,玄武岩纤维的掺入对复合盐溶液干湿循环下再生混凝土的寿命影响显著,掺入玄武岩纤维能有效提升再生混凝土的寿命,各玄武岩纤维掺量下,再生混凝土寿命分别提升了4.19%、11.52%和7.33%,最佳玄武岩纤维掺量为1.0%。

4 结论

收起

(1)基于熵权法,考虑了再生混凝土质量、抗压强度和抗劈拉强度三个耐久性指标,建立了综合耐久性指标D值来评价再生混凝土耐久性能,为综合评价再生混凝土耐久性提供了依据。

(2)随着复合盐溶液干湿循环周期的增加,试件D值呈现出逐渐下降的趋势,且随着干湿循环周期的增加,试件D值的变化趋于剧烈,表现为D值下降速率逐渐增大。干湿循环周期为60~90 d时,试件D值下降速率最大,此时各纤维掺量下D值下降百分比分别为5.20%、5.48%、5.24%和6.13%。

(3)干湿循环周期相同时,再生混凝土D值随纤维掺量的变化先上升后下降,各干湿循环周期下的再生混凝土D值峰值分别为1.081 8、1.040 1、0.986 5和0.934 8。在盐溶液干湿循环下,掺入一定量的玄武岩纤维能够提高再生混凝土的耐久性能,且试验的最佳掺量为1.0%。

(4)根据灰色理论建立了盐-干湿循环耦合作用下再生混凝土的寿命预测模型,并验证了GM(1,1)模型的可靠性。GM(1, 1)模型预测值与试验值的最大误差小于5%,模型预测精度为Ⅰ级。掺入玄武岩纤维能有效提升再生混凝土的寿命,最佳掺量为1.0%。

基金

收起

国家自然科学基金(51178361)
国家自然科学基金(52368012)
江西省自然科学基金(20232BAB204066)
江西省自然科学基金(20181BAB216027)
江西省重点研发计划(20202BBG 73037)
江西省教育厅科技项目(GJJ170486)
江西省交通运输厅科技项目(2017C0002)

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收起

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收起

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2025年第25卷第2期

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doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2308142

接收时间：2023-10-29
首发时间：2025-12-05
出版时间：2025-01-18

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作者

出版历史

收稿日期：2023-10-29
修回日期：2024-10-17

基金

国家自然科学基金(51178361)

国家自然科学基金(52368012)

江西省自然科学基金(20232BAB204066)

江西省自然科学基金(20181BAB216027)

江西省重点研发计划(20202BBG 73037)

江西省教育厅科技项目(GJJ170486)

江西省交通运输厅科技项目(2017C0002)

作者信息

东华理工大学土木与建筑工程学院, 南昌 330013

通讯作者:

^* 杨文瑞(1986—),女,汉族,江西南昌人,博士,副教授。研究方向:新型材料应用与结构耐久性。E-mail:wryang99@163.com。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kxjsygc/CN/10.12404/j.issn.1671-1815.2308142

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

纤维类型	密度/ (g·cm^-3)	拉伸强度/MPa	弹性模量/GPa	长度/ mm	极限伸长率/%
玄武岩纤维	2.65	1 050	7.6	12	3

纤维类型

密度/
(g·cm^-3)

拉伸强
度/MPa

弹性模
量/GPa

长度/
mm

极限伸
长率/%

玄武岩纤维

2.65

1 050

7.6

水泥	NCA	RCA	砂子	水	粉煤灰	减水剂
1	2.37	0.79	1.92	0.46	0.21	0.01

水泥

NCA

RCA

砂子

水

粉煤灰

减水剂

2.37

0.79

1.92

0.46

0.21

0.01

试件编号	纤维掺量/%	立方体抗压试件
BRC-0-0		150×150×150	3
BRC-30-0	0	150×150×150	3
BRC-60-0		150×150×150	3
BRC-90-0		150×150×150	3
BRC-0-0.5		150×150×150	3
BRC-30-0.5	0.5	150×150×150	3
BRC-60-0.5		150×150×150	3
BRC-90-0.5		150×150×150	3
BRC-0-1.0		150×150×150	3
BRC-30-1.0	1.0	150×150×150	3
BRC-60-1.0		150×150×150	3
BRC-90-1.0		150×150×150	3
BRC-0-1.5		150×150×150	3
BRC-30-1.5	1.5	150×150×150	3
BRC-60-1.5		150×150×150	3
BRC-90-1.5		150×150×150	3

试件编号

纤维掺
量/%

立方体抗压试件

尺寸(mm×mm×mm)

数量

BRC-0-0

150×150×150

BRC-30-0

150×150×150

BRC-60-0

150×150×150

BRC-90-0

150×150×150

BRC-0-0.5

150×150×150

BRC-30-0.5

0.5

150×150×150

BRC-60-0.5

150×150×150

BRC-90-0.5

150×150×150

BRC-0-1.0

150×150×150

BRC-30-1.0

1.0

150×150×150

BRC-60-1.0

150×150×150

BRC-90-1.0

150×150×150

BRC-0-1.5

150×150×150

BRC-30-1.5

1.5

150×150×150

BRC-60-1.5

150×150×150

BRC-90-1.5

150×150×150

试件编号	抗压强度/MPa	抗劈拉强度/MPa	质量/kg
BRC-0-0	31.7	2.84	7.948
BRC-0-0.5	32.7	2.93	8.075
BRC-0-1.0	34.3	3.08	7.867
BRC-0-1.5	33.3	3.04	7.904
BRC-30-0	30.7	2.75	7.923
BRC-30-0.5	31.6	2.83	8.055
BRC-30-1.0	33.1	2.95	7.846
BRC-30-1.5	32.2	2.90	7.883
BRC-60-0	29.4	2.63	7.878
BRC-60-0.5	30.2	2.70	8.009
BRC-60-1.0	31.3	2.80	7.810
BRC-60-1.5	30.8	2.78	7.848
BRC-90-0	28.2	2.47	7.848
BRC-90-0.5	28.8	2.53	7.997
BRC-90-1.0	30.1	2.62	7.773
BRC-90-1.5	29.3	2.58	7.812

试件编号

抗压强度/MPa

抗劈拉强度/MPa

质量/kg

BRC-0-0

31.7

2.84

7.948

BRC-0-0.5

32.7

2.93

8.075

BRC-0-1.0

34.3

3.08

7.867

BRC-0-1.5

33.3

3.04

7.904

BRC-30-0

30.7

2.75

7.923

BRC-30-0.5

31.6

2.83

8.055

BRC-30-1.0

33.1

2.95

7.846

BRC-30-1.5

32.2

2.90

7.883

BRC-60-0

29.4

2.63

7.878

BRC-60-0.5

30.2

2.70

8.009

BRC-60-1.0

31.3

2.80

7.810

BRC-60-1.5

30.8

2.78

7.848

BRC-90-0

28.2

2.47

7.848

BRC-90-0.5

28.8

2.53

7.997

BRC-90-1.0

30.1

2.62

7.773

BRC-90-1.5

29.3

2.58

7.812

干循环周期/d	不同纤维掺量(%)下的D值
0	1.000 0	1.031 4	1.081 8	1.060 7
30	0.969 2	0.996 6	1.040 1	1.019 3
60	0.928 4	0.952 5	0.986 5	0.976 2
90	0.880 1	0.900 3	0.934 8	0.916 4

干循环周期/d

不同纤维掺量(%)下的D值

0.5

1.0

1.5

1.000 0

1.031 4

1.081 8

1.060 7

0.969 2

0.996 6

1.040 1

1.019 3

0.928 4

0.952 5

0.986 5

0.976 2

0.880 1

0.900 3

0.934 8

0.916 4

纤维掺量/%	干湿循环周期/d	试验值D	a	b	预测值D	C	p
	0	1.000 0			1.000 0
0	30	0.969 2	0.048 0	1.042 1	0.970 5	0.043 8	1
	60	0.928 4			0.925 0
	90	0.880 1			0.881 6
	0	1.031 4			1.031 4
0.5	30	0.996 6	0.050 6	1.075 7	0.998 1	0.043 8	1
	60	0.952 5			0.948 8
	90	0.900 3			0.902 0
	0	1.081 8			1.081 8
1.0	30	1.040 1	0.053 3	1.125 7	1.040 0	0.003 8	1
	60	0.986 5			0.986 0
	90	0.934 8			0.934 8
	0	1.060 7			1.060 7
1.5	30	1.019 3	0.052 8	1.105 4	1.022 1	0.074 2	1
	60	0.976 2			0.969 5
	90	0.916 4			0.919 6

纤维掺量/%

干湿循环周期/d

试验值D

预测值D

1.000 0

0.969 2

0.048 0

1.042 1

0.970 5

0.043 8

0.928 4

0.925 0

0.880 1

0.881 6

1.031 4

0.5

0.996 6

0.050 6

1.075 7

0.998 1

0.043 8

0.952 5

0.948 8

0.900 3

0.902 0

1.081 8

1.0

1.040 1

0.053 3

1.125 7

1.040 0

0.003 8

0.986 5

0.986 0

0.934 8

1.060 7

1.5

1.019 3

0.052 8

1.105 4

1.022 1

0.074 2

0.976 2

0.969 5

0.916 4

0.919 6

评定指标	优(I级)	良(II级)	中(III级)	差(IV级)
均方差比值C	0.35	0.50	0.65	0.80
小误差概率p	0.95	0.80	0.70	0.60

评定指标

优(I级)

良(II级)

中(III级)

差(IV级)

均方差比值C

0.35

0.50

0.65

0.80

小误差概率p

0.95

0.80

0.70

0.60

纤维掺量/%	预测值/d
0	191
0.5	199
1.0	213
1.5	205

纤维掺量/%

预测值/d

191

0.5

199

1.0

213

1.5

205