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基于GM%281%2C1%29模型对大体积混凝土抗冻性服役寿命进行预测.pdf
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1、第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023基于GM(1,1)模型对大体积混凝土抗冻性服役寿命进行预测付勇1,乔宏霞1,2,薛翠真1,宋彦宁1(1.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050;2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州 730050)摘要:为改善大体积混凝土抗冻性能,设计了基准(JZ),6%MgO膨胀剂(K-6),15%粉煤灰+6%MgO膨胀剂(D15-6)和15%粉煤灰+15%矿粉+
2、6%MgO膨胀剂(S15-6)4组试件,在室内进行快速冻融循环试验。根据质量损失率与相对动弹性模量(RDEM)等宏观评价指标与试件表观形貌及SEM微观形貌对混凝土抗冻性进行评价。同时,依据GM(1,1)预测模型对混凝土抗冻性循环次数进行预测,结合室内外冻融循环之间关系,将冻融循环次数转化为服役寿命。研究结果表明:与JZ组相较,D15-6组混凝土抗冻性提高了0.39倍,其抗冻性能最好,K-6组提高了0.07倍,而S15-6组提高了0.27倍。D15-6组试件在冻融循环结束后表面只出现零星小凹坑且结构依然较为致密,在内部缺陷处可以观察到少量呈针棒状的石膏与钙矾石物质集合,此类物质产生的膨胀应力一旦
3、超过混凝土自身抗拉强度,混凝土将出现开裂破坏。另外,在一定误差允许范围内,GM(1,1)模型预测结果较为保守,有利于结构的提前维修及加固。基于GM(1,1)模型预测可知,JZ,K-6和S15-6及D15-6组试件分别在512,550,650及712次冻融循环时达到失效状态。JZ组混凝土在北部地区、东北地区及西北地区服役寿命分别为73.14,51.20及52.06 a,而D15-6组试件在北部地区、东北地区及西北地区服役寿命分别为101.71,71.20及72.41 a。关键词:大体积混凝土;MgO膨胀剂;服役寿命;冻融循环中图分类号:TU528 文献标志码:A 文章编号:1672-7029(2
4、023)08-3151-11Prediction of frost-resistant service life of mass concrete based on GM(1,1)modelFU Yong1,QIAO Hongxia1,2,XUE Cuizhen1,SONG Yanning1(1.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Engineering Research Center of Western Ministry of Civil Engineerin
5、g Disaster Prevention and Mitigation Education,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)Abstract:To improve the frost resistance of mass concrete,four groups of test pieces were designed,including benchmark(JZ),6%MgO expansive agent(K-6),15%fly ash+6%MgO expansive agent(D15-6),15%fly as
6、h+15%mineral powder+6%MgO expansive agent(S15-6),and the rapid freeze-thaw cycle tests were carried out indoors.The frost resistance of concrete was evaluated based on macroscopic evaluation indicators such as mass 收稿日期:2022-09-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(52178216,51868044)通信作者:乔宏霞(1977),女,山西应县人,教授,从事混凝土耐久性
7、及寿命预测研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221812铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月loss rate and relative dynamic modulus of elasticity(RDEM),as well as the apparent morphology and SEM microscopic morphology of the specimen.At the same time,according to GM(1,1)prediction model,the number of freeze-thaw cycl
8、es of concrete was predicted in combination with the relationship between indoor and outdoor freeze-thaw cycles,and the number of freeze-thaw cycles was converted into service life.The results show that,compared with JZ group,the freezing resistance of concrete in group D15-6 is improved by 0.39 tim
9、es,and the freezing resistance of concrete in group K-6 is improved by 0.07 times,and that in group S15-6 is improved by 0.27 times.After the freeze-thaw cycle of group D15-6 test pieces,only sporadic small pits appear on the surface and the structure is still relatively dense.A small amount of need
10、le like gypsum and Ettringite can be observed at the internal defects.Once the expansion stress generated by such substances exceeds the tensile strength of the concrete itself,the concrete would crack and be destroyed.In addition,within a certain error range,the prediction results of GM(1,1)model a
11、re relatively conservative,which is conducive to the early maintenance and reinforcement of the structure.Based on GM(1,1)model prediction,it can be predicted that JZ,K-6,S15-6 and D15-6 test pieces reach failure state after 512,550,650 and 712 freeze-thaw cycles respectively.The service life of JZ
12、group concrete in the north,northeast and northwest regions is 73.14,51.20 and 52.06 years respectively,while the service life of D15-6 group concrete in the north,northeast and northwest regions is 101.71,71.20 and 72.41 years respectively.Key words:mass concrete;MgO expansion agent;service life;fr
13、eeze thaw cycle 与普通混凝土相比,混凝土坝、超长池体、基础底板等大体积混凝土结构面临的收缩开裂问题尤为严重14。为缓解池体混凝土的温度收缩和干燥收缩,降低结构的开裂,经济有效的方法是在混凝土内部掺入一定量的膨胀剂56。然而在关注其开裂破坏的同时,有时可能遭受冻融循环作用,因此有必要研究膨胀剂及矿物掺和料对大体积混凝土的抗冻性影响。目前,对于各类膨胀剂研究主要集中于水化热与开裂问题。如韩方晖等7探究了不同掺量矿渣与粉煤灰复合胶凝材料水化放热量,结果表明矿渣掺量在70%以内、粉煤灰掺量在 65%以内可以通过 Krstulovic-Dabic水化动力学模型计算放热量;何贝贝等8分析了
14、水化抑制剂对地下室底板混凝土早期温度裂缝的影响,研究表明水化抑制剂可以有效控制混凝土早期裂缝;曹丰泽等9研究了MgO膨胀剂对大体积混凝土侧墙变形性能和温度收缩性能的影响,研究表明掺入6.2%MgO膨胀剂降低了温度裂缝和收缩裂缝的出现几率;侯剑桥等10在蒸压养护条件下对不同水胶比的活性混凝土收缩膨胀进行分析,结果表明试件呈现出先收缩后膨胀的变化规律;GAO等11对大体积混凝土抗冻性进行研究,研究结果表明掺入50%粉煤灰和8%MgO膨胀剂,混凝土抗硫酸盐性能略有提高;SANT12探究了减缩剂对胶凝体系体积变化的影响,结果表明减缩剂并不能改变水化反应温度敏感性,但可以诱导早期膨胀;盛智博等13探究了
15、养护温度和粉煤灰掺量对钙镁复合膨胀剂膨胀影响,研究结果表明养护温度会促进复合膨胀剂的膨胀作用,而粉煤灰会抑制其膨胀作用。以上研究主要集中于定性分析膨胀剂与掺合料对大体积混凝土的收缩、开裂及膨胀的影响。然而,目前,研究者尝试通过GM(1,1)模型对不同混凝土抗冻性进行定性分析,并取得了显著的效果。如杨璐等14利用GM(1,1)模型建立了再生混凝土抗冻性模型,研究表明当再生骨料替代量为60%时,其抗冻性最优;高矗等15依据GM(1,1)模型定量研究初始应力损伤对轻骨料混凝土抗冻性的影响,研究结果表明初始损伤度为0.05,0.12,0.19 和 0.27 时,抗冻性服役寿命分别缩短了 15,20,2
16、7.5及 35 a。综上,研究了 MgO膨胀剂与掺合料对大体积混凝土的水化热、早期开裂及膨胀问题,只得到了定性分析结果。而本文借助较为成熟的 GM(1,1)模型分析了 MgO膨胀剂和不同矿物掺合料对大体积混凝土抗冻性的影响,不仅可以直观的发现MgO膨胀剂及不同矿物掺合料对大体积混凝土抗冻性的影响,而且可以对达到冻融破坏时的循环次数进行预测。另外,借助室内外冻融循环之间的关系,将室内冻融循环次数转化3152第 8 期付勇,等:基于GM(1,1)模型对大体积混凝土抗冻性服役寿命进行预测为室外实际服役寿命。这可以对掺入MgO膨胀剂与掺合料的大体积混凝土抗冻性定量研究提供新的思路。1 试验方案及过程1
17、.1试验材料水泥:采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其基本指标及化学成分分别如表1和表2所示。粉煤灰:采用含水量为0.3%,活性指数为81%的级粉煤灰。矿粉:采用兰州某建材公司提供的含水量为0.3%,比表面积 421 m2/kg,28 d活性指数为 98%的S95级矿粉。细集料:选用兰州地区细度模数为2.46天然河砂作为细集料。粗骨料:采用兰州某公司提供的粒径为520 mm,连续级配,含泥量为0.5%粗骨料。MgO 膨胀剂:采用兰州某公司提供,其基本性能指标如表3所示。不同粉体材料微观形貌及粒径分布分别如图1和图2所示。由图 1 可知,水泥和矿粉的微观形貌较为相近,颗粒级配均不连续。而粉煤灰
18、呈球体状分布,具有良好的颗粒级配。1.2试验方案制备尺寸为 100 mm100 mm400 mm 的棱柱体试件4组,冻融循环试验开始之前,将试件标准养护24 d后,再放置于(202)的水中全浸泡4 d,浸泡结束后对其质量及超声声速进行采集作为初始数据,然后放入冻循环箱中开始试验,最高中心温度和最高低中心温度应分别控制在(82)和(172)。每25次冻融循环作为一个大循环,结表1 P.O 42.5水泥的基本指标Table 1 Properties of P.O 42.5 cement原材料水泥凝结时间/min初凝159终凝253抗压强度/MPa3 d17.428 d46.9抗折强度/MPa3 d
19、3.7528 d6.58表2P.O 42.5水泥化学成分Table 2Composition of P.O 42.5 cement%所含成分百分比Al2O36.57SiO219.34Fe2O33.22CaO47.95SO31.23MgO1.58其他4.06表3MgO膨胀剂基本性能Table 3Properties of MgO expansion agent名称MgO含量/%烧失量/%含水率/%细度1.18 mm筛筛余/%比表面积m2/kg凝结时间/min抗压强度/MPa膨胀率/%初凝终凝7d28 d1 d28 d指标803.00.30.52004560022.542.50.050.6结果88
20、.62.90.260.520618031524.544.50.060.55(a)水泥;(b)粉煤灰;(c)矿粉图1不同粉体材料微观形貌Fig.1Micro morphology of different powder materials3153铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月束后再次采集质量和超声声速,每次测量 3个试件,平均值作为最终结果,一次冻融循环时间为2.4 h左右,依据“快冻法”相关规范,300次冻融循环后停止试验。冻融循环对混凝土破坏是由外到内逐渐剥蚀而发生,在冻胀力及渗透压力共同作用下,孔隙不断扩大,混凝土表面砂浆及净浆逐渐脱落,当脱落质量累计达到5%以上,则
21、认为已达到冻融破坏,其质量损失率为16:M=G0-GnG0100%(1)式中:M为试件在不同冻融循环次数下的质量损失率,%;G0为试件初始质量,kg;Gn为n次冻融循环后试件质量,kg。另外,混凝土在冻融循环过程中内部自由水不断发生冻融作用,其作用类似作用于孔结构上疲劳损伤反复积累,而相对动弹性模量恰好可以反应混凝土试件的内部微细观结构密实程度,当相对动弹性模量小于 60%,则表明混凝土试件达到冻融破坏状态,使用非金属超声检测分析仪对不同冻融循环次数的混凝土试件的超声波波速进行检测,然后依据式(2)(3)计算得到混凝土试件的动弹性模量,其混凝土试件的相对动弹性模量,如式(4)所示:v=Lt(2
22、)Ed=(1-2)(1+)(1-)v2(3)En=v2nv20(4)式中:Ed为冻融循环后混凝土试件的动弹性模量;En为n次冻融循环后的试件的相对动弹性模量;v为试件的波速;L为试件的长度;t为超声波在试件内部的传播周期;为泊松比;为混凝土试件的密度;n为n冻融循环后超声波波速;v0为试件初始超声波波速。2 试验结果2.1表观形貌冻融循环破坏是由表及里一个逐渐损伤的过程,图3为不同组试件在100次,200次及300次冻融循环时的外观形貌。由图3可知,D15-6组试件在100次和200次冻融循环后表面基本光滑完整,300次冻融循环后表面出现零星小凹坑,但粗骨料未暴露。S15-6组试件在 100
23、次和 200 次冻融循环后表面较完整,而300 次循环后,砂浆剥落较明显,粗骨料部分可见。K-6 组试件在 100 次冻融循环后表面出现麻坑,在200次循环后,剥落较明显,粗骨料部分可见,在300次循环后,麻坑逐渐变深,粗骨料可部分可见。JZ组试件在100次冻融循环后,在试件中部部分粗骨料外露,在200次和 300次循环后,损伤由外向内逐渐扩大,砂浆剥落严重,试件中部粗集料几乎完全暴露出来。2.2相对动弹性模量(RDME)及质量损失率冻融循环下相对动弹性模量(RDME)与质量损失率经时变化曲线分别如图4和图5所示。(a)分计百分数;(b)累计百分数图2不同粉体材料粒径分布Fig.2Partic
24、le size distribution of different powder materials3154第 8 期付勇,等:基于GM(1,1)模型对大体积混凝土抗冻性服役寿命进行预测由图4和图5可知,随着冻融循环次数增加,不同组试件RDME逐渐减小而质量损失率逐渐增大。300次循环后,JZ,K-6,S15-6及D15-6混凝土试件的 RDME 值分别为 0.849,0.869,0.920 和0.921,而质量损失率分别为0.8%,0.63%,0.41%和 0.40%。在前 75 次循环前,JZ 组与 K-6 组试件RDME值变化几乎同步,75次循环后,K-6组试件的RDME值大于JZ组试件
25、的RDME值,且JZ组试件的RDME值在整个冻融循环过程中为最小而质量损失率最大,即其抗冻性较差。S15-6组试件在150次冻融循环前RDME值稳定下降,150175次循环之间RDME值加速下降,175次循环后又处于稳定下降状态。D15-6组试件在150175次冻融循环前 RDME 值加速下降与质量损失率结果一致,175次循环后RDME值稳定下降。综上,无论从相对动弹性模量还是质量损失率来评价混凝土抗冻性能都可以得到相同结论,JZ组试件抗冻性较差,D15-6组抗冻性最好,S15-6与K-6介于两者之间,且K-6组试件抗冻性优于S15-6组试件。D15-6组抗冻性能较好,其可能原因是粉煤灰的掺入
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