基于灰色系統(tǒng)理論的礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散性能與孔結(jié)構(gòu)研究

張雪勤 徐鋒

摘? 要：為了提高混凝土抗氯鹽侵蝕耐久性能，研究礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與微觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。基于灰色系統(tǒng)理論，分析了孔結(jié)構(gòu)分布、總孔隙率、平均孔徑、最可幾孔徑對(duì)礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響程度，有效區(qū)分多種因素的主次關(guān)系。研究結(jié)果表明：平均孔徑氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響程度最大，其次為最可幾孔徑，<20 nm的無(wú)害孔和20～50nm的少害孔對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響不大。

關(guān)鍵詞：礦渣? 氯離子擴(kuò)散系數(shù)? 孔結(jié)構(gòu)? 平均孔徑? 灰色關(guān)聯(lián)度

中圖分類號(hào)： TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（b）-0061-04

Abstract： In order to improve the durability of concrete against chloride corrosion， the relationship between chloride diffusion coefficient of slag concrete and micro pore structure parameters was studied. Based on the Grey system theory， the influence degree of pore structure distribution， total porosity， average pore diameter and the most probable pore diameter on chloride diffusion coefficient of slag concrete is analyzed， and the primary and secondary relations of various factors are effectively distinguished. The results show that the average pore size has the greatest influence on the diffusion coefficient of chloride ion， followed by the most probable pore size， and has little influence on the diffusion performance of chloride ion for the harmless pore size < 20 nm and the less harmful pore size from 20 nm to 50 nm.

Key Words： Slag; Chloride diffusion coefficient; Pore structure; Average pore size; Grey correlation degree

混凝土材料是一種典型的耐久性材料，但是本質(zhì)上是一種非均勻的多孔材料。在服役環(huán)境中，當(dāng)氯離子通過(guò)混凝土孔隙侵入到其內(nèi)部時(shí)，混凝土?xí)铀倨茐模褂脡勖蟠罂s短。研究發(fā)現(xiàn)氯離子的侵蝕速率主要取決于氯離子擴(kuò)散系數(shù)。而氯離子在擴(kuò)散系數(shù)這項(xiàng)宏觀性能，取決于其微觀孔結(jié)構(gòu)組成，研究混凝土宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系已經(jīng)成為主要學(xué)科之一。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在氯離子擴(kuò)散系數(shù)與單一孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。如，Pivonka等通過(guò)試驗(yàn)研究出水泥石氯離子擴(kuò)散系數(shù)、孔隙率及孔隙溶液中氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并且得出水泥石氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔隙率和孔隙溶液中氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。高禮雄等人研究表明：水泥基復(fù)合材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其毛細(xì)孔孔隙率之間有明顯的線性關(guān)系;同時(shí)，得出氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其連通孔徑之間的關(guān)系，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨連通孔徑的增加而增加。謝超[1]等研究表明，水泥砂漿孔分形維數(shù)與混凝土的氯離子滲透系數(shù)存在良好的相關(guān)性。但是，在分析氯離子擴(kuò)散系數(shù)與各微觀孔結(jié)構(gòu)的孔隙率、連續(xù)孔徑、孔分形維數(shù)等的關(guān)系時(shí)，并沒(méi)有考慮各因素之間的相互影響、相互制約的關(guān)系以及礦渣摻入的混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響程度研究較少。

鑒于此，本文通過(guò)礦渣混凝土孔結(jié)構(gòu)和氯離子擴(kuò)散性試驗(yàn)，深入分析礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與微觀孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系[2]，利用灰色關(guān)聯(lián)理論研究各個(gè)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，計(jì)算分析礦渣混凝土各孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度，得出其影響氯離子擴(kuò)散系數(shù)的主要因素和次要因素，從而確定孔結(jié)構(gòu)各微觀參數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的密切關(guān)系，更好地控制礦渣混凝土的抗氯離子擴(kuò)散性能[3]。其規(guī)律可用于指導(dǎo)耐久性混凝土的設(shè)計(jì)與配置，對(duì)全面提高混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命具有重要意義[4]。

1? 試驗(yàn)原材料

碩士論文已經(jīng)進(jìn)行了礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)混凝土材料采用PⅡ52.5級(jí)水泥，粒徑為5～25mm的連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0的河砂。礦渣采用S95級(jí)礦粉。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率在32%左右。混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C35，配置了五組不同礦渣摻量的混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期取28d、90d，混凝土坍落度控制在90±20mm，其配合比見(jiàn)表1。

按設(shè)計(jì)配合比稱取原材料，在混凝土攪拌機(jī)中攪拌，先加入石子和砂，預(yù)拌少許時(shí)間。然后繼續(xù)加入膠凝材料和水?dāng)嚢瑁倲嚢璧臅r(shí)間為3min。將攪拌均勻的混凝土裝入直徑為100mm，高為200mm的PVC管材中。在實(shí)驗(yàn)室靜置24h后拆模、編號(hào)，然后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d、90d。

2? 灰關(guān)聯(lián)熵分析

根據(jù)劉思峰[6]等研究的灰色系統(tǒng)理論，這套理論主要以少數(shù)據(jù)、貧信息系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析各個(gè)因素之間的影響程度及關(guān)聯(lián)度。具體步驟如下。

假設(shè)影響混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的各個(gè)因素為序列X1～Xn，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Yi，即氯離子擴(kuò)散系數(shù)作為主序列，孔結(jié)構(gòu)參數(shù)作為參考系列Xi，如表2所示。

第一步：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得出各個(gè)序列的初始值或均像值。

如表3所示：

第二步：計(jì)算主序列與子序列之間的差值。

如表4所示。

第三步：計(jì)算兩極最大差和最小差。

查表4可得出，M=3.028173，m=0

第四步：計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

其中，為分辨系數(shù)，一般取0.5。

如表5所示。

第五步：計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

如表6所示。

表6為氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果。從表6中看出，氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度排序由大到小為：平均半徑>最可幾孔經(jīng)>總孔隙率。氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔徑分布關(guān)聯(lián)度排序由大到小為：50nm～200nm >大于200nm >20 nm～50nm >小于20nm。顯而易見(jiàn)，平均孔徑與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)聯(lián)度最大，即控制平均孔徑對(duì)抵抗氯離子擴(kuò)散性能意義非常重大。同時(shí)，最可幾孔徑與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)聯(lián)度也很大，僅次于平均孔徑，總孔隙率和大于200nm的孔對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響也很顯著。所以，分析孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系，不能簡(jiǎn)單地分析單一因素對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，要進(jìn)行綜合考慮，最終建立氯離子擴(kuò)散系數(shù)與多種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量關(guān)系式，才可以更加精確地預(yù)測(cè)混凝土的宏觀性能[7-8]。在關(guān)聯(lián)度的計(jì)算中，還可以看出，孔徑<20nm的無(wú)害孔和20～50nm的少害孔的分布對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響最不顯著，因此在分析氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系時(shí)可予以剔除。

3? 結(jié)語(yǔ)

采用灰色關(guān)聯(lián)方法分析礦渣混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與其抗氯離子擴(kuò)散性能的關(guān)系。由氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)各參數(shù)的關(guān)聯(lián)度可知，平均半徑是影響礦渣混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能的最大因素，最可幾孔徑次之。孔徑<20nm的無(wú)害孔和20nm～50nm的少害孔的分布對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響最不顯著，該結(jié)論是否適用于其他礦物摻合料混凝土，還需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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