基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活性粉末混凝土（RPC）強(qiáng)度預(yù)測研究

胡順新 殷 琪

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 崇左 532200 ）

0 引言

超高性能混凝土—活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC），因其強(qiáng)度高、韌性好、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，它的應(yīng)用可有效解決存在于普通混凝土結(jié)構(gòu)中的難題。而RPC的強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)于其實(shí)際工程應(yīng)用有著非常重要的影響，而目前仍處于試驗(yàn)研究階段，缺乏相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算分析模型。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種在工程應(yīng)用廣泛且具有優(yōu)質(zhì)泛化能力的前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2][3]，本文擬借助 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，在進(jìn)行配合比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立 RPC 強(qiáng)度的預(yù)測模型。并利用該模型系統(tǒng)研究水膠比、鋼纖維摻量以及硅灰摻量比等影響因素對(duì)于 RPC強(qiáng)度的影響，進(jìn)而為RPC的強(qiáng)度預(yù)測及配比設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)及試驗(yàn)現(xiàn)象

1.1 原材料

水泥：為了推廣RPC的應(yīng)用，本試驗(yàn)選用水泥為市場上常見的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；硅灰技術(shù)指標(biāo)如下：堆積密度235kg/m3，比表面積20000m2/kg，平均粒徑0.1～0.2μm，SiO2含量94.7%；石英砂：為了保證RPC的密實(shí)度，選取以下三個(gè)等級(jí)的石英砂：粗粒徑砂（1.25～0.63mm）、中粒徑砂（0.63～0.315mm）和細(xì)粒徑砂（0.315～0.16mm），使用時(shí)按一定的1:4:1的比例摻配；減水劑：RPC水膠比低，本試驗(yàn)選用聚羧酸系高效減水劑，減水率為30%；鋼纖維：根據(jù)國內(nèi)外對(duì)摻鋼纖維的活性粉末混凝土的研究，長徑比宜選取50 ～ 80mm。

1.2 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了16組配合比編號(hào)如表1所示，用以研究水膠比、砂膠比、鋼纖維體積摻量以及硅灰摻量比例4個(gè)主要影響因素對(duì)RPC抗壓、折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 RPC 試驗(yàn)配合比及其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度結(jié)果表

注：鋼纖維為體積比，其余材料均為質(zhì)量比

2 強(qiáng)度影響因素分析

（1）水膠比：對(duì)表1 中RPC1-1～RPC1-3 結(jié)果對(duì)比分析 可得，當(dāng)水膠比由0.17 上升至0.18、0.19、0.20 時(shí)，抗壓強(qiáng)度降幅分別為2.0%、14.8%、22.8%，抗折強(qiáng)度降幅分別為5.0%、18.6%、27.1%；可見水膠比上升會(huì)使得RPC 的抗壓、折強(qiáng)度均有所降低。可見水膠比是影響RPC 強(qiáng)度的重要參數(shù)。

（2）鋼纖維體積率：對(duì)比RPC1-3 及RPC2-1～RPC2-4 的結(jié)果可知鋼纖維摻入RPC 可使抗壓、折強(qiáng)度均有所增強(qiáng)。RPC1-3 及RPC2-2、RPC2-3、RPC2-4 的鋼纖維體積分別為0.75%、1.5%、2.0%、3.0%相較于鋼纖維摻量為0%的RPC2-1。相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度增長率為6.14%、12.88%、21.78%、22.78%，抗折強(qiáng)度增長率為18.56%、58.18%、102.13%、106.21%。故鋼纖維摻入對(duì)RPC 抗壓、折強(qiáng)度的增強(qiáng)有正向的提升作用。

（3）硅灰摻量：本試驗(yàn)的硅灰摻量與水泥的比例范圍為10%～40%。硅灰的摻入首先充分填充水泥顆粒之間的孔隙和起到潤滑的作用，并且硅灰中的SiO2可以充分消耗對(duì)RPC 強(qiáng)度不利的Ca（OH）2晶體，其次硅灰的加入有利于鋼纖維與基體之間的粘結(jié)，使鋼纖維和基體界面粘結(jié)力達(dá)到最大[4]。

（4）砂膠比：RPC 基于最大密實(shí)堆積理論進(jìn)行配制，無粗大顆粒的卵石，石英砂則成為RPC 最主要的骨料。雖然石英砂不具備活性不參與水泥漿體的水化反應(yīng)、但其與膠凝材料的比例會(huì)影響RPC 內(nèi)部的均勻性及骨料相及漿體相的強(qiáng)度進(jìn)而對(duì)RPC 的抗壓、折強(qiáng)度能產(chǎn)生影響[5]。

3 RPC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立及預(yù)測

RPC 是在最大密實(shí)堆積理論的前提下配制而成的，并且有活性成分硅灰及鋼纖維的加入進(jìn)一步優(yōu)化了RPC 的微觀結(jié)構(gòu)。基于RPC 的強(qiáng)度機(jī)理若仍舊采用傳統(tǒng)的包米爾公式對(duì)RPC 的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測將會(huì)超生較大的誤差，這將不利于RPC 在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本文擬建立兩個(gè)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別對(duì)RPC 的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決實(shí)際問題時(shí)需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇和確定。對(duì)于本次建立的RPC 強(qiáng)度預(yù)測模型，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，即鋼纖維體積率、水膠比、砂膠比、硅灰摻量4 個(gè)影響因素節(jié)點(diǎn)；輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)則為1，即RPC 立方體抗壓強(qiáng)度（或抗折強(qiáng)度）。4.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本選取及數(shù)據(jù)處理

（1）樣本選取：根據(jù)表1 的試驗(yàn)結(jié)果，選取RPC1-2、RPC1-2 及RPC1-2為測試樣本，其余數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本。

（2）數(shù)據(jù)處理：為提高模型的泛化能力及訓(xùn)練效果在進(jìn)行訓(xùn)練樣本前對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行“歸一化”處理將數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化成無量綱數(shù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練

根據(jù)本文4.1～4.2 節(jié)相關(guān)分析，采用Matlab 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立。網(wǎng)絡(luò)最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為[4-13-1]；選用tansig-logsig 函數(shù)組合作為本模型的傳輸函數(shù)；訓(xùn)練函數(shù)為trainlm；學(xué)習(xí)速率設(shè)定為0.01；誤差限值設(shè)定為0.0001；最大訓(xùn)練次數(shù)為1000[6][7]。由于本模型的訓(xùn)練函數(shù)為trainlm，數(shù)據(jù)收斂速度較快，在進(jìn)行13 次后既到達(dá)誤差所需的目標(biāo)限值，完成網(wǎng)絡(luò)建立。

3.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果分析

將未參與訓(xùn)練的三組測試樣本（RPC1-2、RPC1-2 及RPC1-2）輸入已建立完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中即可得到預(yù)測結(jié)構(gòu)，將預(yù)測結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析見表2。

表2 RPC 抗壓、折強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果表

由表2 可知，采用本文建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別對(duì)RPC 的抗壓、折強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，其最大、最下小相對(duì)誤差分別為4.78%和1.14%，最大相對(duì)誤差僅為4.78%滿足工程精度要求。

4 RPC 強(qiáng)度參數(shù)分析

由上述的誤差分析結(jié)果可知，本文建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是切實(shí)有效的，因此可將其運(yùn)用到各主要因素對(duì)RPC 強(qiáng)度影響的分析當(dāng)中去。只需將所要預(yù)測的樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矩陣輸入到訓(xùn)練完成的BP 網(wǎng)絡(luò)中，待網(wǎng)絡(luò)完成運(yùn)算后即可得到預(yù)測結(jié)果。圖1～圖4 為利用本文建立的BP 網(wǎng)絡(luò)分析得到的鋼纖維體積率、水膠比、沙膠比及硅灰摻量對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響結(jié)果。

圖1 鋼纖維體積摻量對(duì)RPC 抗壓、折強(qiáng)度的影響

圖2 水膠比對(duì)RPC 抗壓、折強(qiáng)度的影響

圖3 硅灰摻量對(duì)RPC 抗壓、折強(qiáng)度的影響

圖4 沙膠比對(duì)RPC 抗壓、折強(qiáng)度的影響

不同鋼纖維摻量對(duì)RPC 抗壓、折影響曲線見圖1。由圖中曲線可知，當(dāng)鋼纖維含量<1%時(shí)，其對(duì)RPC 的抗壓、折強(qiáng)度影響甚微，纖維含量>3%時(shí)效率不高。鋼纖維含量為1.5～2.5%，當(dāng)纖維含量增加時(shí)，RPC 的抗壓、折性能顯著提高；鋼纖維摻量由1%增至2%，RPC 抗壓強(qiáng)度提升了10.8%，抗折強(qiáng)度則有大幅提升，提升幅度為61%。顯然鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的提升作用明顯優(yōu)于其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

圖2 為水膠比對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響曲線，當(dāng)水膠比介于0.15-0.18 時(shí)水膠比對(duì)RPC 的抗壓、折強(qiáng)度均影響不大；但當(dāng)水膠比>0.18 時(shí)，RPC 的強(qiáng)度開始出現(xiàn)急劇降低。

圖3 反應(yīng)的是沙膠比與RPC 抗壓、折預(yù)測強(qiáng)度的關(guān)系曲線，由圖中曲線可以看出砂膠由0.8 上升至1.4，RPC 的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，抗折強(qiáng)度則隨著沙膠比的上升而不斷降低。

圖4 表明，當(dāng)硅灰摻量介于0.1～0.4 時(shí)，RPC 的抗折強(qiáng)度值介于29～32之間，強(qiáng)度值變化不大。當(dāng)摻量數(shù)值介于0.25～0.35 時(shí)，其對(duì)RPC 的抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提升，最大提升幅度可達(dá)21%，故此范圍可作為硅灰摻量的參考取值范圍。

5 結(jié)論

（1）采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)RPC 的抗壓、折強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測是行之有效的。利用該網(wǎng)絡(luò)得到的鋼纖維摻量、水膠比、硅灰摻量等因素對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響規(guī)律，可為RPC 在工程中的實(shí)際配合比提供有效參考。

（2）當(dāng)鋼纖維含量<1%時(shí)，其對(duì)RPC 強(qiáng)度影響甚微，當(dāng)大于3%時(shí)效率不高，RPC 中鋼纖維的合理體積摻量可取為1.5～2.5%。

（3）硅灰對(duì)RPC 的抗折強(qiáng)度無顯著影響，但其對(duì)RPC 立方體抗壓強(qiáng)度存在一定程度的提升作用，其參考取值范圍可取為0.25～0.35。

（4）水膠比對(duì)RPC 的強(qiáng)度有較大影響，當(dāng)水膠比>0.18 時(shí)，RPC 強(qiáng)度出現(xiàn)急劇降低；砂膠比對(duì)RPC 強(qiáng)度影響不大。