基于有限元算法的混凝土與外加劑適應性研究

魏亮亮（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

近幾年，隨著我國現代化建筑技術的不斷完善與發展，為日常的建筑施工提供了極大的便利。不僅如此，混凝土強大的適應能力與外加劑也可以更好地融合在一起。這種建筑形式持續了較長的時間，在應用初期取得了相對較好的效果。但是現階段在實際應用的過程中，由于建筑物結構的復雜以及預拌需求的提升，使得傳統混凝土高強度的適應性受到了極大的影響[1]。造成這一現象的主要原因在于，現如今的混凝土不斷商品化，不僅要求其外表呈現更高的硬度與強度，同時也要求其具備較好的成型能力，這樣才能進一步滿足復雜建筑結構混凝土與外加劑適應性的需要[2]。其實，在應用的過程中，混凝土從干硬性、塑性混凝土再到流態、大流態甚至如今的超流態自密，外加劑對其形狀的塑造以及凝固起到了極大的作用，具有十分重要且關鍵的影響[3]。

另外，外加劑中的減水劑對于混凝土內部物質的處理與分解也是較快的，致使其適應性逐漸增強。但是，混凝土在應用時，每一個組分均是相互獨立的，且兩組之間如遇不同的凝固情況，還會產生較強的雙向匹配性，使得適應性降低[4]。與此同時，混凝土強度的下降，與石粉吸附外加劑的劑量也存在較大的關系，需要將用量控制在合理的范圍之內，同時也要確保外加劑中石粉的對應添加量，這樣才能進一步提升施工過程中，混凝土與外加劑之間的適應性[5]。有限元算法是一種將龐大數據依據特殊的劃歸模式分割成對應大小有限元的計算方法，通常情況下，會被應用在建筑施工數據推算以及延伸演算之中，具有較好的效果，且產生的誤差也相對較小[6]。

在有限元算法的輔助模擬與計算之下，可以更好地明確混凝土與外加劑兩者之間的適應程度與適應轉變比值。另外，對于石粉添加量以及流態強度也可以實現更好地控制，最終完成預期的建筑任務目標[7]。因此，對基于有限元算法的混凝土與外加劑適應性做出對應的實驗研究。在較為真實的環境背景之下，結合實際的建筑需求，首先需要確定混凝土的預期用量，同時準備一定劑量的外加劑，建立兩者之間的適應性聯系，設定標準的轉換比值，依據其進行對應的適應用量轉換，不斷提升建筑整體的性能，同時擴大混凝土的適用范圍，兼顧對剛度與強度的控制，進而更好地提升相關的適應性，完成分析與研究。

1 實驗準備

1.1 實驗材料

進行實驗相關材料的準備與預處理。硅酸鹽混凝土熟料120kg，具體的化學成分分析見表1。

表1 硅酸鹽混凝土熟料化學成分%

根據表1中的數據信息，完成對硅酸鹽混凝土熟料化學成分的處理。隨后，準備萘系減水劑大約0.6kg，聚羧酸系減水劑1.2kg[8]。石灰石10kg，實驗用的石礦粉選用s95型號的，同時，還需要準備低鈣的干態氟石膏65kg，脫硫石膏12kg，分為均等量的兩分分別置于實驗器皿之中。將準備好的各種材料進行打碎、均分、放置在對應的測試實驗器皿之中，并進行密封保存，依據后續使用的順序，完成編號，穩定保存。將兩種混凝土石膏相互融合，同時分化其化學成分，具體見表2。

表2 混凝土石膏融合成分變化表

根據表2中的數據信息，最終完成對混凝土石膏融合成分變化的分析與研究。完成上述測定與材料的準備之后，對混凝土樣本與外加劑的固含量以及pH值預處理，見表3。

表3 混凝土樣本與外加劑固含量以及pH值預處理

根據表3中的數據信息，最終完成對混凝土樣本與外加劑固含量以及pH值的相關預處理。至此，便完成對實驗的相關測試材料的準備，完成之后，開始進行對應測試設備的預處理準備。

1.2 布置準備

將預設的實驗材料樣本進行風干處理，避免材料中存在大量的蒸氣水分，通過對混凝土化學成分分析與變化情況的掌控，設定形成實驗的環境。對應用的外加劑進行比例勾兌。依據實際的需求，將全濃度的外加劑依據4：3的比例完成勾兌，避免在應用的過程中出現混凝土碎裂情況的發生。調整實驗的設備，混凝土成分檢測儀與測試裝備需要保持在一致的測定標準之上，進行預期測定適應范圍的明確，并計算其實際的測定范圍，具體如下公式1所示：

公式1中：K表示實際的測定范圍，β表示有限作用值。通過上述計算，最終可以得出實際的測定范圍。完成之后，依據所設定的范圍，結合混凝土的梳理熟料體積，計算其飽和摻量，如下公式2所示：

公式2中：M表示飽和摻量，d表示應變反應值，x表示混凝土的延伸擴展度。通過上述計算，最終可以得出實際的飽和摻量，完成測定布置的準備。同時運行的環境保持相同。完成上述布置準備之后，開始實驗的預期測試。

2 實驗過程及結果分析

在上述所搭建的實驗環境背景之下，開始對應的測試。首先，取硅酸鹽混凝土熟料10kg，石灰石200g將其攪拌混合，放置在預先準備好的實驗皿之中，配置三等分完全相同的混合料，利用SMD研磨儀器，在550mm×450mm的方形測定壁框中將其研磨成更加細致的樣本混凝土粉末，需要注意的是，每一組的研磨時間需要進行嚴格地控制，分別為15min,25min以及35min。完成研磨之后，將兩種外加劑添加在第一組和第二組的測試組之中，密封靜止大約3min，隨后，將混凝土樣本再次打碎，經過0.85mm的方孔篩反復過篩，直至粉末的狀態達到96.34的細沙狀即可，并計算出其物性指數，具體如下公式3所示：

公式3中：表示物性指數，表示混凝土摻量，表示轉換比值，表示物性差值，通過上述計算，最終可以完成對物性指數的計算。在混凝土樣本中添加實驗用蒸餾水，并均衡攪拌5min，依據上述的計算，結合外加劑的適應條件，采用有限元算法計算出混凝土凈漿流動率，如下公式4所示：

公式4中：N表示混凝土凈漿流動率，s表示有限元范圍，c表示單元轉換值，?表示適應差值。通過上述計算，最終可以完成對混凝土凈漿流動率的計算。利用混凝土凈漿流動率創建測試的有限元變化適應環境。此時，可以在不同的作用情況之下，進行8小組的適應性測試。利用混凝土坍落度法先對不同測試組的混凝與樣本進行坍落范圍的確定，同時，在樣本中再次添加外加劑，兩種外加劑分別添加，并對其中的減水含量做出控制，最好保持在4.5%左右即可。

完成處理后，將混凝土樣本放置在烘干機之中，并將處理時間設定在30min之內，烘干機的溫度每隔10min調整1次，共需要調整3次，分別為120℃、180℃以及260℃。烘干之后，觀察混凝土的外部情況，并利用成分檢測儀，檢測樣本中石粉的實際含量。如果水灰比為0.35以下，則表明混凝土與外加劑的適應性在高溫的作用之下相對較好，反之，如果水灰比為0.35以上，表明適應性相對較差，兩者之間的融合性不明顯，黏性也會受到影響，最終導致無法順利完成工程的建設。利用有限元算法，結合混凝土坍落度法，創建流動性有限元的適應測試環境，同時根據實際得出的水灰比，建立重疊有限損失適應范圍矩陣，具體如下公式5、6、7所示：

公式5、6、7中：R、D、F表示重疊有限損失適應范圍，φ表示有限元流動度，X表示混凝土飽和點。通過上述計算，最終可以完成實際的重疊有限損失適應范圍。完成之后，結合混凝土飽和點適應程度的確定，在有限元的預設計算范圍之內，對每一個小組的坍落度以及有限元擴展度計算，具體如下公式8所示：

公式8中：Y表示坍落度，κ表示測定有限元目標距離，π表示流動初始單元值，r表示適應程度。通過上述計算，最終可以完成實際的坍落度。結合得出的數值，繼續計算對應的有限元擴展度，如下公式9所示：

公式9中：T表示有限元擴展度，ω表示外加劑兌比例，?表示預設飽和點，V表示凈漿流動度。通過上述計算，最終可以完成實際的有限元擴展度。根據上述得出的數據詳細信息，對混凝土與外加劑適應性進行分析與對比研究，具體見表4。根據表4中的數據信息，最終可以完成對混凝土與外加劑適應性實驗結果的分析與研究。混凝土與外加劑適應性的變化與混凝土處理過程中擴展度以及坍落度存在一定的聯系，與初始的數值標準相對比，擴展度越高，坍落度越高，相對應的適應性會更好一些，反之，對應的適應性便會下降。

表4 混凝土與外加劑適應性實驗結果表

3 討論

經過上述的測定與實驗，對最終得出的測試結果進行談論。利用混凝土坍落度法，結合有限元算法，計算出混凝土與外加劑適應范圍之中的坍落度以及擴展度，并得出兩者在混凝土與外加劑適應性分析實驗中的關系。與初始的數值標準相對比，實驗得出的擴展度越高，坍落度越高，相對應的適應性會更好一些，反之，如果得出的擴展度越低，坍落度也會隨之下降，適應性也會相對較差一些。

4 結語

本文針對基于有限元算法的混凝土與外加劑適應性的研究與分析。并通過實驗得出的擴展度越高，坍落度越高，相對應的適應性會更好一些，反之，如果得出的擴展度越低，坍落度也會隨之下降，適應性也會相對較差一些。但是由于時間的關系，還存在些許不足，在接下來的研究中，將對混凝土抗壓能力進行研究，為提升建筑整體的性能提供參考。