SAP内养护机制砂混凝土力学性能及其BP神经网络预测_刘荣桂.pdf
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1、2023 年 5 月May 2023第 44 卷第 3 期Vol 44No 3doi:10 3969/j issn 1671 7775 2023 03 017开放科学(资源服务)标识码(OSID):SAP 内养护机制砂混凝土力学性能及其 BP 神经网络预测刘荣桂1,2,陈浩2,崔钊玮2,陈业强2,张邵峰2,闫乾勋2(1 南通理工学院 建筑工程学院,江苏 南通 226001;2 江苏大学 土木工程与力学学院,江苏 镇江 212013)摘要:为研究高吸水性树脂(SAP)对不同石粉掺量机制砂混凝土力学性能的影响规律,在机制砂混凝土中掺入不同掺量的 SAP 和石粉,对其开展抗压强度与抗折强度的试验,并
2、用 BP(backpropagation)神经网络对抗压强度进行预测 研究结果表明:机制砂混凝土各龄期抗压强度随SAP 掺量的增加呈先升高、后降低的趋势,当 SAP 掺量为 0.08%时,抗压强度最高;不同石粉掺量下,掺入掺量为 0.08%的 SAP 能够显著提高混凝土抗压强度,特别是与掺量为 9%石粉复掺时,抗压强度提升效果最好;不同石粉掺量下,混凝土抗折强度均随 SAP 掺量增加呈先降低、后升高、再降低的趋势;当 SAP 掺量为 0.16%时,抗折强度达到最大值 因而复掺时的最佳掺量组合为 0.16%SAP 与 6%石粉;通过对 48 组抗压强度试验数据进行预测,发现预测值与试验值的结果较
3、为吻合关键词:机制砂混凝土;高吸水性树脂;石粉;力学性能;BP 神经网络中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:1671 7775(2023)03 0367 06引文格式:刘荣桂,陈浩,崔钊玮,等 SAP 内养护机制砂混凝土力学性能及其 BP 神经网络预测J 江苏大学学报(自然科学版),2023,44(3):367 372收稿日期:2021 06 28基金项目:国家自然科学基金资助项目(51778272);南通市科技计划项目(JC2019064);南通市建筑结构重点实验室项目(CP12015005)作者简介:刘荣桂(1957),男,江苏江都人,博士,教授,博士生导师(liurg ujs
4、edu cn),主要从事混凝土结构耐久性研究崔钊玮(1986),男,山西洪洞人,博士研究生,实验师(通信作者,czwei ujs edu cn),主要从事内养护混凝土力学性能研究Mechanical properties of SAP internal curing machine-made sandconcrete and BP neural network predictionLIU onggui1,2,CHEN Hao2,CUI Zhaowei2,CHEN Yeqiang2,ZHANG Shaofeng2,YAN Qianxun2(1School of Architectural Eng
5、ineering,Nantong Institute of Technology,Nantong,Jiangsu 226001,China;2Faculty of CivilEngineering and Mechanics,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)Abstract:The machine-made sand concrete was mixed with different amounts of super absorbent polymer(SAP)and stone powder,and the compress
6、ive strength and flexural strength tests were carried out toinvestigate the influence of SAP on the mechanical properties of machine-made sand concrete withdifferent amounts of stone powder Back propagation(BP)neural network was used to predict thecompressive strength The results show that the compr
7、essive strength of machine-made sand concrete atvarious ages is increased first with latter decreasing by increasing SAP content When SAP content is0.08%,the compressive strength is the highest The addition of 0.08%SAP can significantly increasethe compressive strength with the mixing of various sto
8、ne powders The compressive strength of concretemixed with 9%stone powder has the best effect The flexural strength of concrete with different stonepowder content is decreased first with latter increasing and decreasing by increasing the SAP content368第 44 卷When SAP content is 0.16%,the flexural stre
9、ngth reaches the maximum value,and the optimal mixingamount is 0.16%SAP with 6%stone powder compound According to the prediction of 48 sets ofcompressive strength test data,the predicted value is well consistent with the test valueKey words:machine-made sandconcrete;superabsorbentpolymer;stonepowder
10、;mechanicalproperties;BP neural network随着我国天然砂资源的日益枯竭,以及政府对天然砂开采的限制,使得土木工程的用砂矛盾日益突出 为此,越来越多的工程项目开始使用机制砂来替代天然砂 但是与天然砂相比,机制砂在生产过程中会不可避免地产生大量的石粉 研究结果1 2 表明:石粉对机制砂混凝土的性能具有重大的影响;适量石粉可以填充水泥颗粒间微小空隙,提高界面过渡区密实度,从而提高混凝土强度;过多石粉则会加大混凝土的干燥收缩,从而导致混凝土开裂,严重影响混凝土力学性能高吸水性树脂(SAP)是一种内部含有多种亲水基团的有机高分子化合物,具有独特的吸水 储水 释水特性,
11、能够预先吸收相当于自身质量几百倍甚至上千倍的水,并稳定地储存在内部 待水化反应过程中水分不足时,释放其内部预先吸收的水分,使水泥继续水化,有效地缓解因干缩开裂而导致强度下降的问题 近年来,学者们对掺 SAP 内养护混凝土力学性能开展了大量的研究 研究发现:少量的 SAP 能够有效细化混凝土内部的空隙3;掺入0.2%粒径为 50 目的 SAP 能够明显提高混凝土的早期强度4;SAP 的掺入使混凝土水化反应更充分,有利于强度的发展5;发现在水化反应后期,SAP 对高强度混凝土的强度有明显的提升作用6 因此,通过 SAP 对机制砂混凝土进行内养护,可有效解决机制砂混凝土因干缩开裂而造成的强度下降问题
12、为此,笔者所在课题组依托蒲炎高速三明段工程,采用现场隧道开挖洞渣生产的机制砂,研究不同石粉掺量下 SAP 对机制砂混凝土力学性能的影响规律,并利用 BP(back propagation)神经网络对机制砂混凝土抗压强度进行预测,为机制砂混凝土应用于实际工程提供理论依据和实践指导1材料与试验方法1.1原材料试验用水泥为鹤林牌 P O42.5 级普通硅酸盐水泥 粗骨料采用粒径为 5 20 mm 的连续级配碎石 细骨料中的河砂为中砂 机制砂采用现场隧道开挖洞渣生产的级配为区的机制砂,其级配组成见表 1表 1级配区的机制砂级配组成类别通过以下筛孔(mm)的百分率/%475236118060030015
13、机制砂50840275702746082848716机制砂级配区0 105 3535 6571 8580 9585 97减水剂为聚羧酸混凝土高效减水剂,掺量为胶凝材料总重量的 0.2%试验用水为实验室自来水石粉采用机制砂生产过程中生成的粒径小于 0.075mm 的颗粒 高吸水性树脂(SAP)的粒径为 0.15 0.25 mm,吸水倍率为400 500 g/g 盐水吸收倍率为60 g/g,加压吸水倍率为 26 g/g 堆积密度为 0.65 0.85 g/mL pH 值为 6.2文中,某种物质的掺量是指其质量占胶凝材料质量的百分比;S0F0 表示 SAP 和石粉掺量均为 0,S8F0 表示 SAP
14、 掺量为 0.08%和石粉掺量为 0,其余依此类推,S16F9 表示 SAP 掺量为 0.16%和石粉掺量为 9%7 1.2配合比设计依据 JGJ 552011普通混凝土配合比设计规程 的规定,对机制砂混凝土配合比进行设计 其中机制砂替代率为80%,与施工现场替代率相同 机制砂混凝土配合比见表2,其中 w 为掺量,为密度表 2机制砂混凝土配合比试验组号w(SAP)/%w(石粉)/%(水泥)/(kg/m3)(河砂)/(kg/m3)(机制砂)/(kg/m3)(石子)/(kg/m3)(水)/(kg/m3)(减水剂)/(kg/m3)S0F000455 014156421 057818200091S8F
15、00080454 714156421 057819109091S16F00 160454 314156421 057819109091第 3 期刘荣桂等:SAP 内养护机制砂混凝土力学性能及其 BP 神经网络预测369续表试验组号w(SAP)/%w(石粉)/%(水泥)/(kg/m3)(河砂)/(kg/m3)(机制砂)/(kg/m3)(石子)/(kg/m3)(水)/(kg/m3)(减水剂)/(kg/m3)S24F00240453 914156421 057819108091S0F303441 414156421 057818200091S0F606427 714156421 0578182000
16、91S0F909414 114156421 057818200091S8F30083441 014156421 057819082091S8F60086427 314156421 057819055091S8F90089413 714156421 057819027091S16F30163440 614156421 057819081091S16F60166427 014156421 057819054091S16F90169413 314156421 057819027091S24F30243440 114156421 057819080091S24F60246426 614156421 0
17、57819053091S24F90249413 014156421 0578190260911.3试验方法材料混合采用干拌方式 将 SAP、石粉、水泥、河砂、机制砂、石子及减水剂放入混凝土搅拌机中,干拌30 s,待 SAP、石粉与胶凝材料充分混合后,再加水搅拌 依据 GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准,对机制砂混凝土开展力学性能试验 抗压强度试验采用100 mm 100 mm 100 mm 的立方体试件,抗折强度试验采用 100 mm 100 mm 400 mm 的棱柱体试件 试件成型后放入标准养护箱中静置 24 h,随后取出试件进行拆模、编号,再继续放入养护箱中养护
18、其中抗压强度试件养护龄期分别为3、7 和28 d,抗折强度试件养护龄期为28 d 养护完成后取出试件开展力学性能测试2结果与讨论2.1对抗压强度的影响在龄期 t 为 3、7 和 28 d 时,分别单掺不同掺量SAP 和石粉的混凝土抗压强度 p变化曲线如图 1所示 由图 1a 可知,与 w(SAP)=0 混凝土相比,w(SAP)=0.08%混凝土在龄期为 3、7 和28 d 时抗压强度均有较大程度的提高,分别比 w(SAP)=0 混凝土增加了 14.32%、4.71%和 8.48%,说明少量的SAP 可以提高机制砂混凝土各个龄期的抗压强度这主要是因为 SAP 掺入到混凝土中吸收了浆体中的水分,减
19、少了混凝土中自由水含量,导致水胶质量比减小,从而提高了机制砂混凝土的密实性和强度 当 SAP 掺量超过 0.08%时,由于过多 SAP 的掺入,使得 SAP 释水后在混凝土内部留下的孔洞增多,导致机制砂混凝土在龄期为 3、7 和 28 d 时抗压强度开始逐渐降低,这与文献 5 结果类似图 1单掺 SAP 和石粉的各个龄期机制砂混凝土抗压强度变化曲线由图 1b 可知:w(石粉)=0 9%时,机制砂混凝土各个龄期的抗压强度均随石粉掺量的增加而不断提高;当石粉掺量为 9%时,机制砂混凝土在龄期为 3、7 和 28 d 时抗压强度均达到最高值;与w(石粉)=0 混凝土抗压强度相比,在龄期为3、7 和2
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