王維紅，李新睿，叢佩瑤，裴耀彬，姚奇峰，楊 用

（1.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學(xué)數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用研究所，寧夏銀川 750021）

稻殼灰是稻谷殼煅燒后的殘留物，其中1 t 谷殼煅燒后就會產(chǎn)生0.2 t 的稻殼灰，稻殼灰如不加妥善處理，會污染環(huán)境。稻殼在合適溫度煅燒后，會得到含有大量的無定型SiO2稻殼灰，其活性可與硅灰相媲美，一般最佳溫度控制在500～600 ℃。有效開發(fā)利用稻殼灰中的活性SiO2是近年來研究的主要課題[1—2]，國內(nèi)外學(xué)者將稻殼灰作為混凝土摻合料進(jìn)行了大量研究。F.A.Olutoge 等[3]采用0%，5%，7.5%，10%，12.5%，15%的稻殼灰取代水泥，研究稻殼灰對混凝土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，用稻殼灰代替常規(guī)水泥，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，特別是在稻殼灰摻量較高時，強(qiáng)度越低。H.T.Le等[4]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稻殼灰對抗壓強(qiáng)度的影響類似于硅灰，對自密實(shí)混凝土強(qiáng)度有增強(qiáng)效果，其中稻殼灰替代率較大時對混凝土后期強(qiáng)度影響更明顯。梁世慶等[5]以0%～30%的摻量等量取代水泥后，稻殼灰摻量越大，混凝土的初凝時間減小程度越大，對終凝時間影響不是很大。余其俊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土摻加稻殼灰后強(qiáng)度提高，水膠比越大，強(qiáng)度提高程度越大，且混凝土的抗鹽酸侵蝕能力、抗碳化和抗?jié)B性能也得到了明顯改善。

本文選擇經(jīng)高溫煅燒后的稻殼灰作為混凝土礦物摻合料，由于煅燒后的稻殼灰顆粒較粗，稻殼灰的活性不能充分發(fā)揮，在拌制混凝土之前，預(yù)先將稻殼灰粉磨45 min[7]，研究稻殼灰混凝土的力學(xué)性能，并采用BRF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對混凝土128 d 抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）膠凝材料。水泥選用寧夏賽馬牌PO 42.5R級水泥，其28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為45.2，8.3 MPa，初凝時間158 min，終凝時間248 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.6%。粉煤灰采用寧夏青銅峽熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，需水量比92%，燒失量2.8%，細(xì)度（0.045 mm 篩余量）7.8%。硅灰選用甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的硅灰，SiO2含量在90%以上。稻殼灰是寧夏石嘴山市平羅縣中糧米業(yè)輕工業(yè)園區(qū)中的稻殼經(jīng)高溫煅燒后得到的，此稻殼灰粒徑較粗，細(xì)度（0.045 mm 篩余量）92%，平均粒徑在107.28 μm，粒徑分布見圖1；經(jīng)粉磨45 min 后，稻殼灰細(xì)度（0.045 mm 篩余量）5%，顆粒平均粒徑在13.19 μm，粒徑分布見圖2；稻殼灰顆粒微觀形狀呈現(xiàn)大小不一、多棱角且不規(guī)則形狀，見圖3～4。以上膠凝材料化學(xué)成分見表1。

（2）其他材料。細(xì)骨料選用寧夏青銅峽人工水洗砂，砂的細(xì)度模數(shù)為2.8，連續(xù)級配；粗骨料選用寧夏鎮(zhèn)北堡人工碎石，最大粒徑為20 mm，連續(xù)級配。減水劑采用聚羧酸減水劑，摻量為膠凝材料質(zhì)量的2%，減水率為25%。

圖1 原狀稻殼灰顆粒組成分布圖

圖2 粉磨45 min 稻殼灰顆粒組成分布圖

圖3 稻殼灰1 000 倍SEM 圖

圖4 稻殼灰5 000 倍SEM 圖

1.2 試驗(yàn)方案及方法

本試驗(yàn)中采用四因素三水平的正交試驗(yàn)表，水膠比，稻殼灰、粉煤灰、硅灰摻量作為影響因素。水膠比選用0.3，0.35，0.4 三個水平。稻殼灰、粉煤灰和硅灰摻量以等質(zhì)量部分替代水泥，稻殼灰摻量選用10%，15%，20%，粉煤灰摻量選用15%，20%，25%，硅灰摻量選用2%，5%，8%。測試9 組配合比的混凝土7，28，56，128 d 抗壓強(qiáng)度值，試模采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體塑料試模。混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土配合比見表2。

表1 水泥、稻殼灰、粉煤灰和硅灰的化學(xué)成分

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

混凝土7，28，56，128 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。采用極差法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，四種影響因素對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖5～8。

由表3 可知，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增加。由圖5～8 可知，水膠比、稻殼灰、粉煤灰和硅灰對混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律不盡相同?；炷猎诓煌g期的抗壓強(qiáng)度值隨水膠比的增大呈下降趨勢，7 d 抗壓強(qiáng)度值下降程度最大，達(dá)43.5%。在齡期7，28，128 d 時，混凝土抗壓強(qiáng)度都隨稻殼灰摻量的增加而降低；28 d 齡期時，混凝土抗壓強(qiáng)度下降程度最大，達(dá)14.3%；在齡期56 d 時，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著稻殼灰摻量的增加非但沒有降低，還略有增加；128 d 齡期時，稻殼灰摻量對抗壓強(qiáng)度的影響不大。綜合考慮力學(xué)性能和材料成本，建議稻殼灰摻量為20%。粉煤灰摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小，28 d 齡期時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增加后降低；粉煤灰摻量為20%時混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度增加了3.2%，摻量為25%時，混凝土56 d抗壓強(qiáng)度下降程度達(dá)16.5%；128 d 齡期時，粉煤灰摻量為15%和20%的混凝土抗壓強(qiáng)度相差不大，當(dāng)摻量為25%，混凝土強(qiáng)度下降了8.9%?？紤]到混凝土獲得良好的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)效益，選取粉煤灰摻量為15%作為最佳摻量。硅灰可以增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度，7，28 d 齡期時，硅灰摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度隨之增大；56，128 d 齡期時，隨著硅灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增后降；當(dāng)摻量為5%時，混凝土56 d 抗壓強(qiáng)度增加了15.8%?？紤]混凝土綜合性能和經(jīng)濟(jì)性，硅灰摻量不宜超過5%。從試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析圖的對比結(jié)果看，水膠比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大，配制C50 混凝土，水膠比取0.3。

圖5 抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系

圖6 抗壓強(qiáng)度與稻殼灰的關(guān)系

圖7 抗壓強(qiáng)度與粉煤灰的關(guān)系

圖8 抗壓強(qiáng)度與硅灰的關(guān)系

表3 稻殼灰混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

3.1 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介紹

徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（Radial Basic Function，RBF）與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back-Propogation，BP）都屬于多層前饋網(wǎng)絡(luò)。但RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力、分類能力和學(xué)習(xí)速度等方面都優(yōu)于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡單、訓(xùn)練簡潔、學(xué)習(xí)收斂速度快，能夠逼近任意非線性函數(shù)和克服局部極小值問題。本文基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選取試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后對稻殼灰混凝土128 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，并對檢測樣本真實(shí)值與預(yù)測值進(jìn)行擬合，來驗(yàn)證RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的精度。

3.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、訓(xùn)練

在RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)際問題的影響因素和預(yù)測指標(biāo)決定了輸入層和輸出層的神經(jīng)元個數(shù)。本文將水膠比、稻殼灰摻量、粉煤灰摻量、硅灰摻量作為RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，混凝土128 d 抗壓強(qiáng)度作為網(wǎng)絡(luò)輸出。以本文的試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)結(jié)果為樣本（表4），選取后20 組為訓(xùn)練樣本，前5組為檢驗(yàn)樣本，建立基于徑向基網(wǎng)絡(luò)的混凝土128 d抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型。選擇一個隱含層，神經(jīng)元數(shù)目的選擇根據(jù)達(dá)到規(guī)定誤差要求的神經(jīng)元數(shù)或者是隱藏層中最大數(shù)目，模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖9，本模型神經(jīng)元個數(shù)為322 個。

3.3 預(yù)測結(jié)果和分析

表5 是基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對混凝土128 d抗壓強(qiáng)度預(yù)測值與試驗(yàn)實(shí)測值的對比結(jié)果，從結(jié)果上看，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值很接近，其中最大的誤差為6.7%，平均誤差4.3%。這說明RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對混凝土128 d 抗壓強(qiáng)度的預(yù)測值與實(shí)測值具有較高的吻合度。利用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測混凝土長期強(qiáng)度，減少試驗(yàn)齡期。

表4 稻殼灰混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)對稻殼灰混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，水膠比、稻殼灰摻量、粉煤灰摻量及硅灰摻量對混凝土不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律不同，水膠比影響最大。

（2）考慮混凝土力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性，在進(jìn)行C50稻殼灰混凝土配合比設(shè)計(jì)時，建議水膠比為0.3、稻殼灰摻量為20%、粉煤灰摻量為15%、硅灰摻量為5%。

（3）采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對稻殼灰混凝土進(jìn)行128 d 抗壓強(qiáng)度預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值較吻合。

圖9 RBF 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

表5 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與試驗(yàn)值對比結(jié)果