馬快樂，王海龍，劉思盟，楊虹，張佳豪，王輝

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

廢舊輪胎在中國回收率不足，焚燒、填埋或者閑置的處理方式會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境.王海龍等[1]將橡膠粉加入混凝土中對(duì)橡膠進(jìn)行回收再利用，證明橡膠粉加入混凝土中可增強(qiáng)混凝土的塑性，但會(huì)降低其力學(xué)性能，為解決這一問題眾多學(xué)者對(duì)橡膠進(jìn)行改性試驗(yàn)，基本分為物理改性和化學(xué)改性2種方式[2]，YANG等[3]使用NaOH將橡膠粉浸泡24 h對(duì)橡膠進(jìn)行物理改性，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度都有所提高.

粉煤灰是電廠煙道排出的一種固體廢料，具有密度小、細(xì)度小等特性.常溫下粉煤灰可與水進(jìn)行二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，填充混凝土內(nèi)部孔隙.輕骨料混凝土相較普通混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔聲抗凍等特點(diǎn)，被用于高層結(jié)構(gòu)中.KAYALI 等[4]制備出粉煤灰輕骨料混凝土，擁有質(zhì)輕、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，該粉煤灰輕骨料混凝土在不降低后期強(qiáng)度的情況下，可減少20%水泥用量.但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入，使成品混凝土早期強(qiáng)度較弱[5].為增強(qiáng)粉煤灰混凝土前期強(qiáng)度，利用各種激發(fā)劑對(duì)粉煤灰活性進(jìn)行激發(fā)成為一種常用途徑.一些學(xué)者對(duì)橡膠混凝土、粉煤灰混凝土及堿激發(fā)混凝土的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行深入研究，但將其復(fù)合摻入混凝土中研究其協(xié)同作用的文獻(xiàn)較少.

文中以橡膠輕骨料混凝土為對(duì)象，在此基礎(chǔ)上加入水玻璃，并用20%粉煤灰代替水泥研究在水玻璃改性及激發(fā)作用下RLC的28 d強(qiáng)度是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表1，表中m1為細(xì)度，ti,tf分別為初始和終止時(shí)刻,ωSiO2為SiO2含量，LOI為燒失量，fcu為抗壓強(qiáng)度，fcf為抗彎強(qiáng)度，ta為齡期.粗骨料：呼和浩特市浮石輕骨料，堆積密度706 kg/m3，吸水率12.2%，表觀密度1 569 kg/m3；細(xì)骨料：天然河砂，表觀密度2 650 kg/m3，堆積密度1 465 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.5，顆粒級(jí)配良好；水玻璃：分子式Na2O·mSiO2，模數(shù)3.3模，固含量34%，Na2O與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.3%,26.5%，波美度40°Bé；粉煤灰：呼和浩特市金橋發(fā)電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；減水劑：木質(zhì)素磺酸鈉，棕色粉末，減水率20%；水：呼和浩特市自來水.

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)水膠比為0.4，砂率40%，使用粉煤灰替代20%水泥，以膠凝材料為準(zhǔn)，摻入3%目數(shù)分別為0.850 mm和0.180 mm的橡膠粉，未摻入水玻璃的RLC作為基準(zhǔn)組，編號(hào)分別為NCR20，NCR80.使用強(qiáng)堿溶液將水玻璃模數(shù)調(diào)整為1.4模，水玻璃摻入量為膠凝材料的0，1%，2%，4%，6%，8%.0.850 mm的RLC水玻璃摻量為1%，2%，4%，6%，8%試驗(yàn)組編號(hào)分別為NCR20-S1,NCR20-S2,NCR20-S4,NCR20-S6,NCR20-S8，0.180 mmRLC編號(hào)分別為NCR80-S1,NCR80-S2,NCR80-S4,NCR80-S6,NCR80-S8.

1.3 水玻璃模數(shù)調(diào)整

水玻璃分子式為Na2O·mSiO2，m代表水玻璃的模數(shù)，常用模數(shù)2.6～2.8.其模數(shù)可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，通過加入硅膠(mSiO2·nH2O)，鹽酸(HCl)提高水玻璃模數(shù)，降低模數(shù)可加入氫氧化鈉(NaOH).試驗(yàn)使用強(qiáng)堿溶液調(diào)整水玻璃的模數(shù)為3.3，計(jì)算公式為

n/n′=ω′Na2O/ωNa2O,

(1)

式中：n為使用水玻璃模數(shù)；n′為預(yù)制得水玻璃模數(shù)，ωNa2O為使用水玻璃Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ω′Na2O為預(yù)制得水玻璃Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù).

計(jì)算得出ω′Na2O=19.56%，則應(yīng)加入Na2O百分?jǐn)?shù)(ω″Na2O)為

ω″Na2O=19.56%-8.30%=11.26%,

(2)

需添加NaOH百分?jǐn)?shù)量為

ωNaOH=(2×40×11.26)/62=14.53%,

(3)

式中：40為NaOH相對(duì)分子質(zhì)量；62為Na2O相對(duì)分子質(zhì)量.計(jì)算可知添加氫氧化鈉量為水玻璃質(zhì)量的14.53%.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測定100 mm×100 mm×100 mm立方體抗壓強(qiáng)度，齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖1a，1b.可知水玻璃的摻入對(duì)RLC強(qiáng)度均有所提升，對(duì)其早期強(qiáng)度的提升尤為劇烈.齡期3 d時(shí)相比較NRC組強(qiáng)度提升1.0～1.5倍，后期強(qiáng)度也有所提升.圖1c，1d為不同水玻璃摻量ω下RLC的強(qiáng)度，可知隨著水玻璃摻入量增加其力學(xué)性能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；0.850 mm的RLC隨著水玻璃摻量的增加強(qiáng)度提升了5.42%，30.54%，26.52%，3.90%和2.24%；0.180 mm提升了25.88%，40.06%，32.86%，32.24%和27.33%.0.850,0.180 mm的RLC的強(qiáng)度峰值均出現(xiàn)在2%，故試驗(yàn)水玻璃的最優(yōu)摻量均為2%.0.180 mm的橡膠粉由于其粒徑較小，摻入混凝土中影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以被認(rèn)為是力學(xué)性能較差組[6]，而通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)0.180 mm的RLC在水玻璃摻量為2%時(shí)強(qiáng)度提高了40.06%，說明水玻璃的摻入極大提高了0.180 mm橡膠混凝土的力學(xué)性能，使它與0.850 mm的最優(yōu)摻入量橡膠混凝土的28 d強(qiáng)度基本相同.

圖1 橡膠強(qiáng)度與齡期和摻量的關(guān)系

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：① 水玻璃具有很高的黏結(jié)力，能夠改善橡膠與水泥的膠結(jié)情況.② 試驗(yàn)采用20%粉煤灰替代水泥，粉煤灰含有大量二氧化硅和氧化鋁，水化后生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，可增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度.③ 水玻璃是一種堿性激發(fā)劑，水解后會(huì)產(chǎn)生硅酸膠體和氫氧化鈉，產(chǎn)生的OH-能夠與橡膠表面的硬脂酸鋅(C17O35COO)2Zn發(fā)生酸堿反應(yīng)，對(duì)橡膠表面產(chǎn)生清潔、改性作用[7].由于0.180 mm的RLC中橡膠比表面積大，水玻璃能更高效的反應(yīng)去除表面的硬脂酸鋅，極大提高橡膠與水泥、骨料之間的黏結(jié)力，這也解釋了0.180 mm的橡膠混凝土強(qiáng)度提升更大的原因.其產(chǎn)生的OH-還可以斷開Si-O，Al-O的化學(xué)鍵，激發(fā)粉煤灰的活性，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的二次提升.④ 當(dāng)水玻璃摻量小于2%時(shí)，水玻璃水解產(chǎn)生的OH-離子較少，粉煤灰中Si-O，Al-O鍵無法完全斷裂，分散的膠凝材料顆粒也無法有效的連接起來，混凝土力學(xué)性能也較弱，所以水玻璃摻量為1%時(shí)混凝土力學(xué)性能沒有得到較大改善.⑤ 水玻璃摻量大于2%時(shí)，由于水玻璃摻量過大，水解產(chǎn)生大量OH-使得膠凝材料有效的連接，但過多的OH-破壞了混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物，所以水玻璃摻量大于2%時(shí)混凝土強(qiáng)度有所下降.試驗(yàn)中水玻璃膠結(jié)作用、對(duì)橡膠改性作用、激發(fā)粉煤灰活性作用使得0.850 mm與0.180 mm的RLC 28 d強(qiáng)度均達(dá)到了LC30以上，水泥用量減少20%，試驗(yàn)結(jié)論對(duì)實(shí)際工程有重要的指導(dǎo)意義.

2.2 核磁共振(NMR)分析

核磁共振是對(duì)完全飽和水進(jìn)行CPMG脈沖序列測試，得到自旋回波串衰減信號(hào)，經(jīng)傅立葉變換得到T2譜，所以T2譜的分布反映了孔徑的大小[8].試驗(yàn)采用MesoMR-60低場核磁共振對(duì)RLC孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

圖2為0.850 mm的RLC齡期28 d時(shí)弛豫時(shí)間T2譜圖，圖中Is為信號(hào)強(qiáng)度.發(fā)現(xiàn)隨著水玻璃摻量的增加，T2譜面積由小到大依次為NCR20-S2，NCR20-S4，NCR20-S6，NCR20-S1，NCR20-S8，NCR20，T2譜峰面積與孔隙數(shù)量成正比關(guān)系[9]，這也驗(yàn)證了本試驗(yàn)2%水玻璃摻量為最優(yōu)摻量.由于本試驗(yàn)采用了浮石骨料，浮石本身含有大量孔隙，所以T2譜圖第二、三峰數(shù)值基本偏高.

圖2 0.850 mm橡膠28 d核磁

選取0.850 mm的橡膠水玻璃摻量2%的最優(yōu)試驗(yàn)組，研究其內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)隨齡期增長的變化，見圖3.發(fā)現(xiàn)混凝土T2譜面積隨著齡期增長而減小，7 d，14 d，21 d，28 d分別減小20.05%，27.70%，40.68%，48.24%，說明隨著齡期增長內(nèi)部孔隙數(shù)量不斷減小，混凝土強(qiáng)度不斷增加.其中所有峰面積均有大幅度的降低，這說明隨齡期增長，水泥水化產(chǎn)生的膠凝物對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行了填充，使大孔隙逐漸演變成中孔隙，中孔隙演變成為小孔隙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)，強(qiáng)度不斷增加.

圖3 0.850 mm橡膠2%摻量齡期核磁

圖4a為水玻璃RLC孔徑分布曲線，發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度越高，其小孔徑孔隙占比越大，將孔隙用孔隙半徑與弛豫時(shí)間分類，第一類非毛細(xì)孔，孔隙半徑大于5 000 nm，弛豫時(shí)間大于500 ms；第二類毛細(xì)孔，孔隙半徑大于10 nm小于5 000 nm，弛豫時(shí)間大于1 ms小于500 ms；第三類膠凝孔，孔隙半徑小于10 nm，弛豫時(shí)間小于1 ms[10].將膠凝孔與毛細(xì)孔定義為優(yōu)勢孔隙，非毛細(xì)孔定義為對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有消極影響的劣勢孔隙.優(yōu)勢孔占比越多，混凝土越密實(shí).其中0.850 mm 2%最優(yōu)摻量組優(yōu)勢孔占比93.58%，其余組均小于最優(yōu)組分別為91.33 %(NCR20-S4)，84.33%(NCR20-S6)，82.43%(NCR20-S8)，79.31%(NCR20-S1)，70.28%(NCR20).說明水玻璃在最優(yōu)摻量2%時(shí)對(duì)橡膠、粉煤灰及其相互作用達(dá)到該配比的最佳狀態(tài)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也最密實(shí)穩(wěn)定.

以T2截止值作為分界，引入束縛流體飽和度、自由流體飽和度概念來對(duì)RLC進(jìn)行分析，如圖4b所示，圖中x為百分率.隨著水玻璃摻量增加，混凝土束縛流體飽和度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，束縛流體飽和度越大，內(nèi)部的小孔隙和中孔隙相較于大孔隙就越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也就越密實(shí)，混凝土強(qiáng)度也就越高.由圖4b可以看出NCR20-S2組的束縛流體飽和度最高為65.302%，比基準(zhǔn)組提高29.080%.孔隙度也是表征混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，孔隙度與混凝土強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，孔隙度越小，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)，混凝土強(qiáng)度越高.從圖4b可以看出最優(yōu)組的孔隙度相較于基準(zhǔn)組降低了1.489%，所以2%摻量的水玻璃對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善最優(yōu).

圖4 0.850 mm橡膠孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度

3 曲線擬合及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

3.1 曲線擬合

圖5為28 d 0.850，0.180 mm水玻璃最優(yōu)摻量(2%)RLC的齡期-強(qiáng)度曲線對(duì)比圖，點(diǎn)為RLC實(shí)測強(qiáng)度值.混凝土強(qiáng)度增長一般符合對(duì)數(shù)增長趨勢.

圖5 28 d 0.850，0.180 mm橡膠抗壓強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度增長曲線用式(4)進(jìn)行擬合，即

fcf(ta)=alnt+b,

(4)

式中：fcf為抗壓強(qiáng)度；a,b為擬合系數(shù).通過上述曲線回歸方程，對(duì)試驗(yàn)組進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2.R均大于0.96，其中擬合精度最高R=0.993 4，如圖6所示，證明曲線擬合方程可用于實(shí)際工程.

圖6 0.850 mm橡膠基準(zhǔn)組擬合

表2 擬合系數(shù)及相關(guān)系數(shù)

由于存在多個(gè)摻量，擬合系數(shù)無法統(tǒng)一，故文中嘗試建立摻量與擬合系數(shù)a,b之間的關(guān)系，以方便并統(tǒng)一回歸方程.水玻璃摻量用ω(%)表示，利用Origin進(jìn)行線性擬合，建立摻量ω與系數(shù)a，b之間的關(guān)系，得到0.850 mm的RLC方程為

a20(ω)=-0.026ω2-0.079ω+5.746,

(5)

b20(ω)=-0.322ω2+3.364ω+8.430，

(6)

其中0≤ω≤8，將a,b代入式(4)，可得

F20(t,ω)=(-0.026lnt-0.322)ω2+(3.364-

0.079lnt)ω+5.746lnt+8.430,

(7)

按各摻量代入式(6)得到，回歸方程及實(shí)際強(qiáng)度對(duì)比圖，如圖7所示，相關(guān)系數(shù)R值均大于0.9，說明該曲線可用于水玻璃RLC的強(qiáng)度預(yù)測.同理可得出0.180 mm強(qiáng)度預(yù)測方程為

圖7 0.850 mm不同摻量抗壓強(qiáng)度擬合

a80(ω)=0.096ω2-0.987ω+6.258,

(8)

b80(ω)=-0.688ω2+6.704ω+6.242,

(9)

得：F80(t,ω)=(0.096lnt-0.688)ω2+(6.704-0.987lnt)ω+6.258lnt+6.242.

(10)

不同水玻璃摻量(0，2%，4%，6%，8%)所得R分別為0.993 1，0.988 1，0.980 7，0.985 7，0.903 2，所有相關(guān)系數(shù)均大于0.900 0，該方程可用于預(yù)測RLC強(qiáng)度.

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

混凝土強(qiáng)度常常會(huì)受配合比、設(shè)計(jì)參數(shù)、水灰比、摻料種類、摻料比例等因素影響，而這些變量中無法準(zhǔn)確判斷出其最強(qiáng)影響因素或最弱的影響因素.所以在強(qiáng)度預(yù)測過程中除使用線性回歸擬合來預(yù)測強(qiáng)度外，考慮多變量的影響對(duì)建立非線性模型進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測是十分必要的.

文中利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將各種影響因素與水玻璃RLC的強(qiáng)度聯(lián)系起來，建立非線性映射關(guān)系，通過對(duì)比預(yù)測值與實(shí)測值來證明模型的可靠性.利用Matlab軟件建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，通過引用輕骨料混凝土實(shí)測數(shù)據(jù)共162組作為訓(xùn)練樣本，選取RLC試驗(yàn)組28 d實(shí)測強(qiáng)度10組作為測試樣本，見表3.

表3 10組測試樣本

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層、輸出層與隱層.選取水膠比、粉煤灰用量、砂用量、浮石用量、橡膠用量、齡期、摻量種類、摻料占比等8個(gè)試驗(yàn)變量作為影響強(qiáng)度因素，輸出層為水玻璃RLC的抗壓強(qiáng)度，其中摻料種類用數(shù)字類比定義.隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)通過拼湊法及經(jīng)驗(yàn)公式為

M=log2mi,

M=2mi+1,

(11)

式中：M為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)；mi為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；no為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；a為常數(shù)1～10.

根據(jù)上述方法得到隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)在4～13，取節(jié)點(diǎn)方差最小值11作為節(jié)點(diǎn)數(shù).此結(jié)構(gòu)型為8-11-1，設(shè)定訓(xùn)練次數(shù)為1 000次.經(jīng)過訓(xùn)練后，RLC混凝土BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)模型樣本預(yù)測如圖8所示，可以看到訓(xùn)練效果極好，實(shí)測強(qiáng)度與預(yù)測強(qiáng)度相差極小，其回歸系數(shù)為0.98.單從回歸系數(shù)來看精度相對(duì)較高，證明該模型具有可靠性，滿足混凝土的誤差要求，可以用于實(shí)際工程.

圖8 水玻璃橡膠輕骨料混凝土BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果

3.3 曲線擬合及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析

表4為RLC-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與曲線擬合強(qiáng)度預(yù)測對(duì)比，從表中可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測絕對(duì)誤差小于1.43 MPa，相對(duì)誤差為小于4.83%；曲線擬合預(yù)測絕對(duì)誤差小于2.04 MPa，相對(duì)誤差小于8.16%，2種預(yù)測方式絕對(duì)誤差平均值分別為0.56和0.98 MPa.

表4 RLC BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與曲線擬合強(qiáng)度預(yù)測對(duì)比

曲線擬合的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差均值是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的2倍左右，證明相比較曲線回歸擬合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試具有更高的可靠性和穩(wěn)定性.其中通過圖8明顯發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果均是要優(yōu)于曲線擬合點(diǎn)的預(yù)測值.

混凝土的增長本身符合一定的函數(shù)形式，但除此之外其強(qiáng)度的形成與配合比設(shè)計(jì)、齡期、摻料種類及比例都會(huì)對(duì)其形成不規(guī)律的影響，因此需要一種非線性擬合方式.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過Matlab軟件模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過大量訓(xùn)練樣本得到樣本結(jié)果與各配比參數(shù)的規(guī)律，更能真實(shí)全面的預(yù)測出其強(qiáng)度增長的趨勢.顯然相比較曲線擬合，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度更高，也更適用于工程實(shí)踐.

4 結(jié) 論

1)橡膠混凝土中摻入水玻璃可優(yōu)化混凝土的力學(xué)性能，RLC抗壓強(qiáng)度隨水玻璃的摻入呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，水玻璃摻量2%時(shí)抗壓強(qiáng)度最佳.水玻璃提高了0.180 mm橡膠混凝土的力學(xué)性能，使之與0.850 mm最優(yōu)摻入量橡膠混凝土的28 d強(qiáng)度基本相同.

2)隨著水玻璃摻量的增加，孔隙度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，束縛流體飽和度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)隨著齡期增長而逐步優(yōu)化.

3)通過力學(xué)驗(yàn)證曲線擬合模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的相關(guān)系數(shù)，得出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型預(yù)測能力優(yōu)于曲線擬合模型.