干湿循环-盐结晶转化为应力的海洋环境混凝土强度预测

摘要

混凝土作为重要的结构材料正被广泛用于土木工程和工业设施中。除材料组分外，混凝土性能还受到暴露环境和外部工作条件的影响。海洋环境下干湿循环-盐结晶作用对混凝土破坏尤为严重。对海洋环境下混凝土强度进行预测研究，进而对土木工程进行质量控制和性能维护已成为混凝土领域的研究热点之一。同时，采用预测模型对海洋环境中混凝土的强度劣化进行预测，并通过外加荷载的方式进行全息复制，还可以避免或减少繁琐的试验过程。因此，从数据挖掘的角度出发，建立海洋环境下混凝土强度预测模型，对评估服役过程中混凝土力学性能具有重要作用，对土木设施维护具有指导意义。 本文采用数据挖掘技术，选取6200组样本数据用于强度预测建模，对比模型预测结果选择得到合适的建模方法；从模型的运算效率、泛化能力和模型的应用前景出发，提出了影响因素转化的必要性；通过现代分析测试技术阐明海洋环境干湿循环-盐结晶作用对混凝土的劣化机理，进而提出了干湿循环-盐结晶转化为应力的可行性；根据结晶压理论和弹性力学，建立了干湿循环-盐结晶转化为应力的计算方法及其用法；采用支持向量机（SVM）建立了适用于海洋环境的混凝土抗压强度预测模型，并通过试验对预测模型进行验证。本论文的主要研究结论和创新成果包括以下四个方面： （1）比选出海洋环境混凝土强度预测建模方法 通过数据挖掘技术，选取16种影响因素作为模型的输入参量，对其中的抗压强度和干湿循环信息进行规格化处理。以5800组样本为模型的训练集，400组样本为测试集，分别采用SVM和神经网络（ANN）建立两种预测模型。以决定系数（R2）、平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（MAPE）和均方根误差（RMSE）为指标评价预测精度。结果表明，与ANN模型相比，SVM模型的预测效果更好，泛化能力更强。本研究最终比选得到了预测效果更好的SVM建模方法。 （2）提出并论证了干湿循环-盐结晶转化为应力的必要性和可行性 对比模型的预测效果和应用前景发现，通过转化影响因素降低输入参量数目，可以减少运算时间，提高泛化能力。采用扫描电镜联用能谱仪（SEM/EDS）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、差热扫描量热仪（DSC）和X-射线计算机断层扫描成像系统（XCT）等现代分析测试手段，阐明了混凝土在干湿循环-硫酸盐作用下发生复杂的物理化学耦合作用，其中化学作用会造成材料成分发生改变，无法转化为缺陷参数；盐结晶物理作用不改变混凝土组分，可以通过数值计算转化为应力缺陷。 （3）推导并验证了干湿循环-盐结晶转化为应力的计算方法 分析干湿循环-硫酸盐作用下混凝土的劣化过程，综合考虑水饱和度分布、盐浓度分布和盐过饱和度对混凝土膨胀应力的影响，提出干湿循环-盐结晶转化为应力的计算思路。数学推导得到水饱和度计算式；依据文献和试验确定干燥和润湿阶段的水分扩散系数和边界条件；采用COMSOL多物理场软件对混凝土内部水饱和度分布进行仿真模拟；考虑内部腐蚀离子存在向外环境流失现象，推导了混凝土中盐浓度累积分布计算式；通过对单个孔隙所受应力积分，推导得到干湿循环-盐结晶造成的膨胀应力计算式；采用NaNO3溶液对砂浆造成的应变试验验证了计算方法的可靠性，并将该计算方法应用于硫酸盐侵蚀砂浆分析，获得了侵蚀过程中干湿循环-盐结晶与化学作用的相对份额。此外，将干湿循环-盐结晶转化为膨胀应力，从而计算出等效加载量。并通过试验研究了两组砂浆试件分别经过加速劣化和外加荷载后，孔隙率和抗压强度的劣化结果。结果表明，试件分别经过60d干湿循环-硫酸钠劣化和外加荷载造成的劣化结果相近，两种试验方法近似等效，大大提高了试验效率。 （4）构建了干湿循环-盐结晶转化为应力的混凝土强度预测模型 计算得到干湿循环-盐结晶导致的混凝土膨胀应力后，采用支持向量机建立了基于影响因素转化的混凝土强度预测模型，并分析各影响因素的敏感度。结果表明，对混凝土抗压强度影响较大的因素为暴露时间、初始强度、水胶比、硫酸根浓度和膨胀应力，敏感度均达到5%以上；其次为砂率、表面积体积比、镁离子浓度、氯离子浓度；而集料掺量、粉煤灰掺量、矿渣掺量、钠离子浓度的影响较小，敏感度均小于2%。为了验证强度预测模型的可靠性，将加速劣化试验数据和文献数据分别与预测结果进行对比。结果表明，强度预测结果与实测值吻合较好。

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