基于神经网络的聚合物透水混凝土抗折性能研究

胡朝峰,陈秀玲,尹丽娜,杨 昊

(1.马钢工程技术集团设计研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000; 2.马鞍山学院建筑工程学院,安徽 马鞍山 243000)

0 引言

透水混凝土因其对环境的友好性被广泛用于海绵城市的建设中。目前,对透水混凝土抗折性能的研究大多是掺入粉煤灰或纤维等增强剂来提高其抗折性[1-6],而对聚合物透水混凝土的抗折性能研究不多。对其抗折性能的研究大多通过改变掺加物、聚灰比、单一级配骨料粒径、单一骨料下骨胶比等来实现[7-11]。聚合物透水混凝土抗折性能影响因素众多,系统分析需要大量试验组,消耗巨大的材料量,试验周期长,难以快速准确地得到试验结果,跨季节试验还可能造成试验数据的不准确性。本研究采用均匀试验法设计试验,利用BP神经网络分析法,探讨了骨料级配、用水量、水泥用量、单掺聚合物、复掺聚合物对透水混凝土抗折性能的影响规律,为透水混凝土的抗折性能分析提供理论依据。BP神经网络分析法流程如图1所示。

图1 BP人工神经网络分析法流程Fig.1 BP artificial neural network analysis process

1 试验部分

1.1 试验过程

原材料P·O42.5级硅酸盐水泥。粗骨料ST A粒径4.75～9.5 mm石子;ST B粒径9.5～16 mm石子。VAE乳胶粉(乙烯-醋酸乙烯聚合物),型号FY-31。粉末状SAP[聚丙烯酸盐(钠盐)类高吸水性树脂]。自来水。

试验配合比设计：根据骨料的堆积密度及骨胶比、水灰比、聚合物掺量百分比等分布区间研究经验,分析给出每立方米透水混凝土各材料的用料范围,如表1所示。

表1 每立方米透水混凝土各材料的用料范围Tab.1 Material range of each material per cubic meter of pervious concrete

试验制备。采用净浆裹石法手动搅拌。将烘干的碎石与全部的水泥、SAP、VAE搅拌均匀,加入2/3的水搅拌1 min,待所有骨料表面湿润后再加入剩余计算水量,再次搅拌后出料,锤击成型。现场拌和装模及拆模后情况如图2所示。

图2 现场拌和装模及拆模后Fig.2 Mold installation, mold removal and on-site mixing

试验测试方法。采用40 mm×40 mm×160 mm的透水混凝土试件,将其放入如图3所示的DKZ-5000型水泥电动抗折机,测定其28 d的抗折强度。试件破坏后断面情况如图4所示。

图3 DKZ-5000型水泥电动抗折机Fig.3 DKZ-5000 cement electric folding machine

图4 试件破坏后断面Fig.4 Specimen section after failure

1.2 神经网络模型的建立与训练

1.2.1 BP神经网络模型的建立

以骨料级配、用水量、水泥、VAE、SAP这5个影响因素作为输入变量,以28 d抗折强度指标作为输出变量,建立5-8-8-1的BP神经网络模型进行试验分析。

1.2.2 BP神经网络模型的训练

根据表1确定试验一次投料的用量,采用均匀试验法设计了11组试验,结果如表2所示,石子ST A与ST B的骨料总量为20.63 kg。

表2 不同配合比试验及测得的抗折强度Tab.2 Different mix ratio test and measured flexural strength

从表2中随机选择训练样本90%,有效性验证5%,实际测试占5%直接进行训练,模型训练结果如图5所示。

图5 BP神经网络训练均方误差随次数的变化Fig.5 Mean square error of BP neural network training varying with the number of times

图5是BP神经网络训练过程的均方误差随次数的变化曲线,可以看出,曲线的均方误差随着训练次数的增加而逐渐下降,当训练次数达到25次以后,目标均方误差平方和为1.6634×10-12,网络收敛到指定误差。

2 结果分析与讨论

采用试验因素等比例变化法[12],对试验因素进行调整后得到各单因素试验,再用神经网络模型进行仿真,仿真结果具有可靠性。

2.1 骨料级配对抗折强度的影响

骨料是透水混凝土内部嵌挤的结构骨架,其粒径大小、级配将直接影响透水混凝土的强度。通过BP神经网络仿真试验对ST A与ST B在不同级配下的试件抗折强度影响分别进行分析,如图6所示。

图6 不同骨料级配对抗折强度的影响Fig.6 Influence of different aggregate gradations on flexural strength

从图6可看出,随着骨料ST A用量的增多,透水混凝土的28 d抗折强度逐渐增强。

2.2 用水量对抗折强度的影响

与普通混凝土不同,透水混凝土只在很小的范围内遵循水灰比与强度成线性的关系,故不能将水灰比进行捆绑来分析试验结果。图7所示为ST A∶ST B=3∶1和4∶0时,不同给定用水量下的水泥用量与抗折强度的关系。

图7 不同用水量和水泥用量时的抗折强度Fig.7 Flexural strength with different water consumption and cement dosages

图8 VAE用量对抗折强度的影响Fig.8 Influence of VAE dosage on flexural strength

从图7可以看出,当用水量≤1600 mL时,透水混凝土的抗折性能较好。而用水量超过1800 mL时,其抗折性能较差。想要得到良好的抗折性能,必须严格控制用水量。

2.3 VAE对抗折强度的影响

当用水量W为1600 mL时,掺入4%～9%的VAE聚合物,可减少部分水泥用量,使透水混凝土的抗折性能提高8.3%～25%。

2.4 SAP对抗折强度的影响

从图9可以看出,SAP对低水灰比透水混凝土的抗折强度增加有一定的促进作用,对高水灰比透水混凝土的抗折强度起削弱作用。故对W/C≤0.38的透水混凝土可酌情掺加少量的SAP来增强其抗折性能。

图9 SAP用量对抗折强度的影响Fig.9 Influence of SAP dosage on flexural strength

2.5 复掺VAE与SAP对抗强折度的影响

从图10可以看出,当水灰比较小,为0.31时,双掺VAE聚合物掺量占水泥用量的3.75%～7.5%,SAP聚合物掺量占水泥用量的0.74%～1%时,对透水混凝土的抗折强度的增加效果显著。

图10 双掺聚合物与抗折强度的关系Fig.10 Relationship between flexural strength and double-doped polymer

3 结论

采用均匀试验法设计了11组试验,考察了用水量、水泥用量、ST A与ST B的级配、VAE掺量、SAP掺量5个影响因素对透水混凝土28 d抗折强度的影响。结果显示,聚合物透水混凝土抗折强度受5个影响因素影响的顺序由强到弱分别为：用水量>ST A>水泥>VAE聚合物>SAP聚合物。低水灰比时,聚合物SAP对透水混凝土抗折性能有一定的促进作用,且双掺3.75%～7.5%的VAE与0.74%～1%的SAP效果更好。具有良好抗折性能的透水混凝土材料的配合比为：用水量92.7～105.1 L/m3,水泥235～260 kg/m3,骨料级配ST A∶ST B= 3∶1,10%的VAE,不掺或少掺SAP。