基于灰色关联的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性评估

程 琤

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

由于我国西北地区气候、环境等自然条件比较恶劣，建筑物长期处于恶劣的环境中，会使混凝土受到多因素耦合作用，减少混凝土的使用寿命[1]。在工程建设中，只有了解把控多因素耦合作用发展趋势，才能获取能够增强混凝土材料耐久性的配合比，为特殊环境下混凝土的配比与应用提供参考。在西北地区景泰川电力提灌工程中，笔者引入灰色关联度分析法，采用碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环加湿试验，对混凝土材料进行多因素耦合作用下的耐久性试验。获得基于灰色关联的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性评估结果。

1 试验

1.1 试验材料和方案设计

首先考虑景泰川电力提灌工程所在区域的气候特征，并通过水胶比、粉煤灰对混凝土耐久性的影响以及水工混凝土建筑物的服役环境，设计混凝土材料的配比，如表1所示。

表1 混凝土材料的配比设计

试验运用人工加速盐离子侵蚀与加速干湿循环方法完成试验，采用强度为42.5级水泥作为混凝土试块，将汝河河砂作为细骨料材料，将5～25mm表面粗糙的连续级配碎石作为粗骨料，该碎石质地较坚硬[2]。试验测试质量和动弹模量运用120mm×120mm×380mm 的长方体作为试验试件。

首先将混凝土试件在标准条件下养护28d，取出后再进行28d 的碳化处理，试验前2 天将试块从养护室中取出。检测该试件的各项初始值，然后将试件放入烘干箱内，在低于60℃的条件下进行烘干，烘干时长为48h。试件碳化至28d时将其取出。试件每进行十次硫酸盐干湿循环后，进行一次测试，主要测试试件的质量、动弹模量与抗压强度[3-4]。依据混凝土材料的试验规程，当混凝土模量高达60%，质量损坏程度达到5%，或已经进行120次干湿循环时结束试验[5]。

1.2 测试结果与分析

为验证多因素耦合作用下混凝土材料的耐久性，以混凝土试件的抗压强度、质量损失率与相关动弹性模量作为评估指标。

（1）首先在不同水胶比情况下，测试混凝土试件的耐久性，如图1所示。根据图1可见，在碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环加湿多因素耦合作用下，水胶比为0.44、0.49、0.54的混凝土试件耐久性评估指标的整体趋势相同。混凝土的紧密程度会随着水胶比的降低而提高，然而混凝土试件的相对动弹性模量会随着水胶比的提高而降低速率，增加质量损失速度，最后导致混凝土试件的质量损失极大，没有质量稳定阶段。

图1 不同水胶比混凝土试件的耐久性

（2）在不同粉煤灰掺量情况下，测试混凝土试件的耐久性，如图2所示。

图2 不同粉煤灰掺量下混凝土试件的耐久性

根据图2可见，在碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环加湿多因素耦合作用下，掺加一定量的粉煤灰可以增加混凝土材料的耐久性，降低混凝土材料的劣化程度。在一定范围内，混凝土试件的相对动弹性模量、抗压强度耐蚀系数与损失率会随着粉煤灰掺量的增加而提高，但并不是粉煤灰掺量越多越好，根据试验可知粉煤灰的最优掺量大约在20%～30%的范围内。

2 基于灰色关联度的混凝土耐久性评估

混凝土材料耐久性评估，要以灰色关联度作为评估依据，具体计算公式为：

评估混凝土材料耐久性时，首先对中间层次的各试件进行耐久性评估，并以试件的耐久性评估结果作为初始值，再以此计算归一化值、指标权重、关联系数，最终确定灰色关联度，以此划分混凝土材料耐久性等级。

基于灰色关联度大小，混凝土材料耐久性评估状态分为5级，具体如表2所示。

表2 混凝土材料耐久性评估标准

根据表2可知，如果评估等级为1级或2级，说明此时混凝土材料无需进行修复，只需要进行日常维护即可；如果评估等级为3级，说明需要对混凝土材料进行修复才能恢复其安全性；如果评估等级为4级，说明需要对混凝土材料进行安全性评估，并采取相应措施及时修复；如果评估等级为5级，那么应该立即提出解决方案，尽快修复混凝土材料。

3 试验结果

计算P2组试验数据和每10次循环后各评估指标相对于最优指标的关联系数，具体如表3所示。

表3 各评估指标关联系数

根据表3所见，随着循环次数的增加，各指标的关联系数整体呈下降趋势，在循环30次的时候，关联系数的值最高。说明多因素耦合作用下混凝土材料干湿循环30次时耐久性最好。

根据本文方法计算得出多因素耦合作用下混凝土材料各评价指标在循环后对于最优指标关联度为R=（0.872，0.921, 10.999, 0.892, 0.781, 0.611, 0.533, 0.462,0.407,0.365）。采取同样计算方法可以获得每个试验组在每次循环后相对于最优指标的关联度，具体如表4所示。

表4 各试验组关联度值

根据表4可见，在试验的前20天，混凝土材料的耐久性关联度值并未达到最高值，而最高值出现在第30天，但这种现象并不能代表混凝土材料在20天内已经出现损伤。多因素耦合作用下混凝土材料耐久性关联度值的变化趋势均为先上升再下降，关联度最大值均出现在第30天，说明混凝土材料整体上出现了耐久性先增强再下降的过程。当试验第50天时，混凝土材料耐久性处于优等状态，当试验80天时，混凝土材料耐久性处于低劣状态。通过对比各试验组在不同时期的关联度值可知，无论何时，P组的关联度值始终处于P1＞P2＞P3的顺序，说明混凝土水灰比越小，混凝土材料的耐久性越强；在M组试验中，M2的关联度值始终为最大值，说明掺入一定量的粉煤灰能够提高混凝土材料的耐久性，且最优掺量处于20%左右。在N组试验中，N1、N3的关联度值差距较小，说明掺入引气剂能够增加混凝土材料的耐久性，但是实际效果并不明显。

4 结束语

本文为更好评估碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环加湿多因素耦合作用下混凝土的耐久性，引用灰色关联度法，为验证多因素耦合作用下混凝土材料的耐久性，以混凝土试件的抗压强度、质量损失率与相关动弹性模量作为评价混凝土材料耐久性的指标。降低了主观因素对于评估结果的影响，降低计算难度。但是本文仅考虑了三个评估指标，存在评估指标较少的问题，仍需根据当地情况进行改善。