碱矿渣混凝土高温后抗压强度预测研究

作     者：秦枭宇 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马倩敏

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：碱矿渣混凝土 高温 抗压强度 预测模型 

摘      要：传统混凝土以硅酸盐水泥作为胶凝材料,其生产过程耗能且污染环境。2021年亚太绿色低碳发展高峰论坛发布了《新兴经济体二氧化碳排放报告2021》,制定了争取于2060年前实现“碳中和的目标。为进一步实现该目标,寻找可代替硅酸盐水泥的可持续新型胶凝材料成为了目前的研究热点。碱激发矿渣(以下简称碱矿渣)胶凝材料因其节能、利废、环保、力学性能优异被视作最有潜力的替代材料之一。碱矿渣混凝土在国内经过数十年的发展,逐步克服了速凝、收缩等方面的问题。由其制备的混凝土也在结构工程中得到了初步应用。现已将碱矿渣混凝土成功运用于现浇钢筋混凝土结构工程中,这证明了碱矿渣混凝土工程应用的前景性。此外,建筑火灾的频发,严重威胁了混凝土的结构安全。混凝土耐高温性能的重要性也逐渐凸显,学者们围绕其展开研究。硅酸盐水泥的高温性能特别是力学性能已得到较为全面的研究与认识,但碱矿渣胶凝材料的相关研究尚处于初步阶段。并且,高温作用后碱矿渣混凝土残余力学性能的影响因素复杂且非线性,残余力学性能的检测十分困难,甚至对结构造成二次破坏。因此,通过数学建模的方法提供科学的高温后残余力学性能预测方法,对丰富该材料的理论体系及扩展其工程应用,具有重要的科学和现实意义。本论文主要研究如下:(1)在碱矿渣混凝土体系中,考虑材料因素对其初始抗压强度的影响,基于BP神经网络、PSO-BP神经网络、非参数回归及随机森林建立碱矿渣混凝土不同龄期抗压强度的预测模型。通过评差函数对模型进行评价并采用试验进行验证从而确定较优模型。此外,基于非参数回归及随机森林模型对影响因素的权重进行分析,为更好地预测碱矿渣混凝土初始强度提供参考。(2)在普通混凝土体系中,考虑材料因素、高温作业机制对其高温后残余抗压强度的影响,基于四种方法建立普通混凝土高温后抗压强度损失的预测模型。同样通过评差函数及试验验证确定较优模型。并基于非参数回归及随机森林模型进行权重分析,为混凝土高温后抗压强度损失的预测研究提供参考。(3)参考碱矿渣混凝土抗压强度及普通混凝土高温后抗压强度损失的影响因素,考虑材料因素、高温作业机制及养护条件对碱矿渣混凝土高温后抗压强度损失的影响。同样建立四种模型对其采用均方根误差、平均绝对误差进行评差,并通过试验验证最终确定较优的碱矿渣混凝土高温后抗压强度损失的预测模型。此外,通过非参数回归图像以及随机森林影响因素的重要性分析对其影响因素进行权重分析。通过本论文的研究可以得到以下结论:(1)以碱浓度、水玻璃模数、水胶比、矿渣比表面积及碱度系数作为模型的输入参数,建立碱矿渣混凝土3d、28d、90d抗压强度的预测模型。用于模型训练的数据来源于已公开发表的文献,分别为171组、309组和146组。研究表明,PSO-BP模型表现出更高的准确性。并且90d龄期的预测模型表现出更强的稳定性。此外,基于非参数回归以及随机森林模型对影响因素进行权重分析,得出结论:水胶比及模数的影响最为明显,碱浓度其次,矿渣的碱度系数及比表面积最小。(2)以水胶比、受热温度、升温速率、目标温度保持时间、高温后静置时间、冷却方式作为输入参数建立预测模型。由于数据源于不同实验室,其受到实验环境及其他未设定参数的影响,最终导致出现部分离散情况。为了解决离散性较大的问题,选择了以更为稳定的高温后抗压强度损失率作为输出参数。通过文献数据的收集整理,共计得到1803组数据。其中,随机森林模型表现出了更低的误差且通过试验验证后其相对误差也表现出更高的稳定性,平均误差仅为5.7%。同样,基于基尼指数可以得到受热温度对普通混凝土高温后抗压强度损失的影响达到67.3%;水胶比为11.6%,升温速率为10.3%;目标温度保持时间为5.6%,高温静置时间为4.2%;冷却方式为1.0%。(3)选取碱浓度、模数、水胶比、养护温度、受热温度、目标温度保持时间、升温速率、高温后静置时间及冷却方式,共计9个影响因素作为模型的输入参数。以碱矿渣混凝土高温后抗压强度损失率作为模型的输出。模型训练数据来源于公开发表的文献,共计259组。结果表明,四种模型均能产生较好的拟合优度,能够为工程实际提供参考。对其模型精度排序为随机森林PSO-BP神经网络BP神经网络非参数回归。根据非参数回归模型的响应面图像可以看出,碱矿渣混凝土高温后残余抗压强度最重要的影响因素为受热温度,其次为碱浓度。这与随机森林的重要性排序相符:受热温度权重为60.2%,碱浓度权重为13.5%,养护温度权重为10.0%,水胶比权重为5.5%,升温速率权重为3.0%,水玻璃模数权重为3.2%,目标温度保持时间权重为1.7%,高温后静置时间权重为0.5%,冷却方式权重为2.4%。