基于灰色系统理论的矿渣混凝土氯离子扩散性能与孔结构研究

张雪勤 徐锋

摘  要：为了提高混凝土抗氯盐侵蚀耐久性能，研究矿渣混凝土氯离子扩散系数与微观孔结构参数之间的关系。基于灰色系统理论，分析了孔结构分布、总孔隙率、平均孔径、最可几孔径对矿渣混凝土氯离子扩散系数的影响程度，有效区分多种因素的主次关系。研究结果表明：平均孔径氯离子扩散系数的影响程度最大，其次为最可几孔径，<20 nm的无害孔和20～50nm的少害孔对氯离子扩散性能的影响不大。

关键词：矿渣  氯离子扩散系数  孔结构  平均孔径  灰色关联度

中图分类号： TU528                         文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2020）07（b）-0061-04

Abstract： In order to improve the durability of concrete against chloride corrosion， the relationship between chloride diffusion coefficient of slag concrete and micro pore structure parameters was studied. Based on the Grey system theory， the influence degree of pore structure distribution， total porosity， average pore diameter and the most probable pore diameter on chloride diffusion coefficient of slag concrete is analyzed， and the primary and secondary relations of various factors are effectively distinguished. The results show that the average pore size has the greatest influence on the diffusion coefficient of chloride ion， followed by the most probable pore size， and has little influence on the diffusion performance of chloride ion for the harmless pore size < 20 nm and the less harmful pore size from 20 nm to 50 nm.

Key Words： Slag; Chloride diffusion coefficient; Pore structure; Average pore size; Grey correlation degree

混凝土材料是一种典型的耐久性材料，但是本质上是一种非均匀的多孔材料。在服役环境中，当氯离子通过混凝土孔隙侵入到其内部时，混凝土会加速破坏，使用寿命大大缩短。研究发现氯离子的侵蚀速率主要取决于氯离子扩散系数。而氯离子在扩散系数这项宏观性能，取决于其微观孔结构组成，研究混凝土宏观性能与微观结构之间的关系已经成为主要学科之一。

目前，国内外学者的研究主要集中在氯离子扩散系数与单一孔结构参数之间的关系。如，Pivonka等通过试验研究出水泥石氯离子扩散系数、孔隙率及孔隙溶液中氯离子扩散系数，并且得出水泥石氯离子扩散系数与孔隙率和孔隙溶液中氯离子扩散系数之间的关系。高礼雄等人研究表明：水泥基复合材料的氯离子扩散系数与其毛细孔孔隙率之间有明显的线性关系;同时，得出氯离子扩散系数与其连通孔径之间的关系，氯离子扩散系数随连通孔径的增加而增加。谢超[1]等研究表明，水泥砂浆孔分形维数与混凝土的氯离子渗透系数存在良好的相关性。但是，在分析氯离子扩散系数与各微观孔结构的孔隙率、连续孔径、孔分形维数等的关系时，并没有考虑各因素之间的相互影响、相互制约的关系以及矿渣掺入的混凝土孔结构参数对氯离子扩散系数的影响程度研究较少。

鉴于此，本文通过矿渣混凝土孔結构和氯离子扩散性试验，深入分析矿渣混凝土氯离子扩散系数与微观孔结构的关系[2]，利用灰色关联理论研究各个孔结构参数与氯离子扩散系数之间的关联关系，计算分析矿渣混凝土各孔结构参数与氯离子扩散系数的灰色关联度，得出其影响氯离子扩散系数的主要因素和次要因素，从而确定孔结构各微观参数与氯离子扩散系数之间的密切关系，更好地控制矿渣混凝土的抗氯离子扩散性能[3]。其规律可用于指导耐久性混凝土的设计与配置，对全面提高混凝土结构的服役寿命具有重要意义[4]。

1  试验原材料

硕士论文已经进行了矿渣混凝土氯离子扩散系数和孔结构试验[5]。试验混凝土材料采用PⅡ52.5级水泥，粒径为5～25mm的连续级配碎石，细度模数为2.3～3.0的河砂。矿渣采用S95级矿粉。减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率在32%左右。混凝土强度设计等级为C35，配置了五组不同矿渣掺量的混凝土，养护龄期取28d、90d，混凝土坍落度控制在90±20mm，其配合比见表1。

按设计配合比称取原材料，在混凝土搅拌机中搅拌，先加入石子和砂，预拌少许时间。然后继续加入胶凝材料和水搅拌，总搅拌的时间为3min。将搅拌均匀的混凝土装入直径为100mm，高为200mm的PVC管材中。在实验室静置24h后拆模、编号，然后转入标准养护室养护至28d、90d。

2  灰关联熵分析

根据刘思峰[6]等研究的灰色系统理论，这套理论主要以少数据、贫信息系统为研究对象，分析各个因素之间的影响程度及关联度。具体步骤如下。

假设影响混凝土氯离子扩散系数的各个因素为序列X1～Xn，混凝土的氯离子扩散系数为Yi，即氯离子扩散系数作为主序列，孔结构参数作为参考系列Xi，如表2所示。

第一步：对原始数据进行无量纲化处理，得出各个序列的初始值或均像值。

如表3所示：

第二步：计算主序列与子序列之间的差值。

如表4所示。

第三步：计算两极最大差和最小差。

查表4可得出，M=3.028173，m=0

第四步：计算关联系数。

其中，为分辨系数，一般取0.5。

如表5所示。

第五步：计算关联度。

如表6所示。

表6为氯离子扩散系数与孔结构各项参数的关联度计算结果。从表6中看出，氯离子扩散系数与孔结构各项参数的关联度排序由大到小为：平均半径>最可几孔经>总孔隙率。氯离子扩散系数与孔径分布关联度排序由大到小为：50nm～200nm >大于200nm >20 nm～50nm >小于20nm。显而易见，平均孔径与氯离子扩散系数的关联度最大，即控制平均孔径对抵抗氯离子扩散性能意义非常重大。同时，最可几孔径与氯离子扩散系数的关联度也很大，仅次于平均孔径，总孔隙率和大于200nm的孔对氯离子扩散系数的影响也很显著。所以，分析孔结构参数与氯离子扩散系数之间的关系，不能简单地分析单一因素对氯离子扩散系数的影响，要进行综合考虑，最终建立氯离子扩散系数与多种孔结构参数的定量关系式，才可以更加精确地预测混凝土的宏观性能[7-8]。在关联度的计算中，还可以看出，孔径<20nm的无害孔和20～50nm的少害孔的分布对氯离子扩散性能的影响最不显著，因此在分析氯离子扩散系数与孔结构参数关系时可予以剔除。

3  结语

采用灰色关联方法分析矿渣混凝土孔结构参数与其抗氯离子扩散性能的关系。由氯离子扩散系数与孔结构各参数的关联度可知，平均半径是影响矿渣混凝土抗氯离子扩散性能的最大因素，最可几孔径次之。孔径<20nm的无害孔和20nm～50nm的少害孔的分布对氯离子扩散性能的影响最不显著，该结论是否适用于其他矿物掺合料混凝土，还需要进一步的研究。

参考文献

[1] 谢超，王起才，李盛，等.养护温度和水灰比对混凝土孔结构的影响研究[J].混凝土，2016（6）：15-19.

[2] 胡艳丽，郝晋高，赵向敏，等.泡沫轻质混凝土性能与孔结构研究究[J].南京理工大学学报，2019，43（3）：363-366.

[3] 辛绍强，王伟，吕艳梅.基于灰关联熵分析的再生混凝土抗压强度影响因素研究[J].内蒙古公路与运输，2018（4）：30-33.

[4] 張凯，王起才，杨子江，等.多年冻土季节活动层区引气混凝土孔结构演变规律与抗冻性研究[J].硅酸盐通报，2019，38（3）：609-614.

[5] 张雪勤.双掺粉煤灰和矿渣混凝土的氯离子扩散机理研究[D].南京：南京工业大学，2015.

[6] 王飞，王少强，王建，等.高性能混凝土耐久性能试验研究[J].混凝土，2020（4）：107-109.

[7] 薛翠真，申爱琴，郭寅川.基于孔结构参数的掺CWCPM混凝土抗压强度预测模型的建立[J].材料导报，2019，33（4）：1348-1353.

[8] 周莉.土木工程建筑中混凝土结构的施工技术分析[J].科技创新导报，2018，15（34）：32-33.