CN114878791A - 一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法，属于建筑材料技术领域。该方法适用于普通混凝土体系。通过测定普通混凝土材料参数和高温作业机制：水胶比，受热温度、目标温度保持时间、升温速率、冷却方式、高温后静置时间，实现了对普通混凝土高温后抗压强度损失率的快速预测。本方法无需成型试件、长时间养护、高温作业或火灾现场取样测试，为产品质量管理、施工质量控制、工程防灾减灾提供了新方法。

Description

一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法。

背景技术

抗压强度是普通混凝土高温后质量评定的重要技术指标，直接影响到普通混凝土的工程应用，例如用于建筑结构进行高温作业，或是建筑主体经历火灾后的混凝土质量评估或评价。

目前，普通混凝土高温后抗压强度损失率的测试按《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019进行。具体步骤为：按材料配比成型普通混凝土试件，在温度(20±2)℃、湿度为95％以上的标准养护室养护至要求龄期，部分试件在常温条件下进行压力试验；其余试件根据升温速率、受热温度、目标温度保持时间、高温后静置时间或冷却方式的要求进行高温作业，后进行压力试验。按照公式13计算抗压强度f_cu，再按公式14计算高温后抗压强度损失率R。

f_cu＝F/A 公式13

R＝(f_cu，高温-f_cu,常温)/f_cu,常温 公式14

其中，F-破坏荷载(单位：N)；

A-普通混凝土承压面积(单位：mm²)；

f_cu,常温-普通混凝土试件常温时抗压强度(单位：MPa)，计算结果应精确至0.1MPa；

f_cu,高温-普通混凝土试件高温后抗压强度(单位：MPa)，计算结果应精确至0.1MPa。

该方法需要针对实体的成型试件进行测试，或需要长时间养护，或需要到高温作业现场或火灾现场等不方便取样的高温现场去取样测试。

发明内容

本发明提供了一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法，该方法不需要制备试件，从而也可以避免长时间的养护期，或到高温现场取样。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

检测和计算普通混凝土材料参数：水胶比；

获取普通混凝土高温作业机制：受热温度、目标温度保持时间、升温速率、高温后静置时间D及冷却方式；

根据以下公式1-公式6计算出六个响应面函数

的值；

再根据以下公式7-公式8计算出普通混凝土高温后抗压强度损失率；

R＝27.54X-32.40 公式8

其中，w/b为水胶比、T为受热温度、KT为目标温度保持时间、V为升温速率、C为冷却方式、D为高温后静置时间；

F₁-F₅、G₁-G₂、H₁-H₄、I₁-I₆、J、K₁-K₅为拟合系数；

X为所述响应面函数的和，R为普通混凝土高温后抗压强度损失率。

优选地，所述拟合系数通过非参数回归计算确定。

优选地，在水胶比小于等于0.3的情况下，拟合系数F₁-F₅的取值为：F₁＝0，F₂＝0，F₃＝52.83，F₄＝-38.81，F₅＝6.63；在水胶比小于0.6并大于0.3的情况下，F₁＝-758.31，F₂＝1470.11，F₃＝-1049.85，F₄＝-327.42，F₅＝-37.6；在水胶比大于等于0.6的情况下，F₁＝0，F₂＝0，F₃＝0，F₄＝--3.15，F₅＝2.54；

优选地，拟合系数G₁-G₂的取值为：G₁＝-0.34，G₂＝1.63。

优选地，拟合系数H₁-H₄的取值为：H1＝0.08，H2＝-0.73，H3＝0.15，H4＝-0.35。

优选地，拟合系数I₁-I₆的取值为：I₁＝-0.03，I₂＝1.64，I₃＝-32.62，I₄＝306.33，I₅＝-1347.20，I₆＝2207.4。

优选地，在自然冷却的情况下，拟合系数J的取值为J＝0.016585；在淋水冷却的情况下，拟合系数J的取值为J＝-0.100710。

优选地，在高温后静置时间小于20分钟的情况下，拟合系数K₁-K₅的取值为K₁＝0.20，K₂＝-6.00，K₃＝54.40；K₄＝-98.80；K₅＝-30.40；在高温后静置时间大于等于20分钟的情况下，拟合系数K₁-K₅的取值为K₁＝0，K₂＝0，K₃＝0；K₄＝6.4；K₅＝-41.3。

优选地，

的值及X的值精确至0.000001，普通混凝土高温后抗压强度损失率R计算结果精确至0.01。

本发明提供的预测方法使用了RMSE与MAE两个评差指标。计算方法见公式9及公式10。RMSE和MAE越接近0，误差越小，模型精度越高。

其中y_i(y₁，y₂……y_n)为普通混凝土高温后抗压强度损失率R的实测值，

为普通混凝土高温后抗压强度损失率R的预测值，n为数据样本数。

有益效果：

本发明的预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法，基于非参数回归方法，推导得到了水胶比、受热温度、目标温度保持时间、升温速率、冷却方式、高温后静置时间与普通混凝土高温后抗压强度损失率之间的关系模型，能够对普通混凝土高温后抗压强度损失率进行快速预测。无需成型试件、长时间养护，无需到高温作业现场或火灾现场等不方便取样的高温现场去取样测试，计算过程简单快捷。

附图说明

图1普通混凝土水胶比w/b与响应面函数

的关系；

图2普通混凝土受热温度T与响应面函数

的关系；

图3普通混凝土目标温度保持时间KT与响应面函数

的关系；

图4普通混凝土升温速率V与响应面函数

的关系；

图5普通混凝土冷却方式C与响应面函数

的关系；

图6普通混凝土高温后静置时间D与响应面函数

的关系；

图7 X与高温后抗压强度损失率R之间的关系；

图8普通混凝土高温后抗压强度损失率实测值与预测值之间关系。

具体实施方式

研究发现：普通混凝土高温后抗压强度与材料参数以及高温作业机制有关，材料参数包括水胶比w/b，高温作业机制包括受热温度T、目标温度保持时间KT、升温速率V、冷却方式C、高温后静置时间D。先前的研究发现普通混凝土高温后抗压强度与材料参数以及高温作业机制有关，但具体因素和作用方式并不明确，仅知道水胶比为普通混凝土最为重要的材料因素。高温作业机制相关影响因素的研究较少，并且一般仅围绕一个或者两个因素展开研究。本发明考虑了包括受热温度T、目标温度保持时间KT、升温速率V、冷却方式C、高温后静置时间D在内的高温作业机制作为参数进行拟合。本发明的预测方法通过建立普通混凝土高温后抗压强度损失率与材料参数以及高温作业机制的关系模型(响应面函数)实现，即公式1-8。

具体地，提供一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法，包括以下步骤：

检测和计算普通混凝土材料参数：水胶比；

获取普通混凝土高温作业机制：受热温度、目标温度保持时间、升温速率、高温后静置时间D及冷却方式；

根据以下公式1-公式6计算出六个响应面函数

的值；

再根据以下公式7-公式8计算出普通混凝土高温后抗压强度损失率；

R＝27.54X-32.40 公式8

材料参数具体为水胶比w/b。

高温作业机制中，受热温度T指的是混凝土所受高温环境温度；目标温度保持时间KT指的是混凝土在受热温度下高温环境中经历的时间；升温速率V指的是从常温到受热温度的温度变化速度；冷却方式C指的是经历高温环境后混凝土进行降温的方式，例如水淋降温或是自然冷却等；高温后静置时间D指的是混凝土经历高温后，在常温环境下静置的时间。

关系模型中的拟合系数F₁-F₅、G₁-G₂、H₁-H₄、I₁-I₆、J、K₁-K₅，通过非参数回归计算确定。非参数回归计算的过程包括：

大量收集已公开文献记载的大量实际普通混凝土的水胶比w/b、受热温度T、目标温度保持时间KT、升温速率V、冷却方式或自然/水冷以及抗压强度损失率R数据，作为非参数回归计算的样本数据。本发明中，收集到样本数据1853组。

将样本数据导入软件S-PLUS中进行非参数回归计算，计算结果为上述材料参数及高温作业机制参数与抗压强度损失率的响应面数值，再将1853组样本的响应面数值进行拟合得出响应面函数，见公式1-公式8，所对应的拟合关系分别见图1-7。

经过非参数回归计算得到各拟合系数的取值如下：

由于混凝土的工作性(和易性、流动性等)要求，工程上水胶比一般设置为0.3-0.6，更小(≤0.3)或更大(≥0.6)的水胶比容易受到碱水剂等其他因素的影响，故分三段拟合。在水胶比小于等于0.3的情况下，拟合系数F₁-F₅的取值为：F₁＝0，F₂＝0，F₃＝52.83，F₄＝-38.81，F₅＝6.63；在水胶比小于0.6并大于0.3的情况下，F₁＝-758.31，F₂＝1470.11，F₃＝-1049.85，F₄＝-327.42，F₅＝-37.6；在水胶比大于等于0.6的情况下，F₁＝0，F₂＝0，F₃＝0，F₄＝--3.15，F₅＝2.54；

拟合系数G₁-G₂的取值为：G₁＝-0.34，G₂＝1.63。

拟合系数H₁-H₄的取值为：H1＝0.08，H2＝-0.73，H3＝0.15，H4＝-0.35。

拟合系数I₁-I₆的取值为：I₁＝-0.03，I₂＝1.64，I₃＝-32.62，I₄＝306.33，I₅＝-1347.20，I₆＝2207.4。

在自然冷却的情况下，拟合系数J的取值为J＝0.016585；在淋水冷却的情况下，拟合

系数J的取值为J＝-0.100710。

相关文献表明，经过高温后的试件，在20天前后出现明显区别，20天前的呈现缓慢降低的趋势，20天后残余抗压强度有损恢复。在高温后静置时间小于20天的情况下，拟合系数K₁-K₅的取值为K₁＝0.20，K₂＝-6.00，K₃＝54.40；K₄＝-98.80；K₅＝-30.40；在高温后静置时间大于等于20天的情况下，拟合系数K₁-K₅的取值为K₁＝0，K₂＝0，K₃＝0；K₄＝6.4；K₅＝-41.3。

受热温度T的单位是摄氏度(℃)，目标温度保持时间KT单位是小时(h)，升温速率V单位是摄氏度每分钟(℃/min)，高温后静置时间D单位是天(d)。

公式1-7的计算结果精确至0.000001，公式8的计算结果精确至0.01。

下面通过具体实例对本方法做详细说明，以验证本方法的合理性和准确性。

实施例

表1列出了6组普通混凝土试验组1-6，每一组具有相同的材料参数以及目标温度保持时间KT、升温速率V、冷却方式C、高温后静置时间D，并且每一组提供四种受热温度条件，即200℃、400℃、600℃和800℃。如此，每一试验组对应四种材料参数以及高温作业机制。

将表1所示6组普通混凝土的24种材料参数以及高温作业机制代入公式1-8，即可计算出普通混凝土高温后抗压强度损失率预测值共计24个。预测值的结果见表2。

采用表1中的材料参数，制作若干混凝土试件，分为六个混凝土试件试验组1-6，每组中的混凝土试件具有相同的水胶比。

每一组试件试验组中，一部分试件在常温条件下进行压力试验，其余试件按表1所示的高温作业机制进行高温作业后完成压力试验，得到普通混凝土高温后抗压强度损失率实测值，见表2。

表1材料参数及高温作业机制

具体地，为了减少实测误差，本实施例针对每一组试验组1-6，各制作至少13个混凝土试件。其中，一个试件用于在常温条件下进行压力试验，获得常温下抗压强度测试值。其余试件选择一种高温作业机制进行高温作业。

更具体地，针对每一组试验组的高温作业机制均提供四种受热温度条件，本实施例中提供的受热温度为200℃、400℃、600℃和800℃。提供至少三个试件在同一温度条件下(200℃、400℃、600℃或800℃)进行试验，获得相应高温后抗压强度的三个测试值。将三个测试值进行平均，获得对应该种高温作业机制的高温后抗压强度的测试平均值。根据该组试验组的普通混凝土在常温下抗压强度测试值与高温后抗压强度的测试平均值的差异，按照公式13和14，计算得到普通混凝土高温后抗压强度损失率实测值。

由此，可以获得每组4个×6组共计24个普通混凝土高温后抗压强度损失率实测值。实测值结果见表2。

表2中普通混凝土高温后抗压强度损失率预测值与实测值的比较数据可以以图形的方式可视化地在图8中呈现。可以看出，普通混凝土高温后抗压强度损失率预测值与实测值基本吻合。

普通混凝土高温后抗压强度损失率预测值与实测值的误差根据公式9和10进行评差后的结果见表3。模型误差RMSE、MAE越接近0，模型精度越高，预测越准确，模型误差在0-20范围内较为准确。从表3数据可以看出，本发明模型误差RMSE、MAE均小于2，证明模型精度较高，普通混凝高温后抗压强度损失率预测值与实测值，误差趋近于0，本方法合理准确。

表2抗压强度损失率预测值与实测值

表2抗压强度损失率预测值与实测值(续表)

表2抗压强度损失率预测值与实测值(续表)

表3误差结果

Claims (9)

1.一种预测普通混凝土高温后抗压强度损失率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

检测和计算普通混凝土材料参数：水胶比；

获取普通混凝土高温作业机制：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；

根据以下公式1-公式6计算出六个响应面函数

的值；

再根据以下公式7-公式8计算出普通混凝土高温后抗压强度损失率；

R＝27.54X-32.40 公式8

其中，w/b为水胶比、T为受热温度、KT为目标温度保持时间、V为升温速率、C为冷却方式、D为高温后静置时间；

F₁-F₅、G₁-G₂、H₁-H₄、I₁-I₆、J、K₁-K₅为拟合系数；

X为所述响应面函数的和，R为普通混凝土高温后抗压强度损失率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述拟合系数通过非参数回归计算确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

在水胶比小于等于0.3的情况下，拟合系数F₁-F₅的取值为：F₁＝0，F₂＝0，F₃＝52.83，F₄＝-38.81，F₅＝6.63；

在水胶比小于0.6并大于0.3的情况下，F₁＝-758.31，F₂＝1470.11，F₃＝-1049.85，F₄＝-327.42，F₅＝-37.6；

在水胶比大于等于0.6的情况下，F₁＝0，F₂＝0，F₃＝0，F₄＝--3.15，F₅＝2.54；

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

拟合系数G₁-G₂的取值为：G₁＝-0.34，G₂＝1.63。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

拟合系数H₁-H₄的取值为：H1＝0.08，H2＝-0.73，H3＝0.15，H4＝-0.35。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

拟合系数I₁-I₆的取值为：I₁＝-0.03，I₂＝1.64，I₃＝-32.62，I₄＝306.33，I₅＝-1347.20，I₆＝2207.4。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

在自然冷却的情况下，拟合系数J的取值为J＝0.016585；

在淋水冷却的情况下，拟合系数J的取值为J＝-0.100710。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

在高温后静置时间小于20分钟的情况下，拟合系数K₁-K₅的取值为K₁＝0.20，K₂＝-6.00，K₃＝54.40；K₄＝-98.80；K₅＝-30.40；

在高温后静置时间大于等于20分钟的情况下，拟合系数K₁-K₅的取值为K₁＝0，K₂＝0，K₃＝0；K₄＝6.4；K₅＝-41.3。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

的值及X的值精确至0.000001，普通混凝土高温后抗压强度损失率计算结果精确至0.01。

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