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人工神经网络模型对本地性质的实验
研究与开发生产轻质骨料混凝土
Mostafa A. M. Abdeen1，Hossam Hodhod2
埃及吉萨开罗大学工程系数学与物理系埃及
吉萨开罗大学工程学院结构工程系
电子信箱：{mostafa_a_m_abdeen，hossamhodhod }@hotmail.com
2009年12月27日收到; 2010年2月21日修订;于2010年2月26日接受
摘要
施工领域的发展使混凝土的需求减少。这对于不同的应用是有益的，从施加到地基和土壤的较少载荷到降低起重装置所需的车辆容量。在本文中，从轻的局部重量骨料生产轻质混凝土。使用三种候选材料：粉碎烧砖，蛭石和轻质剥离粘土骨料（LECA）。第一种是作为砖工业的副产品提供的，后两种类型是在不同应用场合生产的。制备了9种混凝土混合物，比例相同，不同的骨料。在新鲜和硬化状态下测量物理和机械性能。其中测量的是单位重量，坍落度，压缩和十倍强度和耐冲击性。此外，测量了在升高的温度下的性能。结果表明，传统混凝土的单位重量降低达到45％，可以在压缩强度降低50％的情况下实现。这样可以得到抗压强度为130 kg / cm2的结构轻质混凝土。证明轻质混凝土也具有更大的冲击力和耐火性。然而，如预期的那样，它需要单独的校准曲线进行非破坏性评估。在实验过程中，人造神经网络（ANN）技术被应用于模拟和预测新鲜和硬化状态下轻骨料混凝土的物理机械性能。本文介绍了（ANN）技术来研究轻质局部重量聚集体对生产的轻质混凝土性能的影响。这项研究的结果表明，用较少努力的ANN方法非常有效地模拟了不同聚集体材料对轻质混凝土性能的影响。
关键词：轻质混凝土，局部生产骨料，超声波脉冲速度，建模，人工神经网络
1.介绍
使用混凝土施工的主要缺点之一是重量轻。高层建筑物，长跨度建筑物和预制构件的最近应用需要减轻重量，以保持混凝土的合格建筑材料。引入了几种降低混凝土重量的方法，如Rama-chandran等人[1]，ACI [2]，ACI [3]，ACI [4]和Neville [5]。这些包括生产加气混凝土，轻质骨料混凝土和多孔混凝土。第一种类型具有相当低的强度，这使得它不适合于结构应用。蜂窝混凝土由传统的混凝土材料制成，采用先进的技术生产具有对齐空隙的混凝土，不会降低其特定应用的结构能力（通常用于板坯，重量减轻最受赞赏）。轻质聚集体的应用是减轻重量的方法（因为聚集体占混凝土体积的约70％），并保持使用传统生产技术的优点。从施工现场可以应用一些材料的可行性。因此，调查当地 重量轻的混凝土是非常重要的。由于重量轻的骨料具有绝热的优点，因此在当地采用的骨料进行绝缘研究将会缩短寻找合适的轻质骨料。在埃及，LECA和粉碎的烧砖（砖工业的副产品）用于隔热。因此，它们对于所需的调查看起来是一个很好的选择。蛭石也是绝缘产品。然而，其小尺寸表明其应用是替代细骨料。仍然要研究由这些聚集体制成的混凝土的结构性质，因为它们通常不用于结构目的。
从文献中可以清楚地看到，为了深入研究和了解轻质混凝土的性质，需要进行实验的努力量。这一事实促使有必要利用新的技术和技术来促进这种全面的努力，同时保持高度的安全。
人工智能已经证明其在大多数工程领域模拟和预测不同物理现象的行为的能力。人工神经网络（ANN）是已经被纳入各种科学学科的人工智能技术之一。 Ramanitharan和Li [6]利用ANN对波浪高度和周期呈现的海洋曲线进行反向传播算法。 Tawfik，Ibrahim和Fahmy [7]显示了使用ANN技术对具有滞后敏感标准的等级曲线建模的适用性。 Abdeen [8]开发了神经网络模型，用于当测量通道横截面的几何特性时，预测沿着通道到达的流动深度和平均流速，反之亦然。 Allam [9]使用人工智能技术来预测隧道施工对附近建筑物的影响，这是选择隧道路线的主要因素。 Allam在她的论文中预测了最大和最小差异解决必要的预防措施。 Az-mathullah等人[10]提出了一个研究，用于使用神经网络（NN）估计滑雪跳跃桶下游的冲刷特性。 Abdeen [11]提出了一个研究ANN模型的开发，以模拟淹没水生杂草侵染的开放通道中的流动行为。 Mohamed [12]提出了一种人造神经网络，用于选择多层钢框架的最优侧向载荷重建系统。穆罕默德在她的硕士论文中提出了神经网络来减少设计迭代中消耗的计算时间。 Abdeen [13]利用ANN技术开发各种模型，以模拟不同淹没杂草密度，不同流量消耗和不同分布操作调度对实验主开放通道水面轮廓的影响为不同的分销商提供水。
2.问题描述
为了研究轻型局部重量骨料以及高温对生产的轻质混凝土的性能（压缩，拉伸，冲击，刚度和回弹数，超声脉冲速度）的影响，将提出实验和数值技术在这个研究中。实验程序及其结果将在以下部分中详细描述。本研究中使用的人造神经网络技术（ANN）使用实验数据提出的数值模型，然后可以预测不同混合比例下混凝土的性能。
3.实验方案
计划投下十个混合物。在第一种情况下，使用了特种成分（水泥，沙子，砾石和水）。在其余部分，粗骨料被一个或多个轻质骨料代替。在这九种混合物中，细骨料被蛭石部分或全部代替（作为轻质细骨料）。新鲜状态下所有混合物的坍落度都被测量。测试硬化混凝土测量7和28天抗压强度，分裂拉伸强度，弹性模量，抗冲击性，回弹数和超声波脉冲速度。一些样品在40℃升温1小时，测
试得到残余压应力，回弹数和超声脉冲速度。
4.材料和样品
混凝土混合物的成分有：水，水泥，沙子，砾石，蛭石，粉碎的烧结粘土砖和LECA。它们的主要特性如下所示。
4.1.水
自来水用于混合和固化所有的特殊物质。
4.2.水泥
二手水泥是符合ES4756和EN-197标准的普通波特兰水泥CEM I - 42.5N。 由Helwan水泥公司在埃及境内生产。
4.3.砂
使用细度模数为3.04的硅砂。它比重为2.6，堆积密度为1.7 kg / L。
4.4.碎石
来自Dahshour采石场的沙漠碎石被用在了图1.它具有最大标称聚集体尺寸25毫米。比重为2.5，堆积密度为1.56 kg / L。
4.5.陶粒
国家水泥公司在埃及当地生产的轻质剥离粘土聚集体（LECA）被用来代替砾石。 LECA颗粒几乎是圆形的，粗糙的纹理（图1）。它们的最大公称尺寸为25毫米，含有0.4-0.5（重量比）的颗粒尺寸的比例范围4.76-2.4 mm。 LECA的体积密度0.58 kg / L。
4.6. 粉碎的火泥砖
粉碎的烧结砖是砖瓦的副产品。它具有不规则形状，但如图1所示，可以压碎成最大公称尺寸为25 mm。本研究中使用的破碎砖的测量堆积密度为1.2 kg / L。
4.7. 蛭石
埃及蛭石公司生产的蛭石被用来代替沙子。它通常作为隔热材料使用，重量轻（SG = 0.55）。蛭石颗粒几乎是圆形的，如图1所示，其尺寸在1-5毫米的范围内。
陶粒 碎石
压砖 蛭石
4.8.纤维
天然亚麻纤维用于三种混合物中以评估当施加纤维时可能增强的性能。这些纤维在埃及广泛应用于由白色水泥和石膏浆制成的分解元素。它们的平均直径为0.8毫米，并带有线轴。它们被切割成40mm的长度以适合与混凝土成分混合。
所有十种混合物的混合比例如表1所示。细小和粗骨料（砂和砾石）的更换是通过体积进行的。使用机械倾斜式混合机（140L容量），其中干燥材料首先混合1分钟。然后加入水并继续混合近两分钟，直到得到均匀的混合物。最后进行了一些手工混合，以解决漂浮LECA的问题。
从每个混合物以立方体（150mm），梁（100times;100times;500mm）和圆柱体（150times;）形式的样品
300毫米）以钢的形式铸造。实验室用塑料片覆盖样品24小时，然后脱模。浸渍在22℃的自来水直到试验天或28天为止，固定样品
5.测试结果
以下部分详细说明测试结果。 数字模型和测试结果在相同的图中绘制在每个测试中，以显示模型的功能。
5.1.暴跌
在卸下混合器后测量所有混合物的坍落度。 测试结果如表2所示。可以看出，破碎的砖对坍落度影响最大。 这可归因于其高吸收（10.5％）。 此外，LECA和蛭石的组合似乎对坍落度有不利影响。
5.2.体积密度
28天后，在硬化状态的立方体样品上测量不同混凝土混合物的体积密度。 结果如表2所示。可以看出，使用第5号混合物可以实现重量的最大减少。这意味着LECA在减少混凝土的重量方面是最有效的。
5.3.抗压强度
压缩强度测量在两个年龄：7和28天。 所有混合物的结果示于表2中,可以看出，最轻的混凝土混合物（4,5）可以提供传统混凝土抗压强度的近50％（混合1号）。 已知强度和密度之间的关系是相反的。 本研究的这一关系图如图2所示。
表1.混合混合料混合比例。
（*）仅适用于Mix（1）和所有混合物的水，纤维和水泥含量。 聚合体的替换是通过批量和显示的值进行的
（在阴影细胞中，混合物1中使用的体积容积的百分比。
（**）由于LECA的重量为0.4-0.5，粒径在2.4-4.76mm的范围内，因此进行了更换。
表2.不同混凝土混合料的物理力学性能
（*）仅在纤维存在时适用。
5.4.抗拉强度
在标准气瓶上进行分裂拉伸强度试验，如图3所示。所有混合物的结果如表2所示。 从表2可以看出，纤维对拉伸强度的积极作用。 从图4还可以看出，拉伸和抗压强度之间的相关性对于正常重量（混合物1和7）和轻质混凝土（混合物的剩余部分）是不同的。 拉伸强度代表较高的压缩比例。
5.5.冲击强度
根据ACI [14]对混凝土盘（150times;100mm）进行冲击试验。直到第一次裂纹（N1）的吹塑次数和分离次数（N2）的结果如表2所示。应该指出，N2只能用于纤维混凝土。可以看出，轻质混凝土（LWC）比普通重量混凝土吸收更多的能量。其中一部分归因于LWC的高变形性，其中下降的锤造成表面的显着变形（图5），其导致在较大面积上的能量分布。正常重量混凝土不是这种情况。此外，可以看到添加纤维对抗冲击性的积极作用。
图2.混凝土搅拌混合物的抗压强度与比重。
图3.加载在分裂张力试验中的样品。
图5.来自不同混合物的混凝土的冲击试 验（顶部：mix-1，bot .: Mix-4）。
图4.抗压强度与劈裂抗拉强度。
5.6.刚度（弹性模量）
通过根据ASTM [15]测量标准气缸上的弹性模量（E）来测量混凝土的刚度。所有混合物的结果示于表2中。可以看出，添加纤维显着增加了LWC的刚度。此外，LWC的低值E证实了冲击试验中观察到的高变形能力。弹性模量值相对于图6中的压缩强度作图。虚线显示了埃及执业守则（ECP203/2007）中给出的方程式。 ECP方程表示所有数据的上限。然而，LWC值的偏差相当大。这意味着在LWC的情况下，应该使用另一种关系来从压缩强度得出E。
5.7.混凝土非破坏性评估
混合结构的共同评估通过两种方法进行：弹簧锤测量和超音速脉冲速度测量，如Malhotra [16]，ACI [17]和ACI [18]。 通常，构建校准曲线以将先前的测量与混凝土抗压强度相关联。 研究的混合物在7和28天进行了测试，以获得标准样品的非破坏性测量。 然后将样品加载压缩以获得其实际抗压强度。 然后绘制测量和压实强度之间的相关性，以显示不同混凝土混合物之间的行为一致性。
图6.抗压强度与弹性模量的关系。
5.7.1.反弹锤
在混凝土立方体的两个相对面上平均读取10个回弹锤的读数如表3所示。在7和28天的时间内进行了测量。可以看出，一般来说，在两个年龄段的同一混凝土读数略
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