灰色聚類法在再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級評價(jià)中的應(yīng)用

鮑學(xué)英，王起才

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

灰色聚類法在再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級評價(jià)中的應(yīng)用

鮑學(xué)英，王起才

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

基于灰色聚類評估理論，提出了利用多項(xiàng)參數(shù)綜合評價(jià)再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級的方案。方案依據(jù)中國《混凝土用再生粗骨料標(biāo)準(zhǔn)》選取了表觀密度、空隙率、堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)、微粉含量、泥塊含量、吸水率等7項(xiàng)參數(shù)作為綜合評價(jià)指標(biāo)，采用相似權(quán)法確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)等級賦值區(qū)間的特點(diǎn)，將質(zhì)量等級劃分為4個(gè)灰類等級；利用白化權(quán)函數(shù)構(gòu)建了評價(jià)模型，通過對灰色聚類系數(shù)的計(jì)算，得出再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級的評價(jià)結(jié)果；最后通過實(shí)例分析檢驗(yàn)了該評價(jià)方案的實(shí)用性。

灰色聚類法；骨料；質(zhì)量等級

再生混凝土骨料是將廢舊混凝土塊經(jīng)過清洗、破碎、篩分和按一定比例相互配合后所形成的骨料。根據(jù)再生骨料粒徑的大小，可分為再生粗骨料（粒徑＞4.75 mm）和 再 生 細(xì) 骨 料 （0.15 mm ＜ 粒 徑 ＜4.75 mm）［1］。利用再生混凝土骨料部分或全部代替砂石等天然骨料（主要是粗骨料）配制而成的混凝土稱為再生混凝土。為了實(shí)現(xiàn)對再生混凝土粗骨料的合理利用，需要確定其質(zhì)量等級。用于評價(jià)再生粗骨料質(zhì)量的指標(biāo)有很多，比較有代表性的是日本、英國和美國。日本1994年頒布的《再生混凝土材料質(zhì)量試行條例》，以吸水率和壓碎指標(biāo)作為再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級的評價(jià)指標(biāo)［2］，英國標(biāo)準(zhǔn)（BS）［3］和美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）［4－5］是以最低表觀密度、最大吸水率、最大針片狀顆粒含量、最大沖擊值、最大氯含量、最大硫酸鹽含量對應(yīng)用于不同工程中再生粗骨料的評價(jià)指標(biāo)的極值，Tam［6］通過對廢棄混凝土進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，并參照BS和ASTM提出了以表觀密度、吸水率、針片狀顆粒含量、沖擊值、氯化物含量和硫酸鹽含量作為評價(jià)指標(biāo)將再生粗骨料分為7個(gè)等級。近年來，中國學(xué)者也在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)再生粗骨料的評價(jià)指標(biāo)并對其進(jìn)行分級［7－11］，中國2010年頒布的《混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 25177－2010），以顆粒級配、微粉含量和泥塊含量、吸水率、針片狀顆粒含量、有害物質(zhì)含量、雜物含量、堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)、表觀密度和空隙率、堿骨料反應(yīng)等共10項(xiàng)指標(biāo)將混凝土再生粗骨料分成3個(gè)等級。上述研究都是通過試驗(yàn)的方法測定各單因子指標(biāo)，利用各單因子指標(biāo)來對混凝土再生粗骨料進(jìn)行分級。由于影響再生混凝土粗骨料質(zhì)量的因素很多，各種影響因素對再生混凝土質(zhì)量的影響程度是未知的，再生混凝土粗骨料的質(zhì)量等級評價(jià)應(yīng)屬于灰色系統(tǒng)范疇。而灰色聚類法是將聚類對象對于不同聚類指標(biāo)所擁有的白化權(quán)數(shù)，按幾個(gè)灰類進(jìn)行歸納，從而判斷聚類對象屬于哪一個(gè)灰類［12－15］。所以可以根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，應(yīng)用灰色聚類法來評價(jià)再生混凝土粗骨料的質(zhì)量等級。為了實(shí)現(xiàn)多因素影響下的混凝土再生骨料質(zhì)量分級，筆者在《混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 25177－2010）的基礎(chǔ)上確定了再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級的評價(jià)指標(biāo)，采用灰色聚類方法來評價(jià)再生混凝土的質(zhì)量等級。

1 再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級評價(jià)的灰色聚類法

1.1 評價(jià)模型的構(gòu)建

設(shè)有n個(gè)樣本，對每個(gè)樣本設(shè)定m個(gè)評價(jià)指標(biāo)、s個(gè)不同的灰類等級，記評價(jià)指標(biāo)集合為I＝｛I1，I2，…，Im｝，灰類等級集合為E＝ ｛e1，e2，…，es｝。樣本空間如式（1）所示。

式中：xi為第i個(gè)樣本，xij為第i個(gè)樣本相對于第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測值，記xij屬于第k個(gè)灰類的程度為fki，j，可通過構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)的方式求解，常見的白化權(quán)函數(shù)基本形式如圖1所示［16－17］。

圖1 白化權(quán)函數(shù)基本形式

根據(jù)《混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 25177-2010）確定的各指標(biāo)界限值如表1所示［19］。

由表1中各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的界限值，構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)，對于指標(biāo)I1，當(dāng)k＝1時(shí)，采用上測度白化權(quán)函數(shù)，當(dāng)k＝2、3時(shí)，采用適中測度白化權(quán)函數(shù)，當(dāng)k＝4時(shí)，采用下測度白化權(quán)函數(shù)，具體如圖2所示。

圖2 指標(biāo)I 1白化權(quán)函數(shù)示意圖

表1 評價(jià)指標(biāo)及界限值

對于指標(biāo)I2～I(xiàn)7，當(dāng)k＝1時(shí)，采用下測度白化權(quán)函數(shù)，當(dāng)k＝2、3時(shí)，采用適中測度白化權(quán)函數(shù)，當(dāng)k＝4時(shí)，采用上測度白化權(quán)函數(shù)，具體如圖3所示。

圖3 指標(biāo)I 2～I(xiàn) 7白化權(quán)函數(shù)示意圖

1.2 評價(jià)的步驟

1.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重ηj的確定

權(quán)重的計(jì)算方法有很多，比較有代表性的有層次分析法、專家賦權(quán)法、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法等［18］，不同的權(quán)重對應(yīng)不同的評價(jià)結(jié)果。因此，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性將會(huì)大大影響評價(jià)結(jié)論。對于有些領(lǐng)域，可以根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)利用層次分析法、專家賦權(quán)法等進(jìn)行主觀性賦值。但是再生混凝土粗骨料的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對再生混凝土粗骨料的質(zhì)量分級的影響目前無法靠專家的經(jīng)驗(yàn)主觀確定。而且，用于灰色聚類的指標(biāo)權(quán)重應(yīng)該和聚類對象自身的樣本數(shù)據(jù)有關(guān)，相似權(quán)法是利用觀測數(shù)據(jù)所提供的信息來確定權(quán)重，既避免了主觀賦權(quán)法的弊病，又滿足灰色聚類法的要求，為此采用相似權(quán)法［19］對評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行客觀賦值。

具體步驟如下：

2 評價(jià)實(shí)例

根據(jù)文獻(xiàn)［20］，某5批再生混凝土粗骨料試驗(yàn)結(jié)果各指標(biāo)實(shí)測值如表3所示，試對其進(jìn)行質(zhì)量等級評定。

表3 評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值

根據(jù)已知條件，確定研究對象為5個(gè)樣本，根據(jù)《混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 25177－2010）將再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級分為4個(gè)灰類等級E＝｛e1，e2，e3，e4｝＝｛I類，Ⅱ類，III類，IV類｝。

2.1 建立5個(gè)樣本的單指標(biāo)白化權(quán)系數(shù)評價(jià)矩陣

將表觀密度、空隙率、堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)、微粉含量、泥塊含量、吸水率的實(shí)測值代入白化權(quán)函數(shù)計(jì)算公式，得到表3中5個(gè)樣本的單指標(biāo)白化權(quán)系數(shù)評價(jià)矩陣F1～F5為

2.2 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重ηj

2.3 求綜合指標(biāo)評價(jià)矩陣

2.4 判斷樣本質(zhì)量等級及優(yōu)劣排序

由式（14）可得：Q2＝2.88，Q3＝3.11，Q5＝3.02，Q3＞Q5＞Q2。故，樣本2、樣本3、樣本5的質(zhì)量等級為Ⅰ類，且3個(gè)樣本的質(zhì)量優(yōu)劣排序?yàn)椋簶颖?、樣本5、樣本2。

2.5 評價(jià)結(jié)果對比分析

為對比起見，對照《混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 25177－2010）對實(shí)例中5個(gè)樣本進(jìn)行質(zhì)量等級分類，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，根據(jù)《混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)》可以確定出5個(gè)樣本各單項(xiàng)指標(biāo)質(zhì)量等級，但是對于每一個(gè)樣本的綜合評價(jià)結(jié)果則不能確定，而根據(jù)提出的評價(jià)方法則可以得出其綜合評價(jià)結(jié)論。

表4 實(shí)例質(zhì)量等級分類結(jié)果

3 結(jié) 論

1）再生混凝土粗骨料的質(zhì)量受多種因素的影響，在實(shí)踐活動(dòng)中往往會(huì)由于指標(biāo)交叉而不能依靠試驗(yàn)方法來實(shí)現(xiàn)對再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級進(jìn)行分類，采用灰色聚類法使分類數(shù)學(xué)化和定量化，比直接采用各單一指標(biāo)的上下限值來劃分質(zhì)量等級更為合理。

2）再生混凝土粗骨料的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對質(zhì)量等級的影響程度是未知的，利用相似權(quán)法來確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重，打破了傳統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)無權(quán)重或利用專家主觀判斷法確定指標(biāo)權(quán)重的先例。在評定再生混凝土粗骨料的質(zhì)量等級上更加科學(xué)。

3）灰色系統(tǒng)理論著重研究概率統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)所難以解決的“小樣本”、“貧信息”不確定性問題，在中國目前對于再生混凝土研究還不發(fā)達(dá)的今天，利用灰色系統(tǒng)理論較好地解決了再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級評定問題，具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。

［1］呂良英.混凝土再生骨料的研究動(dòng)態(tài)與發(fā)展趨勢［J］.混凝土，2010（6）：77-81.

Lyu L Y.Study dynamics and development trend of recycled aggregate and recycled concrete［J］.Concrete，2010（6）：77-81.

［2］Tomosawa F.The recycling of concrete：the Japanese experience ［C］／／Proceedings of the 4th CANMET／ACI／JCI international Conference on Recent Advances in Concrete Technology.London，UK，1992：221-237.

［3］BS 882 Specification for aggregates from natural sources for concrete ［S］.London， UK：British Standards Institution，1992.

［4］ASTM D 2940-03 Standard specification for graded aggregate material for bases or sub-bases for highways or airports［S］.USA：American Society for Testing and Materials，2003.

［5］ASTM D 448-03 Stangard classification for sizes of aggregate for road and bridge construction［S］.USA：American Society for Testing and Materials，2003.

［6］Tam V Y，Tam C M.A new approach in assessing cement mortar remains on recycled aggregate ［J］.Magazine of Concrete Research，2007，59（6）：413-422.

［7］Chen C P. Investigation on factors influencing workability of recycled aggregates concrete ［J］.Advanced Materials Research，2013（631／632）：733-739.

［8］李秋義，李云霞，朱崇疾.基于需用水量和強(qiáng)度比的再生粗骨料分類方法［J］.材料科學(xué)與工藝，2007，15（4）：480-483.

Li Q Y，Li Y X，Zhu C J.The study on the classification method of the recycled coarse aggregate based on the ratio of water dosage and the ratio of compressive strength ［J］. Materials Science and Technology，2007，15（4）：480-483.

［9］王思源，朱平華，姚榮，等.再生混凝土粗骨料質(zhì)量等級模糊綜合評估方法［J］.混凝土，2010（7）：87-89.

Wang S Y，Zhu P H，Yao R，et al.Fuzzy synthesis method for evaluating quality class of recycled concrete coarse aggregate［J］.Concrete，2010（7）：87-89.

［10］Sun Y H，Wu S P，Zhu J Q，et al.Classification of fine recycled aggregate used in asphalt concrete ［J］.Advanced Materials Research，2012，365：33-37.

［11］Zhu P H，F(xiàn)eng J C，Wang X J.Fuzzy synthesis method for evaluating quality class of coarse recycled concrete aggregate［J］.Advanced Materials Research，2011，250-253：783-787.

［12］Chen B P.Grey clustering model of coating erosion resistance evaluation ［J］. Advanced Materials Research，2013，602／603／604：2263-2266.

［13］Fan L Q.Improvement of grey clustering model for comprehensive assessment of environmental quality：A case study in water environment ［J］. Advanced Materials Research，2012，356-360：2222-2227.

［14］Hu S N.High-grade highway safety evaluation method based on grey clustering ［J］.Advanced Materials Research，2012，594-597：1412-1415.

［15］Luo Q.Green construction evaluation of wall project based on grey clustering method ［J］. Advanced Materials Research，2011，243-279：6971-6975.

［16］蔡新，嚴(yán)偉，李益，等.灰色理論在堤防安全評價(jià)中的應(yīng)用［J］.水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2012（1）：62-65.

Cai X，Yan W，Li Y，et al.Grey theory in comprehensive evaluation of dyke safety risk ［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2012（1）：62-65.

［17］于愛兵，王敏，田欣利.應(yīng)用灰色聚類法評價(jià)陶瓷材料的磨削加工性［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28（2）：197-201.

Yu A B，Wang M，Tian X L.Grindability evaluation of ceramics via grey clustering approach ［J］. Acta Armamentarii，2007，28（2）：197-201.

［18］蘇永強(qiáng)，單仁亮，郭章林.建筑工程設(shè)計(jì)安全的多層次模糊綜合評價(jià)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（9）：961-964.

Su Y J，Shan R L，Guo Z L.Fuzzy multiple goals decision making method for building engineering design safety［J］.Journal of Beijing Polytechnic University，2008（9）：961-964.

［19］龐彥軍，劉開第，張博文.綜合評價(jià)系統(tǒng)客觀性指標(biāo)權(quán)重的確定方法［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001（8）：37-42.

Pang Y J，Liu K D，Zhang B W.The method of determining the objective index weight in the synthetic evaluation system ［J］.Systems Engineering Theory and Practice，2001（8）：37-42.

［20］李秋義，全洪珠，秦原.混凝土再生骨料［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

（編輯 胡英奎）

Application of Grey Clustering Method for Quality Grade Estimate of Recycled Concrete Coarse Aggregate

Bao Xueying，Wang Qicai
（School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，P.R.China）

A comprehensive estimate scheme employed multiple parameters is proposed for quality grade of recycled concrete coarse aggregate based on grey clustering theory.In the scheme，seven parameters are selected as comprehensive evaluation indices according to Recycled Coarse Aggregate for Concrete of China.The parameters are apparent density，porosity，sturdiness，crushing index，micro-mist content，silt content and water absorption respectively.Secondly，weighted similarity method is adopted to determine the objective weight，and divide the quality grade into four grey ranks according to characteristics of grade assignment interval of the indices.Then，whitening weight function is employed to make an estimate model，by which the quality grade estimate result of recycled concrete coarse aggregate can be achieved through compute of grey clustering coefficients.Finally，a case study is adopted to verify the practicability of the proposed scheme.

grey clustering method；aggregates；quality grade

TU528.041

A

1674-4764（2014）03-0112-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.018

2013-09-09

高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（212097）；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃 （IRT1139）

鮑學(xué)英（1974-），女，教授，博士生，主要從事綠色建筑及建材綜合評價(jià)，（E-mail）baoxueying2003＠163.com。