基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的再生混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化方案研究

王 壹 張應(yīng)遷 陳 源

（四川輕化工大學(xué)，四川 自貢 643000）

0 引言

在目前大多數(shù)建筑行業(yè)中，依舊采用傳統(tǒng)的混凝土配比方法。即使用“保羅米公式”求出水灰比列，然后通過查表來得出用水量以及需要混合的水泥比例，再通過查表得知需要混入的砂石含量比率，通過絕對體積法來計算出砂石的用量；同時還有使用絕對密度法來對砂石的使用含量進行推算的。[1]雖然使用的推算方法不同，但是這些方法都有一個共性，就是需要依靠經(jīng)驗性的表格來對水泥混凝土的配比進行查找。而在現(xiàn)代的建筑工程要求中，傳統(tǒng)的水泥混凝土已經(jīng)遠遠不能夠達到現(xiàn)在的建筑標(biāo)準(zhǔn)。而傳統(tǒng)的水泥混凝土配比表格，對更為復(fù)雜的再生混凝土無法進行原料配比。因為再生混凝土中除了對水泥的使用還有更多的復(fù)合材料以及工業(yè)廢棄物中的硅灰和粉煤灰，這些材料在傳統(tǒng)的水泥混凝土配料表中都是找不到的，因而查表法無法使用。

1 人工智能神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)是由大量的基本信息原件來進行信息整合以及信息模擬的數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)，模仿人類大腦對不同神經(jīng)元的整合以及通過復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來對信息進行處理的過程。[2]其實從本質(zhì)上講，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)更類似于一種數(shù)學(xué)公式；不過，這種數(shù)學(xué)公式不再基于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，而是建立于數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行運算，對于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型無法通過建模來解決的數(shù)據(jù)問題，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以進行很好的處理運算；就比如說對于無規(guī)則也不能用簡單數(shù)學(xué)公式來進行描述的問題，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方法是不能進行解決的，但是人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)卻可以對這些問題進行很好的數(shù)據(jù)整理、分類，并且加以處理，然后通過不斷的擬合模擬，得出最優(yōu)結(jié)論；而對于再生水泥混凝土的配比結(jié)構(gòu)問題，恰好符合人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的無規(guī)則性以及原始性。所以本文將通過人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來對再生混凝土的最優(yōu)配比進行研究。[3]

2 實驗數(shù)據(jù)分析

與傳統(tǒng)的普通水泥混凝土相比，再生混凝土的物理抗壓性、承重性、坍塌度以及保水性都有很強的優(yōu)勢。然而，這些特性需要通過很復(fù)雜的因素均衡來實現(xiàn)。對再生混凝土最優(yōu)配比的方案研究，就是想要尋求在再生混凝土的配比過程中對各個因素的協(xié)調(diào)。以求在再生混凝土的使用過程中，各項指標(biāo)達到最優(yōu)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及國際中的一些實驗數(shù)據(jù)，再生混凝土的強度，耐久性以及各種工程特性主要與以下一些因素有關(guān)。[4]大致包括用砂量、再生骨料的摻雜、用水量、附加用水量、骨料壓碎的指標(biāo)、原骨料的用量、減水劑的使用以及超細摻合料如硅灰和煤粉灰。

這里提到了再生骨料，大致類似于傳統(tǒng)的水泥混凝土中水泥砂石的使用。對再生混凝土起到了基礎(chǔ)硬度與強度的保證作用。同時，就好像傳統(tǒng)水泥的吸水性一樣，再生骨料中大量的粘附砂漿也會對配比原料中的水分進行大量的吸收。且由于再生骨料配比含量并不確定，所以對水的配比使用含量也是不確定的，所需要再根據(jù)再生骨料使用量的多少來確定附加水的用水量。在建筑工程建造過程中，我們不可能只對企業(yè)要求的建筑施工強度這一單一因素進行控制，建筑建造的質(zhì)量同時還應(yīng)該包括其他因素，比如混凝土的坍落度、保水性以及黏力、聚合度。只有這一系列的建筑因素達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求并且遠超于傳統(tǒng)的混凝土建筑標(biāo)準(zhǔn)，再生混凝土才具有在正常的建筑施工過程中進行使用的意義。

但是就上文所提到的內(nèi)容，對于影響再生混凝土強度以及各種工作特性的因素復(fù)雜而多變。很難通過簡單的數(shù)學(xué)模型以及幾個數(shù)學(xué)公式來進行表達模擬。這也就是造成再生混凝土不能夠像傳統(tǒng)混凝土一樣廣泛的推廣使用的重要原因之一，同時也不可能擁有經(jīng)驗性的配料表來用于日常施工中進行查表操作。其實這也是本文所研究的方向，想要通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合整理來填補國內(nèi)再生混凝土使用配比過程的行業(yè)空白。同時不斷完善國內(nèi)的建筑工程水平與質(zhì)量。[5]

所查閱的文獻中進行了20 組不同環(huán)境條件影響下的再生混凝土的實驗。通過對環(huán)境因素、配料因素以及含水量因素等各種因素的變量控制。在混凝土充分混合以后，首先對混凝土的密度以及保水量進行觀測記錄。然后對混凝土的黏度以及晾曬完成以后的建筑強度、硬度進行數(shù)據(jù)記錄。在進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護以后，對其立方體的抗壓強度進行測試。在對再生混凝土的測試中，根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)結(jié)果可分為：良好、較好、一般、較差、很差的大致等級劃分。為了更便于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)模擬，這些數(shù)據(jù)可以量化為1.0、0.8、0.5、0.2、0.1，來對應(yīng)不同的等級強度。以便于在人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對其數(shù)據(jù)進行分析整合的過程中能達到更好的擬合效果。下面就是文獻中的參考數(shù)據(jù)表格：

再生混凝土的試驗參數(shù)

3 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建以及實驗過程

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中目前應(yīng)用較為廣泛的應(yīng)當(dāng)是BP 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是基于誤差反向傳播算法的多層是前向性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)主要包括輸入層、輸出層、隱含層以及各單元之間的相互聯(lián)系。輸入、輸出層一般都為一層，而想要對數(shù)據(jù)擬合達到更好的效果，就要不停地對數(shù)據(jù)進行反復(fù)的模擬處理。BP 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中通過增加隱含層的層數(shù)來不斷的反復(fù)進行數(shù)據(jù)模擬這一過程，從而達到實驗?zāi)康?。輸出?biāo)準(zhǔn)是以通過調(diào)整權(quán)值Wij，來使得誤差信號達到最小。當(dāng)誤差達到不能夠再減小的最小程度時，就說明數(shù)據(jù)的擬合已經(jīng)找到了最優(yōu)解。然后對所擬合的數(shù)據(jù)結(jié)果進行整理輸出。

4 結(jié)語

由于本實驗過程中對于數(shù)據(jù)來源選取范圍較小，以及參考資料中數(shù)據(jù)范圍可變性不大。導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差?？赡芘c實際施工過程中的預(yù)期效果存在一定比例的偏差。但是基本實驗原理是沒有問題的，同時，對于數(shù)據(jù)的模擬過程也可以很好地說明，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是很適合用于再生混凝土最優(yōu)配比問題的求解過程的。在此實驗的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模擬結(jié)論，在以后工地施工的實踐過程中，通過不斷的改變再生骨料的投放比例以及用水量的大小，來對操作結(jié)果進行觀察，同時將這些數(shù)據(jù)量化輸入到本文所建立的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型中進行調(diào)試，如果能夠通過數(shù)據(jù)擬合獲得更好的再生混凝土材料配比結(jié)果，則可以進行現(xiàn)場實驗來進行實際檢驗，通過對材料硬度、黏力聚合度、保水量以及坍落度等一系列的標(biāo)準(zhǔn)檢測，來驗證人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)擬合結(jié)果，并通過反復(fù)的實驗擬合以后得出最佳的配比方案。為以后施工建設(shè)中的再生混凝土配比，以及再生混凝土的應(yīng)用質(zhì)量探尋更好的技術(shù)革新方向，使得再生混凝土技術(shù)不斷發(fā)展。