模糊正交法在冷溶塑料透水混凝土配合比设计中的应用.pdf

2 0 1 0年 第 2期 (总 第 2 4 4 期 ) N u mb e r 2 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 4) 混 凝 土 Con c r e t e 预拌混凝土 I E ADY M ED C0NCRE TE d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 2 0 2 9 模糊正交法在冷溶塑料透水混凝土配合比 设计中的应用 韩峰 。李波 ( 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 运用模糊正交的理论和方法 ， 对 以聚苯乙烯与化学溶剂的体积 比( C P ) 、 胶 固比以及粗骨料最大粒径 为组成 因子的冷溶塑料透 水混凝土的透水系数 、 孔 隙率 、 抗压强度和劈裂强度等正交试验结果进行了评判 。 并 在此基础上 ， 得到了作 为人行道 、 广场和停车场等三种 工况的铺面材料使用时的最佳配合 比。 研究表明： 利用模糊正交法能估计 出冷溶塑料透水混凝土各组成因子间的主效应和交互效应作用 ， 可得到冷溶塑料透水混凝土的的最佳配制方案 。 关键词： 道路工程 ；聚苯 乙烯 ；透水混凝土 ；正交设计 ；模糊数学 中图分类号 ： T U5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 2 0 1 0 0 0 3 Appl i c a t i on of f uz z y ohogon al t o mi x t ur e de s i gn of c ol d- mel t do w n p l a s t i c pe r m e a bl e c on c r e t e HAN F e n g， U Bo ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， L a n z h o u J i a o t o n gU n i v e r s i t y ， L a n z h o u 7 3 0 0 7 0 ， C h in a ) Abs t r a c t ： Th e p a v e me n t pe r f o r ma n c e r e s u l t s c o mp o s e d o ft h e o f p e r me a bi l i t y c o e ffic i e n t ， p or o s i t y， s p l i tt i n g s n_e n g t h a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n o r t ho g o n a l e x p e ri m e n t d e s i g n f o r t h e c o mp os i t i o n f a c t o r o f c o l d- me l t d o wn p l a s t i c p e r m e a b l e c o nc r e t e wa s e v a l u a t e d b a s e d o n t h e o r y a n d me t h o d o f f u z z y m a t h e ma t i c Th e ma i n c o mp o s i t i o n f a c t o r o f c o l d me l t d o wn p l a s t i c p e r me a b l e c o n c r e t e i n t h i s r e s e a r c h i s the v o l u m e r a t i o o f p o l y s t y r e n e a n d b e n z e n e s o l v e n t ， a d h e s i v e s o l i d r a t i o， ma x i mum g r a i n s iz e o f c o a r s e a g gre g a t e Ba s e d o n t h i s ， t h e o p t i mu m m i x t u r e d e s i g n c a l l b e a c h i e v e d t h a t Was u s e d a s p a v e m e n t ma t e ri a l i n s i d e wo r k， s q u a r e a n d p a r k i n g l o t r e s pe c t i v e l y Th e r e s ul t s h o ws t h a t o r t h o g o n a l r e s u l t e v a l u a t e d b y t h eme t h o do ff u z z yme t h o d c a n e v a l u a t et h ema i n e f f e c t a n di n t e r a c t i o n o f e v e r yf a c t o r a n d o b t a i nt h e， t h e o p t i mu m m i x t u r e d e s i g n for c o l d m e l t d o wn p l a s t i c p e rm e a b l e c o n c r e t e Ke ywor ds ： r o a d e n g i n e e rin g； p o l y s t y r e n e； p e r me a b l e c o n c r e t e ； o r t h og o n a l d e s i g n； f uz z yma t h e ma t i c s 0 引言 塑料是人类生活中不可或缺 的材料之一 ， 在 日常生活用 品、 各种工具机械零件 ， 乃 至高科技产业都得到 了广 泛应用 。但是 废弃的塑料制品由于其物理和化学特性， 将其掩埋不易分解腐 化 ， 若以焚化处理， 则会产生戴奥辛等有毒气体， 且燃烧温度较 一 般废弃物高 。因此 ， 如何有效的回收利用 、 再生塑料废弃物不 仅可以进少对 环境 的破坏 ， 对 于天然资源 日益枯竭的地球来说 意义非凡旧 。由于塑料在溶解状态下具有一定的黏结作用， 若 能将其作为混凝土的胶结材料使用， 不仅实现了塑料的再利用 而且会减少水泥的使用 ， 又一次做到了经济和环保的双收益。 文献 3 以回收塑料为溶质与自行调配的化学溶剂在常温下以 一 定的比例融合， 使其产生胶黏状态， 作为胶结材料， 与骨料拌 和生产的多孔且具有透水功能 了冷溶塑料透水混凝土 。高透水 性的冷溶塑料混凝土可作为停车场 、 人行道 、 广场等面层的铺 筑材料， 可降低因将于所形成的地表径流， 亦可解决因大量不 透水混凝土路面所造成的热岛效应 ， 进而调节地区的环境气候。 为了得到性能优越 的冷溶塑料透水混凝 土， 文献 3 以聚苯 乙烯与化学溶剂的体积比( C P ) 、 胶固比以及粗骨料最大粒径 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 0 - 0 6 l 00 为组成因子， 利用正交试验对冷溶塑料透水混凝土配合比组成 进行了探讨。但是如文献 4 】 所述在正交试验中对于单指标试 验， 往往采用直观分析法便可简便、 快速得出结果， 但对于多指 标的正交试验 ， 由于指标之间的不可比性和矛盾性 ， 使得试验 处理方案 的评价变得复杂和 困难。特别是在正交试验结果评价 是对各个评价指标往往采取平权处理， 不能区分各个使用性能 的重要性 ， 从而造成得到的试验结果不能正确反映该种混凝土 的使用需要。本研究应用模糊数学的理论与方法把正交试验结 果模糊化提出 了一个多 目标 的综 合评价 函数 ， 可以克服 正交试 验数据处理的缺陷， 为不同使用环境中的冷溶塑料透水混凝土 配合 比组成设计提供了新方法 。 1 试验原材料及 方案 1 1 原材 料 粗 集料 选用 粒径 为 2 0 mm 和 1 0 rea l的两种 天然 碎石 。 胶结料采用废弃聚苯乙烯( P S ) 塑料制品回收绞碎的粒料 ， 密 度为 1 0 5 ； 化学溶剂是 利用与 P s极性 相似的苯类溶剂调制 而 成 ， 主要用途为与聚苯乙烯溶解成黏稠状的胶结料 ， 密度为 0 8 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2试验 方案及 结果 本研究仍文献 3 中以聚苯 乙烯与化学溶剂的体积 比( C P ) 、 胶固比以及粗骨料最大粒径为组成因子， 对各个因子选取 3个 水平 ， 按 正交试验表 1 ， 进行透水 系数 、 孔隙率 、 抗压强度 和劈裂 强度 试验 ， 试验结果 见表 1 ， 利用模 糊数学对试验结 果进行深 入分析。 表 1 正交试验结果 2 模糊综合评价 方法 模 糊正交方法通过把正交试验结果模糊 化 ， 应 用模糊数学 的理论与方法处理试验数据， 以模糊综合评价值为目标函数， 不 仅可以估计 出各 冈素 的主效应 ， 还可 以估计 出各 因素之间 的交 互效应 ， 从而得到各因素水平的最佳搭 配l 5 l。 2 1 评价指标和对象集的确定 以透水 系数 y 、 孑 L 隙率 l ， 、 抗 压强度 l ， 和劈 裂强度 l ， 为 评价指标集 。 y 。 ， y ， 】 ， 3 ， y 。 以正交设计的 1 6 组试验 为评价 的对象集 ， D = ， d ， ， d 。 2 2 建立隶属函数 建立评价指标集 ， 对评价集 的隶属函数， 使根据隶属函 数计算得到的隶属值的大小与该指标在综合评价中的重要性 相适应 。隶属 函数为单调 函数 ， 隶 属度 r m 在 0至 1 之 间。 V r ， _，其 中 m = l ， 2 ， 3 ， 4 ； n = 1 ， 2 ， ， 9 n m+， 由隶属度值构成模糊关系矩阵 ： 2 3 权 重 分配 集的确 定 不同的使用场合 ， 对 多孔 混凝土的使用性能要求 的侧重点 不同。人行道主要供行人使 用 ， 必须增加透水系数以避免积水 ， 同时需将孔 隙率 降低 ， 避免孑 L 隙过多而产 生杂草 等植物 ， 妨碍 行走的舒适性 。当应用于广场铺面材料 时 ， 由于广 场为一个大 面的铺 面结 构 ， 且为人 群聚集活 动的场所 ， 因此抗压强 度与劈 裂强度所分配的权重增加 至 3 5 ， 使 塑料透水混凝土能承受人 群活动时所产生 的静活载 。此外 ， 广场需具有 良好 的透水效果 以减缓降雨所产生的地表径流 ， 加速排水功能。对于停车场而 言， 罔主要用途是提供车辆停放的铺面结构， 因此抗压及劈裂 强度具有关 键性 的影 响 ， 以此提 高其权重至 4 0 ， 相对 于行人 使用的结构特性要求 ， 其对孑 L 隙率及透水系数则可以预设其权 重相对较低 。根据 以上分析 ， 可 以确定用 于人 行道 时的权重分 配集为 ： 。 = 1 o 2 Y ， ， O 4 Y 2 ， 0 2 Y ， ， 0 2 Y ， 用于广场铺 面时的权 重分 配集 为 2 = 0 1 Y ， 0 2 Y ， 0 3 5 Y ， ， 0 3 5 Y ， 用于 停车 场 时 的权重 分配集为 3 = 0 1 Y ， 0 1 Y 2 ， 0 4 Y 3 ， 0 4 Y 。 2 4 模糊评价值的计算 在评 价集 V上引入一 个模 糊子集 B， 称为评价集 合。它的 模糊评价 = 6 ， b ： ， ， b 由模糊矩阵五 与权重分配集 ， 采用 M( ， + ) 算子经模糊变换云 o 得到9 】 ， 其中 b 为 的隶属度， 即 模糊综合评价值。 2 5 主 效应 分析 设水泥稳定碎石混合料级配设计选用 4档料所组成的因 素为 G， 其论 域为 ， 则有 ： XU C ， 其 中 i = 1 ， 2 ， 3 ( 试验 因素 ) ； J_ ： 1 ， 2 ， 3 ( 各因素的水平数 ) 。 为了便于各水平的比较， 将因素 C 在各水平 上 C 的模糊 综 合 评价 值 之和 归 一 化， 得到 ( 6 ) ( o ( 6 ) 1 ) ， 它 表 示了因素该水平对模糊综合值的影响程度。因为( 6 ) 代表 了G在水平 C 处的隶属度， 即 C 属于模糊集合 G的程度， 它也是定义在论域 X 上的， 因此可以将( 6 ) 表示为 X 上的 模糊子集 ， 则有 ： = 【 ( 6 ) ， ( 6 ， ) ， ( 6 ) = ( ， ( b 22 ) ， ( b 23 ) 云 3= ( b 3 1 ) ， ( b 32 ) ， ( 6 ) ， 根据最大隶属度原则确定各因素对综合评价 的影 响程度 。 2 6交互效应分析 ( 1 ) 两两因素之 间的交互效应 正交设计 中的 3 个 因素各有 3个水平 ， 两两因素水平之 间 的搭配合比式较多。C ， 与 C 之间的交互作用为例， 它们之间的 模糊矩阵为 ： ( b l 1 ) c c = I ( 6 12 ) I= ( b 2 t ) ， ( 6 ) ， ( b 23 ) ， 1 = ( b 13 ) I 1 r l2 n 3【 【 I r 2 122 r 23 I R lk I J r 3 1 r 3 2 r 3 3 J 是论域 X 上的模糊关系， 式中元素 表示两因素不 同水平之间搭配对模糊综合评价值的联合影响。以最大隶属度 原则评判两两因素之间的最佳搭 配。 ( 2 ) 全部 因素各水平搭配 的交互效应 按最大隶属度原则， 在考虑交互作用的情况下， 3 个因素最 1 O1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 佳组合为G中隶属度最大的那组水平搭配。 其组合隶属度为： m a x 【 ( 6 ) ， A m a x ( 6 ) A m a x ( 6 ) 3 结果与讨论 3 1 主效应 分析 以冷溶 塑料透水混凝土用 于人行 道铺面材料 时的工况为 化， 得到了各指标的隶属度值和模糊综合评价值， 见表 2 。 根据表 2路用性能指标隶属度与模糊综合评价值可以得 到冷溶塑料透水混凝土用于人行道铺面材料时， 正交试验方案 中 3 个主要因素的模糊子集为： 。 = ( 0 3 3 6 0 ， 0 3 2 8 9 ， 0 3 3 5 1 ) ， 2 = ( 0 3 1 7 3， 0 3 2 3 2， 0 3 5 9 6) ， C=；= ( 0 3 4 6 7， 0 3 1 4 4， 0 3 3 8 9) ， 根 据最大隶属度原则可知 ， 各 因素的影响程度分别为： 。= o 3 3 6 0 ， 例， 应用上述模糊数学的理论与方法将表 1 中的试验结果模糊 产 0 3 5 9 6 ， 己 3 = 0 3 4 6 7 。 表 2路用性 能指标隶属度与模糊综合评价值 案中3 个主要因素的模糊子集为： = ( 0 3 3 6 7 ， 0 3 2 3 1 ， 0 3 4 0 2 ) ， ( O 2 9 6 1 ， O 3 1 9 5 ， 0 3 8 4 5 ) ， 3 =( 0 3 5 1 6 ， 0 2 9 5 4 ， 0 3 5 3 0 ) ， 根 据最大隶属度原则可知， 各因素的影响程度分别为： 。 = 0 3 4 0 2 ， 3 2 交互作用分析 。与 之间的交互作用为例 ， 它们之间的模糊矩阵为： l 0 3 3 6 0 l C x C 2= l0 3 2 8 9 Ix o 3 1 7 3 0 3 2 3 2 0 3 5 9 6 = l 0 3 3 5 1 f 0 3 1 7 3 0 3 2 3 2 0 3 3 6 0 l 0 3 1 7 3 0 3 2 3 2 0 3 2 8 9 I= R l2 【 0 3 1 7 3 0 3 2 3 2 0 3 3 5 1 j 由 。 可知 ， 如果 只考虑 与 之 间的搭配 ， 以 与 组 合为最佳， 值可达 0 3 3 6 5 。同样计算出其他因素两两之间的 最佳组合和隶属度， 见表 3 。 表 3 不同工况 时各因素之间的最佳组合及隶属度 ( 2 ) 全部因素各水平搭配的交互效应 根据各因素的交互作用的最佳组合， 可以得到冷溶塑料透 水混凝土用于人行道 、 广场和停车场铺面材料时， 在全部可能 因素水平 的搭配中的最佳组合 ， 见表 4 。 表 4 不 同工况时全部因素 之间的最佳 组合 因人行道及广场的孔隙率和透水系数的要求， 集料使用 单一粒径为 2 0 m l l l 的骨料， 而用于停车场时使用两种不同粒 径的集料混合 ， 细粒径集料填充了粗集料形成的部分孔隙， 增 加了集料间的接触面积从而提高了透水混凝土的强度。 与此 同时， 为了使集料能够具有较好的黏结性能， 必须要有足够 的塑料黏结剂， 故在三种使用工况中， 胶固比的最佳用量都 达到 了 3 0 。 此外 ， 聚苯 乙烯与化学 溶剂体 积比的增加 ， 实质 上增加了胶结物的含量， 从而增强了石料之间的黏结性能和 强度 。 下转第 1 2 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 3 3 2 2 1 】 】 1 l 0 l 0 0 2 0 0 3 O 0 4 0 0 5 0 0 冻 融次数 次 图 7 W 型单层纤维网混凝土薄板试件冻融试验图 冻 融 次 数 次 图 8 W 型双层纤维网混凝土薄板试件冻融试验图 由图 7 、 8可 以看 出， 在 4 0 0次循环冻融后 ， 试件的质量 没 有明显下降。 在试验中， 试件表面没有出现明显裂纹。 但根据表 3 4中的数据分析， 强度取 2 3 7 MP a ， 经过冻融的试件抗弯强度 为 l 1 7 MP a ， 其强度下 降 5 0 6 ； 单层纤 维网混凝土试 件强度 由 l 3 7 MP a 下降到 8 7 MP a ， 下降 3 0 6 。 由此可以得m ， 抗冻性 能较差 。分析其原 因， 一方面是由于混凝土试件在循环冻融过 程 中， 孑 L 隙中的水结冰产 生的静水压 力和外部盐分渗入产生的 渗透压力， 使混凝土内部结构破坏， 强度下降， 但南于聚丙烯纤 维和玻璃纤维对混凝土的黏结， 致使混凝土表面没有出现裂纹。 3 4 耐腐试验数据分析 当浸泡于浓度为 4 7 6 g L的无水硫酸钠溶液 中的试件抗 弯 强度与浸泡于清水 中试件的抗弯强度之 比大于 0 8 时 ， 试件符合 耐腐标准。 由表 7 和表 8中数据计算 ， 单层 ： 1 6 1 + 2 2 2 x 1 0 0 = 7 2 5 8 0 不符合要求 双层 ： 2 3 6 + 2 5 2 x 1 0 0 = 9 3 7 8 0 符合要求 单层纤维网混凝土的耐腐蚀性有待提高， 而双层纤维网混 凝土的耐腐蚀性能良好 ， 这主要是由于试验中数据波动等原因 上接第 1 0 2页 4结 论 ( 1 ) 采用模糊数学方法分析 和处理多指标 、 多因素 、 多水平 的正交试验数据 ， 可 以将 复杂的问题简化 ， 有利于抓住 主要 矛 盾 ， 大幅度减 少试验工作量 ， 快速得到优化方案 。 ( 2 ) 冷溶塑料透水混 凝土用于人行道 、 广场 和停车场铺 面 材料时各试验 因素对其综合性能 的影响主次都一致 ， 从大到小 依次为 ： 胶 固比； 集料最大粒径 ； C P比。 ( 3 ) 胶固比越大对冷溶 塑料透水混凝土的综合性能越好 ； 对 孔隙率要求高的冷溶塑料透水混凝土应选择单一粒径2 O mm的 集料， 对强度要求高的的冷溶塑料透水混凝土应选择( 2 0 +1 0 ) mm 混合 的集料 ； 聚苯 乙烯与化学 溶剂体积 比的增加 ， 实质上增 加 了胶结物的含量， 从而增强了石料之间的黏结性能和强度。 参考文献 ： 1 】黄海滨 ， 刘锋 ， 李丽娟 塑料回收利用与再生塑料在建材中的应 用 J l 2 0 的存在 。虽 然在玻璃纤维表面涂覆 了树脂胶 ， 但 自应力混凝土 中存在少量的碱仍会将其腐蚀：由于碱的腐蚀， 自 应力玻璃纤维 混凝土 的强度发生相应的降低：混凝土内部产生的 自应力不均 匀也是其耐腐蚀性差距较大的原 因之一。 4结 论 ( 1 ) 对纤维网进行遁当的浸胶处理， 可较好地改善混凝土 薄板的物理力学性能。这主要由于对纤维浸胶处理后， 使得单 根纤维束内的纤维紧密地黏结在一起， 从而使得单根纤维束中 的绝大部分纤维丝 的强度得到充分地利用 ， 提高 了薄板的物理 力学性能 ， 但所采用 的主剂 与同化剂 的比例应适 宜 ， 否则 达不 到预期效果 。在纤维涂胶时 ， 应注意胶的均匀性 ， 否则会影响纤 维和混凝土之间的黏结性能， 进而影响玻璃纤维混凝土薄板的 各种T作性能。 ( 2 ) 采用 自应力水泥制作混凝土薄板 ， 在混凝土膨胀时产 生 多向张力 ， 简化了制作 l l 艺 ， 币 且同时增强了玻璃纤维 的拉 伸强度。 参考文献： 1 】荀勇 ， 孙伟 ， R E I N HA R D T H W， e l a 1 短纤维和织物增强混凝土薄板 试验研究l J l l土木工程学报， 2 0 0 5 ( 1 1 ) 2 徐世煨 ， HA N S W R e i n h a r d t ， M a r k u s K r t i g e r ， e t a 1 高性能 精细 混凝土 与碳纤维织物黏接性 能研 究i t 第十一届 全国结构工程学术会议 论文集 ， 2 0 0 2 3 】X U S ， R E I Nt t A RD T H W D e t e r m i n a t i o n o f d o u b l e K c r i t e ri o n f o r c r a c k p r o p a g a t i o n i n q u a s i b r i t t l e ffa c t m e ， P a r t I l l ： c o mp a c t t e n s i o n s p e e i n l e n s a n d w e d g e s p l i t t i n g s p e c i me n s f J 】 I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F r a c t u r e ， 1 9 9 9 ( 9 8 ) 1 7 9 一 l 9 3 4 S C HO R N H， S C H I E K E I M， HE MP E I R V a l u a t i o n o f t h e d u r a b i l i t y o f t e x t i l e g l a s s fi b r e r e i n for c e n l e n t i n c o n c r e t e I n： L a T e g o l a A， Na n n i A ( e d s ) ： P r o c e e d i n g s o f l h e F i r s t I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n I n n o v a t i v e Ma t e r i a l s a n d Te c h n o l o g i e s f o r C o n s t r u c t i o n a n d R e s t o r a t i o n， L e e e e ( I t ) ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 0 0 1 1 1 5 】荀勇 ， 张 勤 ， 等织物增强混凝土 ， T R c ) 加 固技术研究进展 J 】 l工业建 筑 ， 2 0 0 8 ( 1 ) 作者简介 ： 吴发红 ( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 副教授 ， 硕士。 单位地址： 江而省盐城工学院迎宾大道校区土木工程学院( 2 2 4 0 5 1 ) 联系电话 ： 1 3 7 0 5 1 0 4 3 9 5 工程塑料应用 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) 【 2 】高涛 ， 章煜君 ， 潘立 ， 我国废旧塑料 回收领域的现状与发展 综述【 J J _ 机电工程 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 6 ) 3 】再 王 明羿 冷溶塑料透水混凝土配合比及工程性质的研析 D 台北 ： 高 雄第一科技大学硕士学位论文 ， 2 0 0 8 4 】刘永兵 ， 蒲万芬 ， 等 模糊正交法在吸水树脂合成中的应用l J l l化学工 业与工程 ， 2 0 0 4， 2 2 ( 3 ) ： 1 9 3 一 l 9 6 5 】苏宏华 ， 姚正军 多指标正 交试验 的模糊分析 J l _南京航 空航 天大 学 字拔 ， 2 0 0 4， 3 6 ( 1 ) ： 2 9 3 3 【 6 李波， 韩森 ， 连富城 模糊正交法在耐腐蚀混凝土外加剂配制中的应 用l J J_ 混凝土 ， 2 0 0 8 ( I 1 ) ： 6 2 6 4 作者简介 ： 韩峰( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 副教授 ， 主要从 事道路与铁道相关教学 与 科研工作。 单位地址 联 系电话 甘肃省兰州市安亍西 路 8 8号 兰州 交通大学土木工程学 院 4 0 8信箱( 7 3 0 0 7 0 ) 1 3 9 O 9 4 O 5 0 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m