再生混凝土粗骨料质量等级模糊综合评估方法.pdf

2 0 1 0 年 第 7期 (总 第 2 4 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATER【 AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 2 8 再生混凝土粗骨料质量等级模糊综合评估方法 王思源 ，朱平华 ，姚荣 。王欣 ，邓 贤枝 ( 1 扬 州职业 大学 土木工程系 ，江苏 扬州 2 2 5 0 0 9 ；2 武汉工业职业技术学院 ，湖北 武汉 4 3 0 0 8 2 ) 摘要 ： 对再生混凝土骨料质量进行评估是评价其品质是否满足混凝土结 构工程性 能要求 的关键所在 。 基 于模糊综合评估理论 ， 提出了 再生混凝土粗骨料质量等级评估方法。采用表观密度、 吸水率 、 洛杉矶损失值、 吸附的水泥砂浆含量、 氯化物含量与硫酸盐含量 6 个指标， 将再生混凝土粗骨料划分为 3 个模糊质量等级， 对应于优质、 合格与不合格 3 个状态， 给出了不同质量等级再生粗骨料的适用环境作用等 级与适用工程。采用基于可信度矩阵与频数统计的 C M F S 法确定各指标的权重 ， 用最优区间型隶属度函数确定各指标的隶属度以实现等 级变化的连续性，采用加权平均模糊算子计算评判矩阵， 对评判矩阵作归一化处理后以质量等级评分值作为等级评定的唯一标准。用 ma t l a b语言编制了评估 程序并用 大量 的算例验证 了评估方法 的合理性。 关键 词： 混凝土 ；再生粗骨料 ；模糊质 量等级 ；最优 区间；模糊综合评判 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 8 7 0 3 F u z z y s yn t he si s me t ho d f or e val u a t i ng qua l i t y c l as s o f r e c y cl e d c onc r e t e c oa r s e a ggr e ga t e WANG S i - yu a n ， ZHUP i n g - h u a ， YAORo n g ， WANGXi n1 ， DENGXi a n z h i ( 1 D e p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Ya n g z h o uP o l i t e c h n i c C o l l e g e Ya n g z h o u2 2 5 0 0 9 ， C h i n a ； 2 Wu h a n E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 8 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ev a l ua t i n g f o r q u a l i t y o f r e c y c l e d c o n c r e t e a g g r e g a t e s i s c r u c i a l f o r a p p r a i s i n g wh e t h e r t h e i r p e r f o r ma n c e s a c c o r d wi t h a c t u r a l r e qu i r e me n t s f r o m C o n c r e t e s t ru c tur a l e n g i n e e rin g A f u z z y s y n t he s i s me t h o d f o r e v a l u a t i n g q u a l i t y c l a s s o f r e c y c l e d c o n c r e t e c o a r s e a g g r e g a t e wa s pr o p o s e d i n t h i s p a pe r S i x i n d i c e s ， b u l k s p e c i fic d e ns i ty， wa t e r a bs o r p t i o n， L o s An g e l e s a b r a s i o n l o s s ， a t t a c h e d m o r t a r c o n t e n t ， c hl o r i d c o n t e n t a n d s u l f a t e c o n t e n t we r e a d o p t e d t o pa r t i t i o n r e c y c l e d c o n c r e t e c o a r s e a g gre g a t e q u a l i t y i n t o t h r e e fuz z y c l a s s e s An d t h e t h r e e c l a s s e s c o r r e s p o n d e d t o e x c e l l e n t ， e l i g i b l e， a n d u n q u a l i fie d r e s p e c t i v e l yF a r t h e r ， t h e i r p r a c t i c a l e n v i r o n me n t a c t i o n gra d e s a n d c o r r e s p o n d i n g e n g i r e e n i n g s we r e s u g g e s t e d Th e CM F S me t h o d b a s e d o n c r e d i b i l i t y m a t rix a n d f r e q u e n c y s t a t i s t i c wa s u s e d t o o b t a i n i n d i c e s we i g h t s ， a n d o p t i mu m int e r v e l m e mbe r s hip f u n c t i o n wa s c h o s e n t o d e c i d e t h e me mb e r s h i p s o f t e s t in d i c e s An d s ynt h e t i c me mb e r s h i p s c o r e wa s c o n s i d e r e d a s q u a l i t y c l a s s j u d g me n t s t and a r d a f t e r j u d g me n t ma t r i x w a s c a l c u l a t e d b y fuz z y we i g h t e d a v e r a g e o p e r a t o r A c o mp u t i n g p r o gra m c o mp i l e d i n Ma t l a b l a n g u a g e w a s t a k e n t o c a l c u l a t e l a r g e n u mb e r s o f e n g i n e e ri n g e x a mp l e s R e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e s e n t e v a l u a t e me t h o d i s o b j e c t i v e a n d r e l i a b l e K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； r e c y c l e d c o a r s e a g gre g a t e ； f u z z y q u a l i ty c l a s s ； o p t i mu m i n t e r v a l ； f u z z y s y n t h e s i s e v a l u a t i o n 0 引 言 再生 混凝土研究 的一个 重要 方面就是进行 再生混凝 土骨 料( r e c y c l e d c o n c r e t e a g g r e g a t e ， RC A) 质量等级的划分与评判 ， 体现在： 一方面， R C A质量等级的划分与评判对于正确评价再生 混凝土骨料的品质与合理制备再生骨料十分重要； 另一方面， R C A质量等级的划分与评判是再生混凝土配合比设计与优化 设计的重要依据 ； 同时， 评估方法也是将来制订与修订再生混 凝土骨料质量标准的理论基础。 R C A按粒径大小分为粗骨料与 细骨料 ， 因再生细骨料内含有大量的污染物以及研究成果的相 对缺乏， 目前 R C A质量评估局限于再生粗骨料。国外一些发达 国家已经制订出了较完善能指导实际工程应用的再生粗骨料 质量等级评估标准或规程 ， 但是 ， 这些标准或规程并不完全 适用于我国再生粗骨料， 其主要原因在于再生粗骨料的品质受 原生混凝土( 即制备再生粗骨料的废弃混凝土块体 ) 所用水泥 品种与性质 、 破碎工艺、 混凝土生产工艺及 二 作环境等众多因 素影响， 反映在评价再生粗骨料质量的主要性能指标如吸水率、 表观密度等， 国外的数值范围与我国的相去甚远6 1 。国内也提出 了一些评估方法 ， 但基于模糊综合评估的方法未见报道。 本文基于模糊综合评估理论9 1 ， 首先将再生粗骨料划分为 优质、 合格与不合格 3 个模糊质量等级， 与现行混凝土结构耐 久性设计规范口 O l 相适应， 提出了不同等级粗骨料的适用环境作 用等级与适用工程。 其次 ， 为解决等级划分的突变性问题， 采用 最优区间型隶属度函数 ， 依据现有研究成果 5 , 7 , I 1 - 1 3 1对吸水率 、 表 观密度 、 洛杉矶损失值、 骨料砂浆含量、 氯化物含量与硫酸盐含 量等 6 个评估指标划分了最优区间； 采用作者提出的基于可信 度矩阵与频数统计的 C MF S法 4 1 确定各指标的权重； 以质量等 级评分值作为等级评定的唯一标准。最后用大量算例验证了评 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 - 0 8 基金项目：国家自然科学基金项 目( 5 0 8 0 8 1 5 8 ， 5 0 8 0 9 0 6 1 ) ； 江苏省“ 青蓝工程” 基金资助项 目( 苏教IJ i i ( 2 0 0 7 ) 2 号) ； 江苏省六大人才高峰项目； 扬州市 科技计划项目( Y Z 2 0 0 7 0 4 8 3 ， Y Z 2 0 0 9 1 0 1 ) 8 7 估方法的合理性。 1 质量等级及其适用范围 参照国内外对再生粗骨料质量等级的划分方法 ， 将再生粗 骨料划分为 I 到 m共 3 个等级。与以上方法不同的是 ， 本文所 划分的质量等级为模糊等级， 排在前面的级数较高 ， 但各个等 级之 间没有绝对的界限 ， 这是 为了实现等级变化 的连续性 而避 免突变性。 再生混凝土在不同环境下耐久性劣化影响因素与机理不尽 相同， 因此， 界定不同质量等级再生粗骨料的适用范围必须充分 考虑混凝土结构构件的环境作用等级。尽管目前对不同环境作 用下再生混凝土的性能研究成果颇丰， 但由于这些成果之间的 相关性较差等众多原因， 要真正完成这样一种界定任然是一件 复杂的工作。本文依据我国现行 昆 凝土结构耐久性设计规范， 给 出了不同质量等级再生粗骨料的适用环境等级与适用_T程， 如 表 1 所示。其中再生粗骨料的适用工程， 系参照英国标准 给出 的。需要说明的是 ： 表 1 中所谓适用工程应理解为对于某一环境 作用等级下的结构构件， 宜优先采用对应质量等级的粗骨料。 表 1 再生粗骨料质量等级 与适用范围 2 评估考核指标与等级评定 2 1 评估 指 标 参照国内外对再生粗骨料质量制订的相关规定或规程ll - 6 ， 结 合再生粗骨料自身的特| ， 采用表观密度( Ap p a r e n t B u lkD e n s i t y ， A B D) 、 吸水率( wa t e r A b s o r p t i o n ， wA) 、 洛杉矶损失值( L o s A n g e l e s A b r a s i o n L o s s ， L A A L) 、 吸附 的水 泥砂浆 含 量 ( A a c h e d Mo r t a r C o n t e n t ， A MC) 、 氯化物含量( C h l o r i d C o n t e n t ， C C) 与硫酸盐含 量( S u l N t e C o n t e n t ， S C) 等 6 个指标来评估再生粗骨料的质量。 以上 6个指标中， 除吸附的水泥砂浆含量 AMC外 ， 其余 5个指标已被广泛使用于已颁布的规定或规程中， 而 A MC是影 响再生粗骨料品质的最主要因素之一 1 1 , 1 3 1 ， 体现在 ： A MC直接 决定 了再生粗骨料的 A B D、 WA与 L A A L， 从而影响到再生混凝 土的性能 。 AMC有三种测试方法 】 l 】 ： 其一为盐酸溶解法 ， 因为盐 酸对石灰石有侵蚀作用， 故该法不适用于石灰石类骨料， 测试 值范围在 2 5 7 0 ； 其二为新型混凝土生产法 ： 用再生粗骨料 与一种新型彩色水泥配置混凝土 ， 测试值范围在 2 5 6 5 ； 其 三为热处理法 ： 将骨料浸泡在冷水中， 再加热( 5 0 0， 2 h ) ， 然 后再浸泡在冷水中， 测试值范围在 4 0 5 5 。前两种方法使用 较多。热处理法可操作性强， 适用于各种来源的再生粗骨料， 包 括石灰石。 2 2 隶属度函数与最优 区间 在前期研究的基础上 ， 采用最优区间型隶属度函数确定各 指标对各等级的隶属度。即对于某一等级而言， 当指标的实际值 在区间 c ， 时为最优( 称为该等级的最优区间) ， 其隶属度为 1 ， 对 于其他等级， 其隶属度应当是逐渐变化而不是突变， 如式( 1 o 一 口 2 f 3 ( X - C ) 一 1 一 I f I 一I c 一0 【 c一 0 c 一0 J 1 c ， d 】 ( 1 ) ) f 上 一 ( i = 1 ， 2 ， 3 ； = 1 ， 2 ， ， 6 ) 式中 ： 。 、 6 各指标 的下界与上界。 根据现有尤其是国内研究成果， 在表 2中列出。对指标实 际值( 检测数据或者计算结果 ) 超过上下界的情形， 作如下处 理： 指标实际值为负数即低于下界， 对等级 I 取隶属度为 1 ， 其 余等级取隶属度为 0 ； 指标实际值超过上界 ， 对等级 I I I 取隶属 度为 1 ， 其余等级取隶属度为0 。 表 2 指标的界限值 各指标对 3 个等级的最优区间见表 3 。 对指标最优区间说明 如下 ： Ma r t a S d n c h e z d e J u a n的研究表明_l I】 对于结构混凝土而言 ， 再生粗骨料吸附的水泥砂浆含量应在 4 4 以下， 表观密度应高于 2 1 6 0 k g m3 ， 吸水率应低于 8 ， 洛杉矶磨损损失值应低于 4 0 。 本文划分的 级再生粗骨料为合格品， 故将吸附的水泥砂浆含 量的最优区间定为2 0 - -4 4 ， 洛杉矶损失值定为2 0 4 0 。而 其他指标则参照 R I L E Mt 1 、 B S&AS T M 2 - 4 与肖建庄等 制订的 相关规定或规程确定最优 区间。 表 3 指标最优区间 2 3 权重确定与等级评定 如前所述， 权重的确定采用基于可信度矩阵与频数统计 的 C MF S法 ， 简 介如下 ： 先 进行 问卷调 查 ， 得 到相应 的二元 比 较矩 阵及可信度矩阵( C r e d i b i l i t y Ma t r i x ) ， 然后基于可信度矩 8 8 阵计算每位被调查对象所得出的偏好权重， 最后用频数统计法 ( F r e q u e n c y S t a t i s t i c Me t h o d ) 确定权重 。 笔者在课题组 中采用 C MF S法得到的权重为： A B D： WA： L AA L ： A MC ： C C ： S C = 0 1 7 ：0 1 9 ：0 1 7 ：0 2 3 ：0 1 2 ：0 1 2 ， 即权重矩 阵为 ： = l ， w 2 ， w 3 ， w 4 ， w 5 ， w 6 T 0 1 7 ， 0 1 9 ， 0 1 7 ， 0 2 3 ， O 1 2 ， 0 1 2 ( 2 ) 采用加权平均型模糊算子， 得到评判矩阵B = WR t b 。 ， b ： ， b ； 。 同时， 为避免最大隶属度原则存在的不合理陛， 对评判结果作归一 化处理 ， 即取评判矩阵曰 = 6 。 b l , b z b i , b ， b i = 6 - ， b 2 ， b 3 】 。 1 1 1 3 然 后 取等 级 评 分 值日 = 。 根 据 的 计 算 值 与 哪 一 个 等 级i i =l 最接近 ， 即可判断骨料质量属于( 接 近 ) 该等级 。本文规定 ： 对 于 3 个等级， 评分值 的区间为 1 ， 1 5 ) ， 1 5 ， 2 5 ) ， 2 5 ， 3 。 基于以上分析， 用 Ma t l a b 语言编制了评估程序。 3 典型算例与分析 3 1 第 1类算例 此类算例是为了验证本文评估方法与其他方法的相容性。 除吸附的水泥砂浆含量外， 其他 5 个指标在各评估标准中具有 相容性 ， 即 5 个指标的实测值按照各种标准评估 ， 结论是相容 的。 计算结果表明， 本文方法与其他方法具有较好的相容性。 举 例如下 ： 某批再生粗骨料， 指标实测值如下 ： 表观密度 2 3 0 0 k g m ， 吸水率 9 ， 洛杉矶损失值 3 8 ， 吸附的水泥砂浆含量 3 2 ， 氯 化物含量 0 0 1 3 ， 硫酸盐含量 0 0 1 2 。试评估其质量。 由式 ( 1 ) 得隶属度矩阵为 ： 0 9 6 5 7 0 7 1 4 2 0 5 7 4 8 0 8 9 6 0 1 1 l l R=I 1 0 9 8 0 3 1 1 0 9 51 4 0 8 9 6 0 l 0 9 2 5 9 1 0 9 9 2 8 0 8 1 7 4 0 4 0 0 6 0 3 5 2 0 J 采用加权平均型模糊算子与式( 2 ) 的权重计算 ， 得到评判 矩 阵为 B = 0 8 4 3 7 0 9 7 7 9 0 7 9 4 5 ， 归 一 化处 理后 为 = O 3 2 2 0 3 7 4 0 3 0 4 ， 等级评分值为 H = I 9 8 2 ， 亦即该批骨料 质量等级为 I I 级， 属合格品。 为对比起见， 表 4中给出了其他评估方法的结果。 表 4 算例 1 评估 结果 由表 4可见 ， 除 日本标准外， 采用本文提出的方法得出的 结论与其他方法是一致的。 若骨料的吸水率为6 ， 而其他指标 测试值维持不变 ， 则按 日本标准的评估结果为合格品， 按其他 评估方法结论维持不变 ， 说 明本文方法是可行的。 3 2 第 2类算例 此类算例是为了验证本文评估方法的科学性与合理性。依 据各个指标对粗骨料划分等级， 其最大不足在于： 划分出的等 级是突变的， 极易引起误判。以吸水率为例， R I L E M将 wA3 定为 I 级 ， 而 WA = 3 1 则为 I I 级 ， WA = 1 0 为 I I 级 ， WA= I O 1 突变为 I 级， 这显然缺乏科学性与合理陛。按照本文评估方法， 当 WA = 1 0 时， 吸水率对 I 、 I I 与 I I I 级的隶属度分别是 0 6 3 1 ， 0 9 2 6与 1 ； 而 WA= 1 0 1 时， 对三个等级的隶属度分别是 O 6 2 2 ， O 9 1 9与 1 ， 可见 ， 本文评估方法 ， 较好地解决 了突变性问题 ， 可 避免误判。对多指标综合评估举例如下 ： 某批再生粗骨料， 指标实测值如下 ： 表观密度 2 5 0 0 k g m ， 吸水率 1 0 2 ， 洛杉矶损失值 2 7 ， 吸附的水泥砂浆含量 2 5 ， 氯化物含量 0 0 1 1 ， 硫酸盐含量 0 0 1 5 。试评估其质量 。 以下是评估结果： R 1 L E M为I I I 级， 日本为不合格， BS &AS T M 为不可用于任何_T程包括非结构物， 肖建庄等为不合格， 本文为 级， 属合格品。本算例中， 依据R I L E M标准， 按吸水率判定为 I 级( 仅仅超过 0 4 ) ， 而其他指标均满足 I 级要求， 将该批骨料定为 I 级或不合格显然不合理， 相比之下， 本文评估结果更科学。 4结 论 ( 1 ) 将再生粗骨料划分为 I I I I 共 3 个模糊质量等级比直接 采用各指标的上下限值划分更为合理， 采用最优区间型隶属度 函数可实现各个等级之间的连续变化， 避免等级之间的突变胜。 ( 2 ) 应根据再生混凝土结构构件的环境作用等级与再生混 凝土所用工程类别选择相应质量等级的再生粗骨料。 ( 3 ) 表观密度、 吸水率、 洛杉矶损失值 、 吸附的水泥砂浆含 量 、 氯化物含量与硫酸盐含量 6个指标对再生粗骨料的品质影 响程度不同， 其中吸附的水泥砂浆含量是最重要的影响因素。各 指标的权重可采用 C MF S法确定， 其可信度取决于评价者的专 业素质与评价人数 ， 本文给出的权重有待完善。 参考文献 ： 1 】HE N DR I L S C F， P I E T E R S O N H S S u s t a i n a b l e r a w ma t e r i a l s c o n s t r u e t i o n a n d d e mo l i t i o n w a s t e R RI L EM P u b l i c a t i o n S e r i e s ， F - 9 4 2 3 5 C a c h a n Ce d e x， Fr a n c e， 1 9 9 8 【 2 】B S 8 8 2 ， S p e c i fi c a t i o n f o r a g g r e g a t e s f r o m n a t u r a l s o u r c e s for c o n c r e t e S L o n d o n， UK： Bri t i s h St a n d a r d s I ns t i t u t i o n， 1 9 9 2 3 A S T M D 2 9 4 0 - - 0 3 ， S t a n d a r d s p e c i f i c a t i o n for g r a d e d a g g r e g a t e m a t e ri a l for b a s e s o r s u b b a s e s for h i g h w a y s o r a i r p o r t s S U S A： A m e ri c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g a n d M a t e r i a l s ， 2 0 0 3 4 】A S T M D 4 4 8 0 3 ， S t a n d a r d c l a s s i fi c a t i o n for S i Z e S o f a g g r e g a t e for r o a d a n d b ri d g e c o n s t r u c t i o n S US A： A me r i c a n S o c i e t y fo r T e s t i n g a n d Ma t e r i als ， 2 0 0 3 5 L I X u - p i n g R e c y c l i n g a n d r e u s e o f w a s t e c o n c r e t e i n C h i n a P a rt I Ma t e r i a l b e h a v i o u r o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e J C o n s e r v a t i o n a n d R e c y c l i n g ， 2 0 0 8 ( 5 3 ) ： 3 6 4 0 【 6 李爽， 张金喜 再生混凝土粗骨料分级方法的研究进展【 J 新型建筑 材料， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 1 3 1 7 7 】肖建庄 再生混凝土 M E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 8 李秋义， 李云霞， 朱崇绩 基于需水量比和强度比的再生粗骨料分类 方法f J 材料科学与工艺， 2 0 0 7 ， 1 5 ( 4 ) ： 4 8 0 4 8 3 9 熊德国， 鲜学福 模糊综合评价方法的改进叨 重庆大学学报， 2 0 0 3 ， 2 6 ( 6 ) ： 9 3 - 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7 6 5 1 4 朱平华， 金伟良， 倪国荣 在役混凝土桥梁结构耐久性评估方5 k J 浙 江大学学报 ： 工学版， 2 0 0 6 ， 4 0 ( 4 ) ： 6 5 8 6 6 6 作者简介： 单位地址 ： 联 系电话 ： 王思源( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 副教授， 高级工程师， 主要从事混凝土 结构与高性能混凝土研究。 江苏扬州文昌西路 扬州职业大学科技产业处( 2 2 5 0 0 9 ) l 3 9 5 2 7 2 6 9 9 6 8 9