灰色聚类法在再生混凝土粗骨料质量等级评价中的应用.pdf
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1、第 3 6卷第 3 期 2 0 1 4年 6月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f C i v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o l - 3 6 N o 3 J u n 2 0 1 4 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 4 0 3 0 1 8 灰色聚类法在再生混凝土粗骨料 质量等级评价中的应用 鲍 学英 , 王起 才 ( 兰州交通大学 土木工程 学院 , 兰州
2、 7 3 0 0 7 0 ) 摘要 : 基于灰色聚类评估理论, 提 出了利用多项参数综合评 价再生混凝 土粗骨料质量等级的方 案 。方 案依据 中 国 混凝 土 用再 生粗 骨料标 准 选取 了表观 密度 、 空 隙率 、 坚 固性 、 压碎 指标 、 微 粉含 量 、 泥块含量、 吸水率等 7项参数作为综合评价指标, 采用相似权 法确定各指标的客观权重, 根据评 价指标等级赋值 区间的特点, 将质量等级划分为 4个灰类等级 ; 利 用白化权 函数构建 了评价模 型, 通过对灰色聚类 系数的计算, 得 出再生混凝土粗骨料质量等级的评价结果 ; 最后通过实例分析检验 了该评 价方 案的 实用性
3、。 关键词 : 灰 色聚类法; 骨料 ; 质量等级 中图分 类号 : T U5 2 8 0 4 1 文 献标 志码 : A 文章 编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 一 O l 1 2 一 O 6 Ap p l i c a t i o n o f Gr e y C l u s t e r i n g Me t h o d f o r Qu a l i t y Gr a d e E s t i ma t e o f Re c y c l e d Co nc r e t e Co a r s e Ag g r e g a t e Bao Xu e y i n
4、g, ( S c h o o 1 o f Ci v i l En g i n e e r i n g,L a n z h o u J i a o t o n g Wa n g Qi c ai Uni ve r s i t y,La nz ho u 7 30 07 0,PRChi na ) Abs t r a c t : A c o mpr e h e ns i v e e s t i ma t e s c he m e e mpl o ye d m u l t i pl e p a r a m e t e r s i s p r op os e d f o r q ua l i t y g r
5、 a d e o f r e c y c l e d c o nc r e t e c oa r s e a g g r e ga t e ba s e d on gr e y c l us t e r i ng t h e o r y I n t h e s c he m e,s e v e n p a r a me t e r s a r e s e l e c t e d a s c o mpr e he ns i v e e v a l u a t i on i nd i c e s a c c or d i ng t o Re c y c l e d Co a r s e Aggr
6、e ga t e f or Co n c r e t e o f Ch i na The p a r a me t e r s a r e a p pa r e nt d e ns i t y, po r os i t y, s t u r di n e s s, c r u s hi ng i nd e x, mi c r o mi s t c o nt e nt , s i l t c on t e n t a n d wa t e r a bs o r p t i o n r e s p e c t i v e l y Se c o nd l y,we i g ht e d s i m
7、i l a r i t y m e t ho d i s a d o pt e d t o d e t e r m i n e t h e o b j e e t i v e we i g h t ,a n d d i v i d e t h e q u a l i t y g r a d e i n t o f o u r g r e y r a n k s a c c o r d i n g t o c h a r a c t e r i s t i c s o f g r a d e a s s i g nme n t i n t e r v a l o f t he i n di c
8、e s The n, whi t e ni n g we i gh t f un c t i o n i s e mp l oy e d t o m a k e a n e s t i ma t e mod e l ,by wh i c h t h e q u a l i t y g r a d e e s t i m a t e r e s u l t o f r e c yc l e d c on c r e t e c o a r s e a g g r e ga t e c a n b e a c h i e v e d t hr o ug h c o m p ut e of g r
9、e y c l us t e r i n g c oe f f i c i e nt s Fi n a l l y,a c a s e s t ud y i s a do p t e d t o v e r i f y t h e pr a c t i c a bi l i t y o f t he pr o po s e d s c he m e Ke y wo r ds : gr e y c l us t e r i ng me t h od;a gg r e ga t e s;q ua l i t y gr a d e 再生混凝土骨料是将废 旧混凝土块经过清洗、 破 碎、 筛分和按一定比
10、例相互配合后所形成的骨料。根 据再生骨料粒径的大小, 可分为再生粗骨料( 粒径 4 7 5 mm)和 再 生 细 骨 料 ( 0 1 5 mm 粒 径 4 7 5 mm) E 。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 称 为再生混 凝 土 。为 了 实现 对再 生 混凝 土 粗 骨料 的 合理利用, 需要确定其质量等级。用于评价再生粗骨 料质量的指标有很多, 比较有代表性的是 日本 、 英 国 和美 国。 日本 1 9 9 4年 颁布 的 再 生混 凝 土 材 料质 量 收稿 日期 : 2 0 1 3 - 0 9 0 9 基
11、金项 目: 高校基本科研业务费专项资金资助 ( 2 1 2 O 9 7 ) ; 长江学者 和创新 团队发展计划 ( I R T1 1 3 9 ) 作者 简介 : 鲍学英( 1 9 7 4 一 ) , 女 , 教授 , 博士生 , 主要从 事绿色建筑及建材综合评价 , ( E ma i l ) b a o x u e y i n g 2 o O 3 1 6 3 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 鲍学英, 等: 灰 色聚类法在再生混凝土粗骨料质量等级评价中的应用 1 1 3 试行条例 , 以吸水率和压碎指标作为再生 昆 凝土粗 骨料质量等级的评
12、价指标L 2 , 英国标准 ( B s ) 和美 国 材料试验协会标准( As T M) 是以最低表观密度、 最 大吸水率、 最大针片状颗粒含量、 最大冲击值 、 最大氯 含量 、 最大硫 酸盐含量对应 月 j 于不 同工程 中再 生粗 骨 料的评价指标的极值 , T a m L 6 通过对废弃混凝土进行 大量试 验研究 , 并参照 B S和 A S T M 提 出了 以表 观密 度、 吸水率、 针片状颗粒含量 、 冲击值、 氯化物含量和 硫酸盐 含量作 为 评价 指 标 将再 生 粗 骨料 分 为 7个 等 级 。近年来 , 中国学者也 在试 验研 究 的基 础上 提 出相 应再 生粗骨料
13、的评 价 指标 并 对其 进行 分 级 。 , 中 国 2 0 1 0年 颁 布 的 混 凝 土 用 再 生 骨 料 标 准 ( GB T 2 5 1 7 7 2 0 1 0 ) , 以颗 粒级 配 、 微 粉含 量 和泥 块含 量 、 吸 水率 、 针 片状 颗粒 含 量 、 有 害物 质 含 量 、 杂物 含 量 、 坚 固性、 压碎指标、 表观密度和空隙率、 碱骨料反应 等共 1 0 项 指标将混 凝 土再 生粗 骨 料分 成 3个 等级 。上 述 研究都 是通过试 验的方法 测定各 单 因子 指标 , 利用 各 单因子指标来对混凝土再生粗骨料进行分级。由于 影响再 生混凝 土粗骨料质
14、量 的因素很 多 , 各种 影 响 因 素对再 生混凝 土质量 的影 响程 度是未 知 的 , 再 生混 凝 土粗骨料的质量等级评价应属于灰色系统范畴。而灰 色聚类法是将聚类对象对于不同聚类指标所拥有的白 化权 数 , 按几个灰类进行 归纳 , 从而 判断聚类 对象 属于 哪一个灰类_ 1 纠 。所以可以根据灰色系统理论 , 应用灰 色聚类 法来评 价再 生混凝 土粗骨料 的质量等 级。为 了 实现多因素 影 响下 的混凝 土再 生骨 料质 量分 级 , 笔 者 在 混凝土用再生 骨料标准 ) ( G B T 2 5 1 7 7 2 0 1 0 ) 的基 础上 确定 了再生 混凝 土粗 骨料
15、质量 等级 的评 价指 标 , 采用灰色 聚类方法来评价再生混凝土的质量等级 。 1 再生混凝土粗骨料质 量等级评价 的 灰色聚类法 1 1评价 模型 的构 建 设有 n 个 样本 , 对 每个样本设 定 m个评 价指标 、 s 个 不 同 的 灰 类 等 级 , 记 评 价 指 标 集 合 为 I 一 , , , J ), 灰类等 级集合为 E一 e , e , , e 。 ) 。 样本 空间如式 ( 1 ) 所 示 。 式 中: -z 为第 i 个样本, 5 7 为第 i 个样本相对于第J 个指标的实测值 , 记 z 属 于第 k个灰类 的程度为 厂 , , 可通过 构造 白化权 函数 的
16、 方 式求 解 , 常见 的 白 化权 函数 基本 形式 如 图 1 所 示 。 川。 ( a ) 适中测度白化权 数 ( b ) 上测度白化权函数 ( c ) 下测度内化权函数 图 1 白化权 函数基本形式 根据 混 凝 土 用 再 生 骨 料 标 准 ( GB T 2 5 1 7 7 2 0 1 0 ) 确定的各指标界限值如表 1 所示_ 】 。 由表 1中各个评价指标的界限值 , 构造白化权函 数, 对于指标 工 , 当 k一 1时, 采用上测度 白化权函 数 , 当 k一 2 、 3 时 , 采用适 中测度 白化权 函数 , 当 k 一 4 时 , 采 用下测度 白化权 函数 , 具体
17、如 图 2所示 。 表 1评价指标及界限值 图 2指标 J 白化权 函数示意 图 ; z z z; 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l l 4 土 木 建 筑 与 环 境 3 -程 第 3 6 卷 对 于指标 , 当 一 1时 , 采用下测度 白化 权函数 , 当 一2 、 3 时 , 采用适 中测度白化权函数, 当忌 一 4 时 , 采用上测度白化权函数, 具体如图 3所示。 图 3指标 I z f 白化权 函数示意图 在图 2 、 图 3中, n 、 a 、 a 。 分别对应于表 1中各 个 聚 类 指 标 的 3 个 分 类 界 限 值 , 一 丢 ( +
18、 。 。 ) , 。 : 1 ( n 。 a3 ) 。 对 于下测度 白化权 函数 , 其表达式 如式 ( 2 ) 所示 。 对于上测度 白化权 函数 , 其 表达式如式 ( 3 ) 所示 。 f 0 z n 。 对于适中测度 白化权 函数, 其表达式如式( 4 ) 所 示 ( 以 图 2中 , 走一 2为 例) 。 I 。 f 、 、 v i 2 1 , , 一 0 (壬 , 。 。 ( 4 ) I a 3 - 2 c ij z 2 , 口 3 1 、 v J L “ 3 A 2 1 2 评 价 的步骤 第 1 步 : 按 照评估 要求 所 需划 分 的灰 类 数 s, 将 各 个 指标 的
19、取值 范 围也相 应地 划分 为 S 个灰 类 。 第 2步: 对于样本 z 的第 J个指标的一个观测 值 z 根据式( 2 ) ( 4 ) , 计算 出其属于灰类 志 ( 一 1 , 2 , 3 )的隶属度 ( 白化权系数) , 。 第 3步 : 计 算样 本 z ( 一 1 , 2 , , ) 关 于灰 类 k ( 尼= = =I , 2 , , )的综合聚类系数 k 一 ( 5 ) ,一 l 式 中: , 为样本 的第 J个指标 忌子类 白化权系 数 , 研为指标 在综合聚类中的权重。 第 4步 : 由 ma x 一 , 判 断样 本 z 属于灰 类 k ; 当有多个 样本同属于灰类 尼
20、 时 , 还可 以进 一 步根据综合聚类系数 的大小确定 同属于灰类 愚 的各 个样 本 的优 劣 或位次 。 1 3评 价指标 权 重 的确定 权重 的计算 方法有很多 , 比较有代 表性 的有层 次 分析法 、 专 家赋权法 、 频数统计 分析法等口 , 不 同的权 重对应 不 同的评价结果 。因此 , 评价指 标权 重 的准确 性将会 大大影 响评 价结论 。对 于有 些领 域 , 可 以根据 专家的经验利用层 次分析法 、 专 家赋 权法 等进行 主 观 性 赋值 。但是 再 生混 凝 土粗 骨料 的 各个 评价 指 标 对 再 生混凝土粗 骨料 的质量 分 级 的影 响 目前无 法
21、靠专 家的经验主观确定。而且 , 用于灰色聚类的指标权重 应该和聚类对象 自身的样本数据有关, 相似权法是利 用观测数据所提供的信息来确定权重, 既避免了主观 赋权法 的弊 病 , 又 满 足灰 色 聚类 法 的要 求 , 为 此 采 用 相似权法口 对评价 指标的权重进行 客观赋值 。 具 体步骤如 下 : 第 1步 : 既然专 家无 法 知 道 评 价 指 标 的 相 对 重 要程度 , 则 先假 定 样 本 的各 个 指 标 具 有 相 同 的 重要 1 程度 , 取 指标 的权 重 叩 , 一 ( 一 1 , 2 , , ) 。 。 lH 第 2步 : 在 此假 定条件 下 , 根据样
22、 本 的实 际观 测 值 z 利用式( 2 ) ( 4 ) 构造 出样本 z 的单指标 白 化 权系数 评 价矩 阵 F 。 z , , _厂 ; , 厂 ; 。 z -厂 , ( 6 ) 式 ( 6 ) 矩阵的第 J个行 向量 为指标 I 的白化权 系数评 价 向量 。 第 3步 : 由单指标 白化权系数评 价矩 阵 F , 根 据公 式 ( 6 ) 求 出综 合 白化权 系数 评价矩 阵 F 。 F- - 一 厂 _厂 : - 厂 i ( 7) 评价矩阵式( 7 ) 中, 表示样本 属于第 足个 一 卅 灰类的隶属度, 一 , 。 “ t 第 4步 , 单指标 白化权系数评价向量与综合指
23、标 白化权系数 向量 的“ 相 近” 程度反映了指标 反 映总体情况的能力 , 单指标 白化权系数评 价向量 与 综合指标白化权系数向量越相近 , 则说 明指标 , 越 能体 现总体 情况 , 即指 标 J的权重越 大 。 1一 令, r j =( , , , ) ( , , ) 一 T = 1 k = l , ,厂 ( 8 ) 门 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 鲍学英 , 等 : 灰 色聚类法在再生混凝土粗骨料质量等级评价 中的应用 1 1 5 ( 9 ) 2 评价实例 称 r j 为相似数 , 为相似权 , 可 以用相似权 作为指标 , 的权重。
24、 根据文献E 2 o , 某 5批再生混凝土粗 骨料试验 结果各指标实测值如表 3所示, 试对其进行 质量等 级评定 。 表 3评价指标实测值 根据 已知 条件 , 确定 研 究对 象 为 5个样 本 , 根 据 混凝 土 用 再 生 骨 料 标 准 ( GB T 2 5 1 7 7 2 0 1 0 ) 将 再生混凝土粗骨料质量等级分为 4个灰类等级 E一 g , e 2 , e 。 , 8 4 一 I 类 , 类 , I I I 类 , I V类 。 2 1 建 立 5个 样 本 的单指 标 白化权 系数 评 价矩 阵 将表观密度、 空隙率 、 坚 固性 、 压碎指标 、 微粉含 量 、 泥
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- 灰色 聚类法 再生 混凝土 骨料 质量 等级 评价 中的 应用
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