摘 要：為了提高混凝土的防水性能和耐久性，本文探討了不同配合比設(shè)計(jì)對混凝土防水耐久性能的影響。本研究通過試樣制備、性能測試和決策樹算法分析，研究了水灰比和骨料用量對混凝土性能的關(guān)鍵作用，并進(jìn)行水壓滲透試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度測試以及凍融循環(huán)試驗(yàn)等多項(xiàng)性能評估。研究結(jié)果顯示，在不同水灰比和骨料用量組合下，混凝土性能呈現(xiàn)明顯的二級分化效果，高水灰比和骨料含量多能使混凝土防水性能更好，驗(yàn)證了高水灰比與高骨料比例混凝土能提升耐久性。

關(guān)鍵詞：屋面防水；防水耐久；混凝土澆筑；混凝土配合比

中圖分類號：TU 528" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

混凝土作為常用的建筑材料，在屋面防水中扮演著重要角色，吸引了相關(guān)領(lǐng)域的研究者。易傳斌等[1]研究了不同憎水劑對隧道溶腔填充泡沫混凝土的防水性能影響。結(jié)果顯示，單摻硅氧烷可顯著提高泡沫混凝土的干密度與抗壓強(qiáng)度，改善防水性能和孔隙結(jié)構(gòu)。蘇昂等[2]針對江陰靖江長江隧道工作井底板混凝土自防水問題進(jìn)行研究，成功調(diào)控混凝土抗裂性能，保證了工作井底板的防水效果。張世杰[3]推薦采用懸浮－密實(shí)型瀝青混凝土作為防水封閉結(jié)構(gòu)，并通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比，達(dá)到良好的防水保護(hù)效果。張堅(jiān)等[4]通過多場耦合機(jī)制評估和抗裂性施工方法，成功降低側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。葉武平等[5]對防水抗?jié)B泡沫混凝土制備及在墻板中應(yīng)用進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示復(fù)合摻合料和憎水劑共同作用可提高泡沫混凝土的抗?jié)B性能。湯繼新等[6]研究了寧波地鐵車站混凝土剛性自防水技術(shù)，并成功對混凝土抗裂性能進(jìn)行精確調(diào)控。

1 不同混凝土配合比試驗(yàn)

1.1 試樣制備

在混凝土材料的研究中，合理的配合比是保證其性能優(yōu)越性的關(guān)鍵之一。根據(jù)實(shí)踐參數(shù)要求，制作混凝土試件，并計(jì)劃進(jìn)行一系列細(xì)致的防水和耐久性能測試。設(shè)計(jì)方案涉及不同水灰比和骨料用量組合，這些參數(shù)對混凝土的力學(xué)性能和耐久性能具有重要影響。本文選取了10%～20%的水灰比和10%～16%的骨料用量作為試驗(yàn)組合，共100個(gè)組合，用于制備混凝土樣品，以便后續(xù)研究和測試。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案制備一系列混凝土樣品，這些樣品按照150mm×150mm×150mm立方體尺寸標(biāo)準(zhǔn)加工而成。每個(gè)樣品表示特定配合比下混凝土材料的特征，對不同水灰比和骨料用量進(jìn)行系統(tǒng)性試驗(yàn)有助于評估混凝土材料在不同配合條件下的表現(xiàn)。每個(gè)試驗(yàn)組合都經(jīng)過仔細(xì)測量和控制，保證其符合預(yù)定參數(shù)要求。這些樣品將成為后續(xù)測試階段的關(guān)鍵對象。

1.2 性能測試

試驗(yàn)采用水壓滲透試驗(yàn)方法對每個(gè)試驗(yàn)組合制備的混凝土樣品進(jìn)行抗?jié)B性測試。試驗(yàn)使用原材料和精確稱量來制備混凝土，在攪拌過程中，須嚴(yán)格控制水灰比和骨料用量，將混凝土均勻地倒入預(yù)先涂有防粘劑的模具內(nèi)，并采取振實(shí)措施保證密實(shí)性。

對每組作出標(biāo)記加以區(qū)分，便于識別其來源。其中，抗壓強(qiáng)度測試采用萬能試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)化條件下逐漸增加荷載來測定混凝土樣品受力過程中產(chǎn)生破壞或變形時(shí)承受的最大荷載值。同時(shí)，試驗(yàn)將對各組合下制備的混凝土樣品進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，低溫暴露與高溫干燥交替進(jìn)行，旨在模擬真實(shí)環(huán)境中可能遇到的惡劣條件，評估混凝土材料在長期使用過程中是否會(huì)出現(xiàn)損壞或劣化現(xiàn)象。在每輪周期結(jié)束后，對各組件表面進(jìn)行詳細(xì)檢查，包括觀察是否出現(xiàn)裂紋、顏色變化等情況，通過這些循環(huán)操作及觀測數(shù)據(jù)收集來評估混凝土材料在不斷重復(fù)的凍融過程中所表現(xiàn)的穩(wěn)定性和耐久性。

通過收集大量數(shù)據(jù)并進(jìn)行詳盡分析，得到關(guān)于不同配比條件下混凝土材料防水性能和耐久性能表現(xiàn)的綜合評價(jià)。

1.3 測試結(jié)果

對不同水灰比和不同骨料用量的組合制備試樣進(jìn)行性能測試，結(jié)果呈現(xiàn)顯著的二級分化效果，整理各個(gè)指標(biāo)的水灰比與骨料用量形成散點(diǎn)圖，為區(qū)分防水性能，分別賦值為0與1，其結(jié)果如圖1所示。

水灰比作為控制混凝土中水泥膠體含量的重要參數(shù)，直接影響混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度和耐久性等指標(biāo)。水灰比較高通常說明更多的水泥膠體被激活，使混凝土更易于流動(dòng)、充實(shí)，在一定程度上提高了抗?jié)B透性能，因此在較高水灰比條件下制備的混凝土試樣通常能夠通過防水耐久測試。當(dāng)水灰比較低時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)過大、流動(dòng)性差、抗壓強(qiáng)度不足等問題。此時(shí)混凝土容易受到外部環(huán)境侵蝕，例如滲透物質(zhì)易穿透到混凝土內(nèi)部從而引起腐蝕或者破壞。因此，在水灰比較低的條件下制備的樣品通常難以通過防水耐久測試。

骨料用量對混凝土試樣的性能同樣具有重要影響。適量的骨料可以增加混凝土內(nèi)部密實(shí)度、改善力學(xué)性能，并且有利于分散和傳遞荷載。因此，在較高骨料用量條件下制備的混凝土試樣往往具有更好的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B透性能，更容易通過各項(xiàng)耐久測試。然而，當(dāng)骨料用量較低時(shí)，可能出現(xiàn)混凝土內(nèi)部孔隙率增加、力學(xué)性能下降等問題。這會(huì)導(dǎo)致試樣整體強(qiáng)度不足、易受外界環(huán)境侵蝕等情況發(fā)生，導(dǎo)致這類樣品難以通過相應(yīng)耐久測試。

2 防水耐久性能預(yù)測

上述試樣的測試數(shù)結(jié)果反映了在有限的水灰比-骨料搭配條件下差異性的防水耐久性能組合，可以通過算法分析進(jìn)一步尋求防水耐久性能突變的邊界，本文采用決策樹算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1 算法概述

設(shè)模型基于測試結(jié)果形成樣本數(shù)據(jù)集如公式（1）所示。

D=（X，Y） （1）

式中：D為樣本集；X包括水灰比和骨料兩個(gè)特征維度，表示混凝土材料的特定屬性；Y為對應(yīng)的類別標(biāo)簽，表示防水性能是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)樣本訓(xùn)練集通過遞歸地將數(shù)據(jù)集劃分為更小的子集來構(gòu)建樹結(jié)構(gòu)，每次劃分選擇信息增益最優(yōu)的特征作為節(jié)點(diǎn)。因此需要計(jì)算信息增益，如公式（2）所示。

（2）

式中：I（）是信息增益；E（ ）為信息熵；V為特征X的取值數(shù)量，即2；Dv為特征A取值為V的子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集。

其中，信息熵定義如公式（3）所示。

（3）

信息增益越高，表示劃分該特征后，父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的不確定性減少。

基于此類不同指標(biāo)衡量迭代，按照公式（2）將樣本D劃分為兩類，相應(yīng)將當(dāng)前特征劃分節(jié)點(diǎn)后子節(jié)點(diǎn)兩分裂樣本，按順序計(jì)算全部可能分裂結(jié)果信息增益 I（），選擇最優(yōu)信息增益進(jìn)行分裂。重復(fù)分裂過程遞歸至樣本完全分類或無法獲取特征值用于分類，就停止分類。將原始數(shù)據(jù)整理成決策樹，得出以下分析結(jié)果。

2.2 決策樹分析結(jié)果

模型使用Matlab中的fitctree函數(shù)創(chuàng)建并訓(xùn)練了決策樹分類器tree。這個(gè)模型通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集中特征與類別之間的關(guān)系，建立了一個(gè)決策樹模型。綜合考慮水灰比和骨料用量兩個(gè)參數(shù)對混凝土性能所產(chǎn)生的綜合影響，在不同配合比條件下形成了明顯二級分化效果，其決策樹模型如圖2所示。

對決策樹的結(jié)果進(jìn)行分析，可以更深入地理解水灰比和骨料用量這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)在混凝土性能測試中的作用。決策樹結(jié)果呈現(xiàn)明顯的趨勢分化，在高水灰比條件下，即使骨料用量較低，混凝土試樣仍然有可能通過防水耐久測試。說明在水灰比較高的情況下，水泥膠體含量較多，使混凝土具有更好的流動(dòng)性和充實(shí)性，從而提高了抗?jié)B透性能。因此，即使骨料用量不是很高，在這種情況下仍然可以達(dá)到較好的防水效果。而在水灰比較低的條件下，由于低水灰比導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)過大、流動(dòng)性差等，因此若骨料用量相對較低，則試樣無法通過防水耐久測試。在這種情況下，即使骨料用量不高也無法彌補(bǔ)混凝土本身因水泥膠體含量不足而導(dǎo)致的缺陷。

對決策樹結(jié)果進(jìn)行深入分析可以發(fā)現(xiàn)，在不同條件下，水灰比和骨料用量之間存在復(fù)雜而重要的相互作用。它們共同影響混凝土試樣在防水耐久測試中的表現(xiàn)，并且呈現(xiàn)出明顯的二級分化效果。

混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于理解不同參數(shù)之間的相互作用，并相應(yīng)進(jìn)行有效預(yù)測和優(yōu)化。決策樹分析不僅可以揭示水灰比和骨料用量對混凝土性能的影響，還可以通過整體數(shù)據(jù)散點(diǎn)結(jié)果的決策邊界分析來進(jìn)一步驗(yàn)證這些關(guān)系。

2.3 決策邊界可視化結(jié)果

基于水灰比和骨料用量影響防水性能情況的原始數(shù)據(jù)，使用決策樹算法分析形成決策邊界，即決策樹結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。為了可視化決策邊界，模型生成了一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)陣列，覆蓋了特征空間內(nèi)所有可能的點(diǎn)。對這些網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，模型得到每個(gè)點(diǎn)所屬類別的預(yù)測結(jié)果。由此分別對決策邊界兩側(cè)位置進(jìn)行填色處理，結(jié)果如圖3所示。

對整體數(shù)據(jù)散點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行決策邊界分析，可以看到在不同水灰比和骨料用量組合下，混凝土試樣性能呈現(xiàn)出明顯差異。這些決策邊界可以劃分不同性能水平的區(qū)域，并預(yù)測在給定條件下混凝土的性能特征。這種定量化的分析方法為工程實(shí)踐提供了重要參考，使工程師們能夠更好地選擇合適的配合比設(shè)計(jì)方案以滿足特定要求。決策邊界分析還有助于揭示各參數(shù)之間復(fù)雜而重要的相互關(guān)系。通過觀察不同參數(shù)取值下的分類邊界變化，可以更好地理解水灰比和骨料用量對混凝土性能所產(chǎn)生的影響方式。這種細(xì)致而全面的數(shù)據(jù)挖掘過程可以幫助優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，并提高混凝土結(jié)構(gòu)物件質(zhì)量。

決策邊界分析是一種有效的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，它能夠找到不同參數(shù)取值下的分類邊界，從而預(yù)測其對應(yīng)的性能表現(xiàn)。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，決策邊界分析結(jié)果顯示出明顯的優(yōu)點(diǎn)，它能夠有效預(yù)測不同混凝土配合比條件下的性能影響，并為工程實(shí)踐提供可靠的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和指導(dǎo)方案。整體數(shù)據(jù)散點(diǎn)結(jié)果的決策邊界分析為工程提供了一種全面且可靠的方法，可以理解不同混凝土配合比條件下性能表現(xiàn)之間的復(fù)雜關(guān)系。這種方法不僅可以有效預(yù)測混凝土性能，在實(shí)踐中還為工程師提供了重要指導(dǎo)方案，協(xié)助制定更加科學(xué)、可靠且符合實(shí)際需求的配合比設(shè)計(jì)方案。只有充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，并結(jié)合專業(yè)知識與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在建筑工程領(lǐng)域才能取得更大突破與進(jìn)步。

3 結(jié)語

本文在混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究中，對水灰比和骨料用量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，制備了一系列混凝土樣品，并進(jìn)行了多項(xiàng)性能測試。決策樹算法作為數(shù)據(jù)分析工具，在揭示參數(shù)之間相互作用及影響規(guī)律方面發(fā)揮著重要作用。對決策樹結(jié)果進(jìn)行解讀可以明確水灰比和骨料用量在混凝土防水性能中的作用，并發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜而重要的相互關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在高水灰比條件下，即使骨料用量較低也可達(dá)到良好的防水效果，而低水灰比則需要更高骨料用量以滿足要求。這種二級分化效果揭示了參數(shù)之間的相互影響，為優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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