基于層次分析法的清水混凝土外觀性能評價

李紹鵬，汪亮，王建強，程曦，伍慧

（中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

清水混凝土因其獨特的自然質(zhì)感脫穎而出，現(xiàn)已在市政、道橋以及高檔建筑工程中得到了諸多應(yīng)用，如嶺澳核電站、?？谑兰o(jì)大橋、上海浦東國際機場航站樓等[1-3]。清水混凝土與普通混凝土的區(qū)別在于其渾然天成的外表，因此，JGJ 169—2009《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對清水混凝土的外觀質(zhì)量做了諸多規(guī)定，如顏色、氣泡、光潔度等，但規(guī)程并沒有給出綜合評價清水混凝土外觀性能的方法，并且規(guī)定的各項指標(biāo)也很寬泛，檢測方法也并不精確，這給清水混凝土外觀性能的客觀評價帶來了一定程度的影響。

目前，已有學(xué)者利用圖像處理技術(shù)對清水混凝土的外觀性能進行了評價[4-6]，此法對于室內(nèi)研究準(zhǔn)確可行，但對于實際工程而言，實現(xiàn)起來比較困難。葉鐵鋒[7]提出了基于可量化指標(biāo)的外觀性能評價方法，將所有指標(biāo)合格且80%為良好的清水混凝土評定為良好，有15%不合格時則評為不合格，其它情況則評為合格。此法雖能綜合評價清水混凝土的外觀性能，但綜合評價的方法較為粗糙，并不能根據(jù)各指標(biāo)的重要程度進行合理的評價。王龍志等[8]提出了清水混凝土外觀性能的事前評價方法——氣泡法，但此法只可對清水混凝土外觀進行預(yù)估。

本文依托國內(nèi)首例最大體量人防工程清水商品混凝土施工項目——長沙金鷹大廈前廣場改造項目，提出一種基于層次分析法的清水混凝土外觀性能評價方法，此法操作簡便，且能根據(jù)各分項指標(biāo)的重要程度進行綜合評價。

1 層次分析法概述

AHP法（層次分析法）最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，它最早被美國運籌學(xué)家T.L.Saaty定義為是一種能將定性與定量分析結(jié)合于一體的多層次多方案的決策方法。層次分析法首先是將非常復(fù)雜的需要做決策的問題根據(jù)其本質(zhì)、構(gòu)成因素與要求進行深入分析；然后再根據(jù)問題的組成因素進行分層處理，構(gòu)建多層次多準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)模型；最后依據(jù)1-9標(biāo)度法將每層的組成因素進行重要程度比較得出判斷矩陣，再依據(jù)得出的判斷矩陣求各組成因素的權(quán)重值[9]。

層次分析法中需要各專家依據(jù)1-9標(biāo)度法對各層構(gòu)成因素間的重要程度進行一一比較，而各專家在對各層因素間的重要性進行評分時易受自身主觀因素的影響，往往會出現(xiàn)對各構(gòu)成因素的評分不完全相同。研究者為了確保評分結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性，將設(shè)定檢驗標(biāo)準(zhǔn)來對專家評分所組成的判斷矩陣進行檢驗，如果檢驗結(jié)果不符合檢驗標(biāo)準(zhǔn)的一致性要求，則需要專家重新對其組成因素間的重要性評分進行修正，直到檢驗結(jié)果符合一致性要求。如：假設(shè)有一個由n個組成因素構(gòu)成的層級，分別對其各組成因素進行一一比較得到判斷矩陣An×n。然后根據(jù)權(quán)重計算方法（特征根法、根法、和法等）求出判斷矩陣An×n中每個組成因素的相對權(quán)重值。本文選用和法對清水混凝土的外觀性能進行評價，具體步驟為：

最后，根據(jù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)對判斷矩陣An×n進行檢驗，看其是否一致。依據(jù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)判斷矩陣的最大特征根λmax=n時，表明該矩陣具有完全一致性；當(dāng)判斷矩陣的最大特征根λmax＞n時，則表明該矩陣為不完全一致性。根據(jù)這2個檢驗標(biāo)準(zhǔn)得出檢驗指標(biāo)為即當(dāng)CI=0時，表明該判斷矩陣的檢驗結(jié)果為完全一致性；當(dāng)CI＞0時，則表明該判斷矩陣的檢驗結(jié)果為不完全一致性。由于研究對象不同涉及的判斷矩陣階數(shù)也各不相同，那么，目前層次分析法普遍采用的檢驗指標(biāo)為平均隨機一致性指標(biāo)RI（如表1所示）。具體的AHP法的一致性檢驗標(biāo)準(zhǔn)為：CR=CI/RI，當(dāng)CR＜0.10時，則表明該判斷矩陣符合一致性要求；若CR＞0.1時，則表明該判斷矩陣還需進一步的修正，修正后重新檢驗符合檢驗標(biāo)準(zhǔn)才可使用。最后，在判斷矩陣符合檢驗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，再依次分別確定二級指標(biāo)相對一級指標(biāo)、三級指標(biāo)相對二級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)αi、βj。

表1 RI值

2 清水混凝土外觀性能綜合評價

清水混凝土的外觀性能可以概括成4個方面，即色澤的一致性、氣泡的大小和數(shù)量、表面平整以及外觀缺陷。根據(jù)這4個方面的內(nèi)容，可對清水混凝土外觀性能的定量或半定量的評價提出設(shè)想并建立評價構(gòu)架，即對色澤的一致性、氣泡的大小和數(shù)量、表面平整度和外觀缺陷4個分項分別提出評價方法和評價指標(biāo)，并進行逐項評價，最后建立綜合的清水混凝土外觀性能評價體系。

2.1 清水混凝土外觀性能的分項評價方法

（1）色澤的一致性評價

對混凝土外觀色澤一致性的評價一直以來是個難題。本文結(jié)合JGJ 169—2009對混凝土外觀性能的規(guī)定與檢驗方法建立清水混凝土外觀色澤一致性的評價標(biāo)準(zhǔn)：將距離墻面5 m有明顯色差的評定為不滿足清水混凝土外觀色澤一致性要求，即不合格；將距離墻面3～5 m無明顯色差的評定為合格；將距離墻面1～3 m無明顯色差的評定為良；將距離墻面1 m以內(nèi)無明顯色差的評定為優(yōu)。

（2）氣泡的大小與數(shù)量評價

對混凝土氣泡的大小與數(shù)量評價，同樣結(jié)合JGJ 169—2009對混凝土外觀性能的規(guī)定與檢驗方法，分別從混凝土氣泡的直徑、深度以及數(shù)量等3個方面進行評價，建立混凝土氣泡的大小與數(shù)量的評價標(biāo)準(zhǔn)：

①當(dāng)混凝土氣泡的最大直徑大于8 mm時，為不合格；當(dāng)氣泡的最大直徑大于5 mm且小于等于8 mm時，為合格；當(dāng)氣泡的最大直徑大于3 mm且小于等于5 mm時，為良；當(dāng)氣泡的最大直徑小于等于3 mm時，為優(yōu)。

②當(dāng)混凝土氣泡的最大深度大于2 mm時，為不合格；當(dāng)氣泡的最大深度大于1.5 mm且小于等于2 mm時，為合格；當(dāng)氣泡的最大深度大于1 mm且小于等于1.5 mm時，為良；當(dāng)氣泡的最大深度小于等于1 mm時，為優(yōu)。

③當(dāng)混凝土中氣泡數(shù)量大于20 cm2/m2時，為不合格；當(dāng)氣泡數(shù)量大于15 cm2/m2且小于等于20 cm2/m2時，為合格；當(dāng)氣泡數(shù)量大于10 cm2/m2且小于等于15 cm2/m2時，為良；當(dāng)氣泡數(shù)量小于等于10cm2/m2時，為優(yōu)。

（3）表面平整度評價

對于清水混凝土，表面的平整度同樣借鑒JGJ 169—2009對混凝土外觀性能的檢驗方法進行評價，根據(jù)表面平整度的尺寸允差值，即根據(jù)偏差大小設(shè)定不合格、合格、良、優(yōu)4個等級來進行表面平整度的評價。即利用2 mm靠尺和塞尺檢查，當(dāng)測定的偏差值大于8 mm時為不合格；當(dāng)測定的偏差值大于6 mm且小于等于8 mm時，為合格；當(dāng)測定的偏差值大于4 mm且小于等于6 mm時，為良；當(dāng)測定的偏差值小于等于4 mm時，為優(yōu)。

（4）外觀缺陷評價

外觀性能是清水混凝土的重要控制點，應(yīng)不允許有蜂窩、裂縫、露筋、孔洞及外形缺陷等外觀缺陷的存在，若出現(xiàn)上述外觀缺陷則認(rèn)為不合格，應(yīng)采取有效措施進行修復(fù)和修補。

2.2 清水混凝土外觀性能評價體系構(gòu)建

根據(jù)層次分析法設(shè)定“清水混凝土外觀性能評價”為一級指標(biāo)；“混凝土表面色澤一致性”、“混凝土外表氣泡”、“混凝土表面平整度”、“混凝土外觀缺陷”4個因素為二級指標(biāo)；混凝土外觀色澤一致性、混凝土氣泡的最大直徑、混凝土氣泡的最大深度、混凝土氣泡的數(shù)量、混凝土表面的平整度、裂縫、外表缺陷、外形缺陷8個定量指標(biāo)為三級指標(biāo)。

2.2.1 清水混凝土外觀性能的評價指標(biāo)權(quán)重的確定

首先，把三級指標(biāo)相對于二級指標(biāo)的重要性實行兩兩比較得出判斷矩陣后，運用EVM方法求出各項評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。其中，混凝土氣泡的大小與數(shù)量因素以及混凝土外觀缺陷因素的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的具體數(shù)值見表2、表3。

表2 混凝土氣泡的大小與數(shù)量評價指標(biāo)的判斷矩陣

表3 混凝土外觀缺陷評價指標(biāo)的判斷矩陣

其次，把各二級指標(biāo)相對于一級指標(biāo)的重要性進行相互比較，得出相對應(yīng)的判斷矩陣，并用EVM方法求出各項評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，具體數(shù)值見表4。

表4 清水混凝土外觀性能評價指標(biāo)的判斷矩陣

通過匯總表2～表4的計算結(jié)果得到清水混凝土外觀性能評價的各級指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，具體數(shù)值見表5。

表5 清水混凝土外觀性能評價指標(biāo)的權(quán)重值

2.2.2 清水混凝土外觀性能的綜合評價結(jié)果

為了能更直觀地對清水混凝土外觀性能進行綜合評價，依據(jù)清水混凝土外觀性能的具體情形和前述制定的分類和標(biāo)準(zhǔn)，將清水混凝土外觀性能劃分為4個區(qū)間，分別為不合格、合格、良、優(yōu)，對應(yīng)的分值區(qū)間為[0，70）、[70，80）、[80，90）、[90，100]。其得分按下式進行計算：

式中：W1——一級指標(biāo)得分，即清水混凝土外觀性能綜合評分；

W2i——第i個二級指標(biāo)得分；

W3j——第j個三級指標(biāo)的專家評分；

αi——第i個二級指標(biāo)對一級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；

βj——第j個三級指標(biāo)對二級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

3 金鷹廣場清水混凝土應(yīng)用實例

長沙金鷹大廈前廣場改造項目是湖南省廣電中心2016年的重點工程，是第十一屆中國金鷹電視藝術(shù)節(jié)的主場地之一。此項目總用地面積約6.6萬m2，總建筑面積約12萬m2，項目為集停車、交通、人防等功能于一體的下沉式廣場，擬建地下三層，地面為城市花園式廣場，項目總投資約8億元。整個工程商品混凝土方量達7萬m3，所有豎向結(jié)構(gòu)全部采用清水商品混凝土，地下人防工程的清水商品混凝土澆筑量達到3萬m3，強度等級為C40。

為確保清水混凝土的外觀效果，在固定原材料的基礎(chǔ)上結(jié)合實際經(jīng)驗設(shè)計了4組配合比進行比選，配比見表6。水泥為湖南海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥；粉煤灰為岳陽煤灰電廠生產(chǎn)的Ⅱ級煤灰；礦粉為湖南三泓建材科技有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉；細(xì)骨料為湘江產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料為寧鄉(xiāng)縣大屯營粟米托石灰石場5～20 mm碎石；外加劑為岳陽東方雨虹CR-P402聚羧酸減水劑。所有材料各項指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

表6 C40清水混凝土比選配比 kg/m3

首先成型150 mm×150 mm×600 mm的長方體試塊[見圖1（a）]，然后采用層次分析法進行外觀評價，結(jié)果如表7所示。通過比選最終確定最優(yōu)配比1#為生產(chǎn)配比，并制作了清水混凝土樣板墻進行驗證[見圖1（b）]，結(jié)果取得了不錯的效果。

圖1 清水混凝土長方體試塊及樣板墻

表7 清水混凝土各級指標(biāo)得分及綜合得分情況

4 結(jié)語

清水混凝土因其獨特的特點已得到了廣泛的青睞，但JGJ 169—2009中并沒有給出清水混凝土外觀性能的綜合評價方法，只是在質(zhì)量驗收中對混凝土外觀性能的各個項目提出了一些寬泛的要求，且其檢驗方法多數(shù)是靠觀察，人為因素影響較大。因此，提出了基于層次分析法的清水混凝土外觀性能評價方法，此法彌補了規(guī)程中驗收方法存在的不足，又較采用圖像處理技術(shù)分析評價等方法簡單實用，可操作性強，并成功應(yīng)用于長沙金鷹大廈清水混凝土項目的配比優(yōu)化，而后期驗收工作則采用此方法進行抽檢評價。

[1] 周孝軍，牟廷敏，丁慶軍，等.橋梁清水混凝土設(shè)計方法與勻質(zhì)性控制[J].土木建筑與環(huán)境工程，2015（1）：117-122.

[2] 程磊.高層建筑清水混凝土施工工藝及工程應(yīng)用研究[D].濟南：山東大學(xué)，2012.

[3] 郭偉，路林海，王龍志，等.清水混凝土概念、研究現(xiàn)狀、存在問題及配合比設(shè)計方法綜述[J].混凝土與水泥制品，2016（10）：23-27.

[4] 張建雄，繆昌文，劉加平，等.清水混凝土外觀質(zhì)量評價方法的研究[J].混凝土，2008（1）：95-97.

[5] 周輝，葉鐵鋒.清水混凝土外觀質(zhì)量評價淺析[J].建筑技術(shù)，2009（7）：641-642.

[6] 覃光焱.人工砂清水混凝土的研究及其外觀質(zhì)量評定[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

[7] 葉鐵鋒.基于量化指標(biāo)的清水混凝土外觀質(zhì)量評價方法淺析[C]//上海空港（第20輯）.上海：上海世紀(jì)出版股份有限公司科學(xué)技術(shù)出版社，2015：46-49.

[8] 王龍志，李宗才，崔鑫，等.清水混凝土表觀質(zhì)量評價方法研究[J].混凝土，2017（2）：95-97.

[9] 郭金玉，張忠彬，孫慶云.層次分析法的研究與應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2008（5）：148-153.