基于层次分析法的清水混凝土外观性能评价

李绍鹏，汪亮，王建强，程曦，伍慧

（中建西部建设湖南有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

清水混凝土因其独特的自然质感脱颖而出，现已在市政、道桥以及高档建筑工程中得到了诸多应用，如岭澳核电站、海口世纪大桥、上海浦东国际机场航站楼等[1-3]。清水混凝土与普通混凝土的区别在于其浑然天成的外表，因此，JGJ 169—2009《清水混凝土应用技术规程》对清水混凝土的外观质量做了诸多规定，如颜色、气泡、光洁度等，但规程并没有给出综合评价清水混凝土外观性能的方法，并且规定的各项指标也很宽泛，检测方法也并不精确，这给清水混凝土外观性能的客观评价带来了一定程度的影响。

目前，已有学者利用图像处理技术对清水混凝土的外观性能进行了评价[4-6]，此法对于室内研究准确可行，但对于实际工程而言，实现起来比较困难。叶铁锋[7]提出了基于可量化指标的外观性能评价方法，将所有指标合格且80%为良好的清水混凝土评定为良好，有15%不合格时则评为不合格，其它情况则评为合格。此法虽能综合评价清水混凝土的外观性能，但综合评价的方法较为粗糙，并不能根据各指标的重要程度进行合理的评价。王龙志等[8]提出了清水混凝土外观性能的事前评价方法——气泡法，但此法只可对清水混凝土外观进行预估。

本文依托国内首例最大体量人防工程清水商品混凝土施工项目——长沙金鹰大厦前广场改造项目，提出一种基于层次分析法的清水混凝土外观性能评价方法，此法操作简便，且能根据各分项指标的重要程度进行综合评价。

1 层次分析法概述

AHP法（层次分析法）最早出现在20世纪70年代，它最早被美国运筹学家T.L.Saaty定义为是一种能将定性与定量分析结合于一体的多层次多方案的决策方法。层次分析法首先是将非常复杂的需要做决策的问题根据其本质、构成因素与要求进行深入分析；然后再根据问题的组成因素进行分层处理，构建多层次多准则的结构模型；最后依据1-9标度法将每层的组成因素进行重要程度比较得出判断矩阵，再依据得出的判断矩阵求各组成因素的权重值[9]。

层次分析法中需要各专家依据1-9标度法对各层构成因素间的重要程度进行一一比较，而各专家在对各层因素间的重要性进行评分时易受自身主观因素的影响，往往会出现对各构成因素的评分不完全相同。研究者为了确保评分结果的合理性与准确性，将设定检验标准来对专家评分所组成的判断矩阵进行检验，如果检验结果不符合检验标准的一致性要求，则需要专家重新对其组成因素间的重要性评分进行修正，直到检验结果符合一致性要求。如：假设有一个由n个组成因素构成的层级，分别对其各组成因素进行一一比较得到判断矩阵An×n。然后根据权重计算方法（特征根法、根法、和法等）求出判断矩阵An×n中每个组成因素的相对权重值。本文选用和法对清水混凝土的外观性能进行评价，具体步骤为：

最后，根据检验标准对判断矩阵An×n进行检验，看其是否一致。依据检验标准，当判断矩阵的最大特征根λmax=n时，表明该矩阵具有完全一致性；当判断矩阵的最大特征根λmax＞n时，则表明该矩阵为不完全一致性。根据这2个检验标准得出检验指标为即当CI=0时，表明该判断矩阵的检验结果为完全一致性；当CI＞0时，则表明该判断矩阵的检验结果为不完全一致性。由于研究对象不同涉及的判断矩阵阶数也各不相同，那么，目前层次分析法普遍采用的检验指标为平均随机一致性指标RI（如表1所示）。具体的AHP法的一致性检验标准为：CR=CI/RI，当CR＜0.10时，则表明该判断矩阵符合一致性要求；若CR＞0.1时，则表明该判断矩阵还需进一步的修正，修正后重新检验符合检验标准才可使用。最后，在判断矩阵符合检验标准的基础上，再依次分别确定二级指标相对一级指标、三级指标相对二级指标的权重系数αi、βj。

表1 RI值

2 清水混凝土外观性能综合评价

清水混凝土的外观性能可以概括成4个方面，即色泽的一致性、气泡的大小和数量、表面平整以及外观缺陷。根据这4个方面的内容，可对清水混凝土外观性能的定量或半定量的评价提出设想并建立评价构架，即对色泽的一致性、气泡的大小和数量、表面平整度和外观缺陷4个分项分别提出评价方法和评价指标，并进行逐项评价，最后建立综合的清水混凝土外观性能评价体系。

2.1 清水混凝土外观性能的分项评价方法

（1）色泽的一致性评价

对混凝土外观色泽一致性的评价一直以来是个难题。本文结合JGJ 169—2009对混凝土外观性能的规定与检验方法建立清水混凝土外观色泽一致性的评价标准：将距离墙面5 m有明显色差的评定为不满足清水混凝土外观色泽一致性要求，即不合格；将距离墙面3～5 m无明显色差的评定为合格；将距离墙面1～3 m无明显色差的评定为良；将距离墙面1 m以内无明显色差的评定为优。

（2）气泡的大小与数量评价

对混凝土气泡的大小与数量评价，同样结合JGJ 169—2009对混凝土外观性能的规定与检验方法，分别从混凝土气泡的直径、深度以及数量等3个方面进行评价，建立混凝土气泡的大小与数量的评价标准：

①当混凝土气泡的最大直径大于8 mm时，为不合格；当气泡的最大直径大于5 mm且小于等于8 mm时，为合格；当气泡的最大直径大于3 mm且小于等于5 mm时，为良；当气泡的最大直径小于等于3 mm时，为优。

②当混凝土气泡的最大深度大于2 mm时，为不合格；当气泡的最大深度大于1.5 mm且小于等于2 mm时，为合格；当气泡的最大深度大于1 mm且小于等于1.5 mm时，为良；当气泡的最大深度小于等于1 mm时，为优。

③当混凝土中气泡数量大于20 cm2/m2时，为不合格；当气泡数量大于15 cm2/m2且小于等于20 cm2/m2时，为合格；当气泡数量大于10 cm2/m2且小于等于15 cm2/m2时，为良；当气泡数量小于等于10cm2/m2时，为优。

（3）表面平整度评价

对于清水混凝土，表面的平整度同样借鉴JGJ 169—2009对混凝土外观性能的检验方法进行评价，根据表面平整度的尺寸允差值，即根据偏差大小设定不合格、合格、良、优4个等级来进行表面平整度的评价。即利用2 mm靠尺和塞尺检查，当测定的偏差值大于8 mm时为不合格；当测定的偏差值大于6 mm且小于等于8 mm时，为合格；当测定的偏差值大于4 mm且小于等于6 mm时，为良；当测定的偏差值小于等于4 mm时，为优。

（4）外观缺陷评价

外观性能是清水混凝土的重要控制点，应不允许有蜂窝、裂缝、露筋、孔洞及外形缺陷等外观缺陷的存在，若出现上述外观缺陷则认为不合格，应采取有效措施进行修复和修补。

2.2 清水混凝土外观性能评价体系构建

根据层次分析法设定“清水混凝土外观性能评价”为一级指标；“混凝土表面色泽一致性”、“混凝土外表气泡”、“混凝土表面平整度”、“混凝土外观缺陷”4个因素为二级指标；混凝土外观色泽一致性、混凝土气泡的最大直径、混凝土气泡的最大深度、混凝土气泡的数量、混凝土表面的平整度、裂缝、外表缺陷、外形缺陷8个定量指标为三级指标。

2.2.1 清水混凝土外观性能的评价指标权重的确定

首先，把三级指标相对于二级指标的重要性实行两两比较得出判断矩阵后，运用EVM方法求出各项评价指标的权重系数。其中，混凝土气泡的大小与数量因素以及混凝土外观缺陷因素的各指标权重系数的具体数值见表2、表3。

表2 混凝土气泡的大小与数量评价指标的判断矩阵

表3 混凝土外观缺陷评价指标的判断矩阵

其次，把各二级指标相对于一级指标的重要性进行相互比较，得出相对应的判断矩阵，并用EVM方法求出各项评价指标的权重系数，具体数值见表4。

表4 清水混凝土外观性能评价指标的判断矩阵

通过汇总表2～表4的计算结果得到清水混凝土外观性能评价的各级指标权重系数，具体数值见表5。

表5 清水混凝土外观性能评价指标的权重值

2.2.2 清水混凝土外观性能的综合评价结果

为了能更直观地对清水混凝土外观性能进行综合评价，依据清水混凝土外观性能的具体情形和前述制定的分类和标准，将清水混凝土外观性能划分为4个区间，分别为不合格、合格、良、优，对应的分值区间为[0，70）、[70，80）、[80，90）、[90，100]。其得分按下式进行计算：

式中：W1——一级指标得分，即清水混凝土外观性能综合评分；

W2i——第i个二级指标得分；

W3j——第j个三级指标的专家评分；

αi——第i个二级指标对一级指标的权重系数；

βj——第j个三级指标对二级指标的权重系数。

3 金鹰广场清水混凝土应用实例

长沙金鹰大厦前广场改造项目是湖南省广电中心2016年的重点工程，是第十一届中国金鹰电视艺术节的主场地之一。此项目总用地面积约6.6万m2，总建筑面积约12万m2，项目为集停车、交通、人防等功能于一体的下沉式广场，拟建地下三层，地面为城市花园式广场，项目总投资约8亿元。整个工程商品混凝土方量达7万m3，所有竖向结构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浇筑量达到3万m3，强度等级为C40。

为确保清水混凝土的外观效果，在固定原材料的基础上结合实际经验设计了4组配合比进行比选，配比见表6。水泥为湖南海螺水泥有限公司生产的P·O42.5水泥；粉煤灰为岳阳煤灰电厂生产的Ⅱ级煤灰；矿粉为湖南三泓建材科技有限公司生产的S95级矿粉；细骨料为湘江产河砂，细度模数2.7；粗骨料为宁乡县大屯营粟米托石灰石场5～20 mm碎石；外加剂为岳阳东方雨虹CR-P402聚羧酸减水剂。所有材料各项指标均符合现行规范的要求。

表6 C40清水混凝土比选配比 kg/m3

首先成型150 mm×150 mm×600 mm的长方体试块[见图1（a）]，然后采用层次分析法进行外观评价，结果如表7所示。通过比选最终确定最优配比1#为生产配比，并制作了清水混凝土样板墙进行验证[见图1（b）]，结果取得了不错的效果。

图1 清水混凝土长方体试块及样板墙

表7 清水混凝土各级指标得分及综合得分情况

4 结语

清水混凝土因其独特的特点已得到了广泛的青睐，但JGJ 169—2009中并没有给出清水混凝土外观性能的综合评价方法，只是在质量验收中对混凝土外观性能的各个项目提出了一些宽泛的要求，且其检验方法多数是靠观察，人为因素影响较大。因此，提出了基于层次分析法的清水混凝土外观性能评价方法，此法弥补了规程中验收方法存在的不足，又较采用图像处理技术分析评价等方法简单实用，可操作性强，并成功应用于长沙金鹰大厦清水混凝土项目的配比优化，而后期验收工作则采用此方法进行抽检评价。

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