屋面防水耐久处理混凝土配合比研究

摘 要：为了提高混凝土的防水性能和耐久性，本文探讨了不同配合比设计对混凝土防水耐久性能的影响。本研究通过试样制备、性能测试和决策树算法分析，研究了水灰比和骨料用量对混凝土性能的关键作用，并进行水压渗透试验、抗压强度测试以及冻融循环试验等多项性能评估。研究结果显示，在不同水灰比和骨料用量组合下，混凝土性能呈现明显的二级分化效果，高水灰比和骨料含量多能使混凝土防水性能更好，验证了高水灰比与高骨料比例混凝土能提升耐久性。

关键词：屋面防水；防水耐久；混凝土浇筑；混凝土配合比

中图分类号：TU 528" 文献标志码：A

混凝土作为常用的建筑材料，在屋面防水中扮演着重要角色，吸引了相关领域的研究者。易传斌等[1]研究了不同憎水剂对隧道溶腔填充泡沫混凝土的防水性能影响。结果显示，单掺硅氧烷可显著提高泡沫混凝土的干密度与抗压强度，改善防水性能和孔隙结构。苏昂等[2]针对江阴靖江长江隧道工作井底板混凝土自防水问题进行研究，成功调控混凝土抗裂性能，保证了工作井底板的防水效果。张世杰[3]推荐采用悬浮－密实型沥青混凝土作为防水封闭结构，并通过马歇尔稳定度试验设计配合比，达到良好的防水保护效果。张坚等[4]通过多场耦合机制评估和抗裂性施工方法，成功降低侧墙混凝土开裂风险。叶武平等[5]对防水抗渗泡沫混凝土制备及在墙板中应用进行了研究。结果显示复合掺合料和憎水剂共同作用可提高泡沫混凝土的抗渗性能。汤继新等[6]研究了宁波地铁车站混凝土刚性自防水技术，并成功对混凝土抗裂性能进行精确调控。

1 不同混凝土配合比试验

1.1 试样制备

在混凝土材料的研究中，合理的配合比是保证其性能优越性的关键之一。根据实践参数要求，制作混凝土试件，并计划进行一系列细致的防水和耐久性能测试。设计方案涉及不同水灰比和骨料用量组合，这些参数对混凝土的力学性能和耐久性能具有重要影响。本文选取了10%～20%的水灰比和10%～16%的骨料用量作为试验组合，共100个组合，用于制备混凝土样品，以便后续研究和测试。

根据设计方案制备一系列混凝土样品，这些样品按照150mm×150mm×150mm立方体尺寸标准加工而成。每个样品表示特定配合比下混凝土材料的特征，对不同水灰比和骨料用量进行系统性试验有助于评估混凝土材料在不同配合条件下的表现。每个试验组合都经过仔细测量和控制，保证其符合预定参数要求。这些样品将成为后续测试阶段的关键对象。

1.2 性能测试

试验采用水压渗透试验方法对每个试验组合制备的混凝土样品进行抗渗性测试。试验使用原材料和精确称量来制备混凝土，在搅拌过程中，须严格控制水灰比和骨料用量，将混凝土均匀地倒入预先涂有防粘剂的模具内，并采取振实措施保证密实性。

对每组作出标记加以区分，便于识别其来源。其中，抗压强度测试采用万能试验机等设备，在标准化条件下逐渐增加荷载来测定混凝土样品受力过程中产生破坏或变形时承受的最大荷载值。同时，试验将对各组合下制备的混凝土样品进行冻融循环试验，低温暴露与高温干燥交替进行，旨在模拟真实环境中可能遇到的恶劣条件，评估混凝土材料在长期使用过程中是否会出现损坏或劣化现象。在每轮周期结束后，对各组件表面进行详细检查，包括观察是否出现裂纹、颜色变化等情况，通过这些循环操作及观测数据收集来评估混凝土材料在不断重复的冻融过程中所表现的稳定性和耐久性。

通过收集大量数据并进行详尽分析，得到关于不同配比条件下混凝土材料防水性能和耐久性能表现的综合评价。

1.3 测试结果

对不同水灰比和不同骨料用量的组合制备试样进行性能测试，结果呈现显著的二级分化效果，整理各个指标的水灰比与骨料用量形成散点图，为区分防水性能，分别赋值为0与1，其结果如图1所示。

水灰比作为控制混凝土中水泥胶体含量的重要参数，直接影响混凝土的工作性能、抗压强度和耐久性等指标。水灰比较高通常说明更多的水泥胶体被激活，使混凝土更易于流动、充实，在一定程度上提高了抗渗透性能，因此在较高水灰比条件下制备的混凝土试样通常能够通过防水耐久测试。当水灰比较低时，可能会导致混凝土内部孔隙结构过大、流动性差、抗压强度不足等问题。此时混凝土容易受到外部环境侵蚀，例如渗透物质易穿透到混凝土内部从而引起腐蚀或者破坏。因此，在水灰比较低的条件下制备的样品通常难以通过防水耐久测试。

骨料用量对混凝土试样的性能同样具有重要影响。适量的骨料可以增加混凝土内部密实度、改善力学性能，并且有利于分散和传递荷载。因此，在较高骨料用量条件下制备的混凝土试样往往具有更好的抗压强度和抗渗透性能，更容易通过各项耐久测试。然而，当骨料用量较低时，可能出现混凝土内部孔隙率增加、力学性能下降等问题。这会导致试样整体强度不足、易受外界环境侵蚀等情况发生，导致这类样品难以通过相应耐久测试。

2 防水耐久性能预测

上述试样的测试数结果反映了在有限的水灰比-骨料搭配条件下差异性的防水耐久性能组合，可以通过算法分析进一步寻求防水耐久性能突变的边界，本文采用决策树算法进行数据分析。

2.1 算法概述

设模型基于测试结果形成样本数据集如公式（1）所示。

D=（X，Y） （1）

式中：D为样本集；X包括水灰比和骨料两个特征维度，表示混凝土材料的特定属性；Y为对应的类别标签，表示防水性能是否达到标准。这个样本训练集通过递归地将数据集划分为更小的子集来构建树结构，每次划分选择信息增益最优的特征作为节点。因此需要计算信息增益，如公式（2）所示。

（2）

式中：I（）是信息增益；E（ ）为信息熵；V为特征X的取值数量，即2；Dv为特征A取值为V的子节点的数据集。

其中，信息熵定义如公式（3）所示。

（3）

信息增益越高，表示划分该特征后，父节点和子节点的不确定性减少。

基于此类不同指标衡量迭代，按照公式（2）将样本D划分为两类，相应将当前特征划分节点后子节点两分裂样本，按顺序计算全部可能分裂结果信息增益 I（），选择最优信息增益进行分裂。重复分裂过程递归至样本完全分类或无法获取特征值用于分类，就停止分类。将原始数据整理成决策树，得出以下分析结果。

2.2 决策树分析结果

模型使用Matlab中的fitctree函数创建并训练了决策树分类器tree。这个模型通过学习数据集中特征与类别之间的关系，建立了一个决策树模型。综合考虑水灰比和骨料用量两个参数对混凝土性能所产生的综合影响，在不同配合比条件下形成了明显二级分化效果，其决策树模型如图2所示。

对决策树的结果进行分析，可以更深入地理解水灰比和骨料用量这两个关键参数在混凝土性能测试中的作用。决策树结果呈现明显的趋势分化，在高水灰比条件下，即使骨料用量较低，混凝土试样仍然有可能通过防水耐久测试。说明在水灰比较高的情况下，水泥胶体含量较多，使混凝土具有更好的流动性和充实性，从而提高了抗渗透性能。因此，即使骨料用量不是很高，在这种情况下仍然可以达到较好的防水效果。而在水灰比较低的条件下，由于低水灰比导致混凝土内部孔隙结构过大、流动性差等，因此若骨料用量相对较低，则试样无法通过防水耐久测试。在这种情况下，即使骨料用量不高也无法弥补混凝土本身因水泥胶体含量不足而导致的缺陷。

对决策树结果进行深入分析可以发现，在不同条件下，水灰比和骨料用量之间存在复杂而重要的相互作用。它们共同影响混凝土试样在防水耐久测试中的表现，并且呈现出明显的二级分化效果。

混凝土配合比设计的关键在于理解不同参数之间的相互作用，并相应进行有效预测和优化。决策树分析不仅可以揭示水灰比和骨料用量对混凝土性能的影响，还可以通过整体数据散点结果的决策边界分析来进一步验证这些关系。

2.3 决策边界可视化结果

基于水灰比和骨料用量影响防水性能情况的原始数据，使用决策树算法分析形成决策边界，即决策树结构的分析结果。为了可视化决策边界，模型生成了一个网格点阵列，覆盖了特征空间内所有可能的点。对这些网格点进行预测，模型得到每个点所属类别的预测结果。由此分别对决策边界两侧位置进行填色处理，结果如图3所示。

对整体数据散点结果进行决策边界分析，可以看到在不同水灰比和骨料用量组合下，混凝土试样性能呈现出明显差异。这些决策边界可以划分不同性能水平的区域，并预测在给定条件下混凝土的性能特征。这种定量化的分析方法为工程实践提供了重要参考，使工程师们能够更好地选择合适的配合比设计方案以满足特定要求。决策边界分析还有助于揭示各参数之间复杂而重要的相互关系。通过观察不同参数取值下的分类边界变化，可以更好地理解水灰比和骨料用量对混凝土性能所产生的影响方式。这种细致而全面的数据挖掘过程可以帮助优化配合比设计，并提高混凝土结构物件质量。

决策边界分析是一种有效的数据挖掘技术，它能够找到不同参数取值下的分类边界，从而预测其对应的性能表现。在混凝土配合比设计中，决策边界分析结果显示出明显的优点，它能够有效预测不同混凝土配合比条件下的性能影响，并为工程实践提供可靠的数据分析结果和指导方案。整体数据散点结果的决策边界分析为工程提供了一种全面且可靠的方法，可以理解不同混凝土配合比条件下性能表现之间的复杂关系。这种方法不仅可以有效预测混凝土性能，在实践中还为工程师提供了重要指导方案，协助制定更加科学、可靠且符合实际需求的配合比设计方案。只有充分利用数据挖掘技术，并结合专业知识与实践经验，在建筑工程领域才能取得更大突破与进步。

3 结语

本文在混凝土配合比设计的研究中，对水灰比和骨料用量等关键参数进行分析，制备了一系列混凝土样品，并进行了多项性能测试。决策树算法作为数据分析工具，在揭示参数之间相互作用及影响规律方面发挥着重要作用。对决策树结果进行解读可以明确水灰比和骨料用量在混凝土防水性能中的作用，并发现其复杂而重要的相互关系。研究发现，在高水灰比条件下，即使骨料用量较低也可达到良好的防水效果，而低水灰比则需要更高骨料用量以满足要求。这种二级分化效果揭示了参数之间的相互影响，为优化配合比设计提供了宝贵经验。

参考文献

[1] 易传斌，侯勇，雷杨，等. 隧道溶腔填充泡沫混凝土的防水性能及细观特征[J].铁道建筑，2023，63（10）：136-140.

[2] 苏昂，李明，徐思睿，等.江阴靖江长江隧道工作井底板混凝土自防水技术与应用[J].混凝土，2023（4）：180-183，187.

[3] 张世杰.铁路沥青混凝土防水封闭结构防水性能研究[J].铁道建筑，2021，61（5）：66-69.

[4] 张坚，常伟，叶守杰，等.滨海环境地下车站侧墙混凝土抗裂防水技术研究[J].城市轨道交通研究，2021，24（5）：217-221，226.

[5] 叶武平，曹力强，梁瑞华，等.防水抗渗泡沫混凝土的制备及在墙板中的应用[J].混凝土，2021（4）：122-124，128.

[6] 汤继新，周俊宏，王育江，等.宁波地铁车站混凝土刚性自防水技术研究及应用[J].新型建筑材料，2020，47（9）：49-53，93.