基于K近鄰算法的高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)

摘 要：針對(duì)摻合料種類繁多，無法適應(yīng)粘結(jié)界面的粗糙度，降低了抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度問題，從不同硅灰摻量、鋼纖維摻量、粉煤灰摻量角度，制備不同配合比條件的高粘結(jié)性能混凝土試件，將不同配合比摻量數(shù)據(jù)作為K近鄰算法的輸入，以適應(yīng)粘結(jié)界面的粗糙度，計(jì)算新配比樣本與參考配比樣本配比特征的歐幾里得距離，將距離最小的參考配比樣本中混凝土抗壓強(qiáng)度作為新配比樣本中混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值，提高抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，硅灰摻量、鋼纖維摻量、粉煤灰摻量分別是25%、4%、10%時(shí)，高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：K近鄰算法；高粘結(jié)性能；抗壓強(qiáng)度；超高性能混凝土；配合比

中圖分類號(hào)：TQ177.6 + 8；TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）03-0024-04

Prediction of compressive strength of concrete with highcohesive properties based on K-nearest neighbor algorithm

WU Xiaoyuan，LIU Yan

（Ningxia Vocational and Technical College，Yinchuan 750001，China）

Abstract：In view of the wide variety of admixtures，which cannot adapt to the roughness of the bonding interfaceand reduce the prediction accuracy of compressive strength，concrete specimens with high bonding performance un?der different mix conditions were prepared from the perspectives of different silica fume content，steel fiber contentand fly ash content，and the data of different mix ratios were used as the input of the K-nearest neighbor algorithm toadapt to the roughness of the bonding interface，and the Euclidean distance between the new ratio sample and thereference ratio sample was calculated. The compressive strength of concrete in the reference ratio sample with thesmallest distance was used as the predicted value of concrete compressive strength in the new ratio sample to im?prove the prediction accuracy of compressive strength. The test results showed that when the silica fume，steel fiberand fly ash content were 25%，4% and 10%，respectively，the compressive strength of concrete with high bondingperformance is better.

Key words：K-nearest neighbor algorithm；high adhesive performance；compressive strength；ultra high performanceconcrete；mix ratio

在高粘結(jié)性能混凝土中，粘結(jié)界面的特性對(duì)混凝土的性能具有重要影響 [1] 。因此，研究粘結(jié)界面的特性及與混凝土性能之間的關(guān)系成為研究的重點(diǎn)。

使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和識(shí)別不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響 [2] 。將天牛須搜尋算法（BAS）與多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MLP）相結(jié)合，用于預(yù)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，該方法可提高混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度 [3] 。以CFRP約束混凝土的抗壓強(qiáng)度，與多個(gè)因素間存在復(fù)雜非線性關(guān)系，傳統(tǒng)模型難以準(zhǔn)確描述。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用于學(xué)習(xí)這種非線性關(guān)系以預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度 [4] 。探討基于混合極限學(xué)習(xí)機(jī)與灰狼優(yōu)化的混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法 [5] 。

在以上研究方法的基礎(chǔ)上，提出基于K近鄰算法的高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。K近鄰算法能夠根據(jù)已知的混凝土樣本及其對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)具有類似特性的新混凝土樣本抗壓強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

超高性能混凝土抗壓性能顯著，具有非常高的黏度和硬度 [6-8] 。以特殊混凝土配合比為基礎(chǔ)，使用極細(xì)級(jí)別的礦物、鋼纖維、高性能粉末和特殊的化學(xué)添加劑等材料精制而成 [9] 。此類混凝土主要應(yīng)用領(lǐng)域包括橋梁、鋼筋混凝土構(gòu)件、地鐵隧道襯砌等 [10] 。為研究此類高粘結(jié)性混凝土抗壓強(qiáng)度，首先制備高粘結(jié)性混凝土試件。

（1）膠凝材料。膠凝材料使用C60級(jí)別硅酸鹽水泥（上海賽可銳生物科技有限公司）、硅灰（洛陽匯矽硅灰有限公司）。2種材料的化學(xué)成分與物理特性如表1所示。

硅灰材料的合理使用，能夠改善混凝土結(jié)構(gòu)性能，提高其粘結(jié)性 [11] 。硅灰中活性成分易和混凝土材料出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，形成更加緊密結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)混凝土粘結(jié)力 [12] 。這種粘結(jié)力的提高，有助于減少混凝土內(nèi)部的微裂縫和缺陷，進(jìn)一步提高其抗壓強(qiáng)度。

（2）骨料。試驗(yàn)使用石英粉（濟(jì)南晴天化工科技有限公司）與硅砂（沂南縣運(yùn)隆硅砂有限公司）作為骨料，硅砂的二氧化硅含量與含水量分別大于96%、小于2%。石英粉的粒徑均值是0.046 mm，把硅砂篩分為[0.85 mm，0.4 mm]、[0.4 mm，0.2 mm]、[0.2 mm，0.1 mm]3種粒徑，以質(zhì)量比3∶3∶1的比例混合用于混凝土制備。

（3）減水劑。減水劑（佛山市古粵新型材料有限公司）的材料信息如表2所示。

（4）鋼纖維。鋼纖維的加入可以有效地分散混凝土內(nèi)部的應(yīng)力，減少裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高高粘結(jié)性能混凝土的韌性 [13-14] 。這種韌性的提高有助于增強(qiáng)混凝土的粘結(jié)性，使其在面對(duì)外力作用時(shí)能夠保持更好的整體性 [15-16] 。所應(yīng)用鋼纖維（山東永利達(dá)新材料技術(shù)有限公司）的性能參數(shù)如表3所示。

（5）粉煤灰。粉煤灰（武漢吉業(yè)升化工有限公司）微珠的具體信息如表4所示。

1.2 高粘結(jié)性能混凝土試件配合比設(shè)計(jì)

高粘結(jié)性能混凝土試件配合比設(shè)計(jì)詳情如表5所示，各個(gè)試件大小是105 mm×105 mm×105 mm。

1.3 混凝土試件制備與養(yǎng)護(hù)方法此制備方法屬于二次攪拌制備方法，也叫做水泥裹砂法。在攪拌機(jī)（北京博維恒力液壓技術(shù)有限公司）中加入硅砂與水并控制其含水率，攪拌2.5 min，使硅砂充分濕潤(rùn) [17] ；加入膠凝材料和石英粉，并攪拌3.5 min；再放入減水劑和水?dāng)嚢?.5 min靜置后，手動(dòng)攪拌4.5 min，加入鋼纖維再次攪拌5.5 min即可 [18] ，由此完成對(duì)高粘結(jié)性能混凝土試件的制備。

試件制備后，放在振動(dòng)臺(tái)（滄州億軒試驗(yàn)儀器有限公司）中振動(dòng)50次，在混凝土試件表面覆膜并放在18 ℃溫度條件中，養(yǎng)護(hù)24 h拆模，再放在20 ℃溫度的養(yǎng)護(hù)室（獻(xiàn)縣瑞澤建筑設(shè)備廠）中養(yǎng)護(hù)至對(duì)應(yīng)齡期，使用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南瑞克斯測(cè)控技術(shù)有限公司）對(duì)試件施加荷載。

1.4 基于K近鄰算法的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)

K近鄰算法（KNN）的關(guān)鍵在于：識(shí)別待測(cè)混凝土樣本在特征上，最為接近的K個(gè)已知樣本（或稱為“鄰居”），并基于這些鄰居樣本的抗壓強(qiáng)度，來估算測(cè)試樣本的抗壓強(qiáng)度。

（1）結(jié)合已知高粘結(jié)性能混凝土試件配合比特性數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)參考集合是 R ， R 中分為 j 個(gè)高粘結(jié)性混凝土制備樣本集合，各樣本存在 n 個(gè)特征向量（輸入配比變量 y n ）與抗壓強(qiáng)度變量 x ，則：

（2）初始化 K 值，在K近鄰算法預(yù)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)， K 值表示的是用于預(yù)測(cè)新樣本抗壓強(qiáng)度的鄰近樣本數(shù)量。

（3）設(shè)定制備的高粘結(jié)性能混凝土配比變量特征向量是 y w （下文簡(jiǎn)稱配比特征向量），運(yùn)算特征向量 y w 和集合 R 中參考樣本配比特征向量 y n 的歐幾里得距離：參考樣本配比特征向量 y n 的第 i 個(gè)分量。

（4）將運(yùn)算獲取的測(cè)試樣本配比特征向量、參考樣本特征向量之間歐幾里得距離，按照大小順序排序，在參考集中篩選得到 K 個(gè)和 y w 距離最小的參考樣本，輸出這 K 個(gè)參考樣本配比特征向量對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度輸出結(jié)果 x= [ ] x 1 x 2 x K ，作為測(cè)試樣本的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果。

（5）如果測(cè)試樣本在參考樣本集合中，出現(xiàn)多個(gè)距離值相近的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果，則由最大投票原則，將投票數(shù)最大的參考樣本抗壓強(qiáng)度設(shè)成最終預(yù)測(cè)結(jié)果 x ″ k ， k?K 。

2 結(jié)果與討論

將其3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為K近鄰算法學(xué)習(xí)樣本，用于設(shè)置K值。3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別是不同硅灰摻量、鋼纖維摻量、粉煤灰摻量條件中高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)樣本，將樣本數(shù)據(jù)混合后，運(yùn)算各K值下，K近鄰算法對(duì)高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效果。詳情如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)K值取值為4時(shí)，K近鄰算法預(yù)測(cè)誤差最小。為此，將K近鄰算法的K值設(shè)成數(shù)值4。

K近鄰算法結(jié)合參考樣本與測(cè)試樣本之間距離，進(jìn)行不同配比條件下混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

將試件的配比條件作為K近鄰算法的測(cè)試樣本，由K近鄰算法預(yù)測(cè)制備混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。

預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2可知，硅灰摻量不同時(shí)，高粘結(jié)性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)變化，當(dāng)硅灰摻入量合理時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度數(shù)值增大，7 d與28 d抗壓強(qiáng)度隨之增大，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能得到保證。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，硅灰的最優(yōu)摻量是25%，此時(shí)高粘結(jié)性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

由圖3可知，為保證高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度滿足使用需求，需嚴(yán)格控制鋼纖維的摻入量，鋼纖維在混凝土中起到橋接和增強(qiáng)作用，能夠有效約束混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展，從而提高混凝土抗壓性能。鋼纖維含量為4%時(shí)，高粘結(jié)性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

由圖4可知，高粘結(jié)性能混凝土的抗壓強(qiáng)度最大值體現(xiàn)于粉煤灰摻量為10%。此時(shí)粉煤灰中活性成分與混凝土中氫氧化鈣易出現(xiàn)反應(yīng)，出現(xiàn)膠凝性物質(zhì)，從而增強(qiáng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在粉煤灰摻量大于10%后，高粘結(jié)性能混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸變小。

為分析使用K近鄰算法對(duì)高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效果，將參考樣本實(shí)測(cè)值與測(cè)試樣本的預(yù)測(cè)值進(jìn)行誤差分析，3種工況中K近鄰算法對(duì)高粘結(jié)性能混凝土的抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)誤差散點(diǎn)圖如圖5所示。

由圖5可知，3種工況中K近鄰算法對(duì)高粘結(jié)性能混凝土的抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)誤差都處于基準(zhǔn)線周圍，表示預(yù)測(cè)結(jié)果與參考樣本的實(shí)測(cè)值匹配，抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)誤差控制在[-2.5，2.5] MPa，基本處于基準(zhǔn)線之上，表示預(yù)測(cè)誤差極低。

3 結(jié)語

高粘結(jié)性能混凝土在建筑、道路、橋梁和隧道等工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。它可以用于制作預(yù)制構(gòu)件，如墻板、樓板等，提高構(gòu)件的強(qiáng)度和延性，減少破損和開裂。為保證其使用效果，研究基于K近鄰算法的高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，在不同制備摻量條件中，預(yù)測(cè)制備的高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，高粘結(jié)性能混凝土抗壓強(qiáng)度在硅灰摻量、鋼纖維摻量、粉煤灰摻量分別是25%、4%、10%時(shí)，性能較佳。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化混凝土配比、提高工程質(zhì)量和降低成本具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：蘇 幔）