混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：2024-12-12　　　　字號：【大 中 小】

0引言

混凝土配合比設(shè)計(jì)是配制混凝土?xí)r涉及到的最基本也是最關(guān)鍵的問題。只要有混凝土原材料和設(shè)備，就能配制混凝土，但原材料的種類、性質(zhì)和用量會影響混凝土的性能、質(zhì)量與成本，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。所以，混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)原材料的種類和性質(zhì)，確定其用量，使配制好的混凝土既有一定的經(jīng)濟(jì)性，又能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和耐久性。

1基于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法

1.1傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

最早的混凝土配合比設(shè)計(jì)可追溯到兩千多年前，古羅馬建筑師Vitruvius提出的“蓄水池應(yīng)由五份潔凈的礫砂、兩份強(qiáng)度極高的快熟石灰和每塊重量不超過一磅的熔巖碎片組成，這是純經(jīng)驗(yàn)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法C/(W+A)。從19世紀(jì)末開始，陸續(xù)有學(xué)者提出關(guān)于混凝土強(qiáng)度的表達(dá)式，使混凝土配合比設(shè)計(jì)由純經(jīng)驗(yàn)法轉(zhuǎn)為半經(jīng)驗(yàn)法。

如法國學(xué)者Feret于1896年提出的混凝土的強(qiáng)度公式，F(xiàn)eret認(rèn)為混凝土強(qiáng)度是C/(W+A)(C，A分別為水泥、水、空隙的絕對體積)的函數(shù)；美國學(xué)者Abrams于1918年提出的水灰比定則f_c=K₁/K₂^W/C(W/C分別為混凝土抗壓強(qiáng)度、經(jīng)驗(yàn)常數(shù)、由混凝土種類決定的常數(shù)、水和水泥的質(zhì)量比)，指出原材料一定時(shí)，混凝土強(qiáng)度完全由水灰比決定；瑞士學(xué)者Bolomy基于Abrams提出的水灰比定則提出了保羅米公式：f_cu,p=Af_ce(C/W－B)，其中(f_cu,p，f_ce，C/W，A，B分別為混凝土抗壓強(qiáng)度、水泥強(qiáng)度、灰水比、回歸系數(shù))。根據(jù)保羅米公式進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，思路比較明確，過程相對簡單，俄羅斯、日本和我國都將這個公式作為普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本公式。根據(jù)保羅米公式確定混凝土配合比，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值確定水灰(膠)比，然后根據(jù)骨料粒徑和施工要求的坍落度，由經(jīng)驗(yàn)性表格確定用水量和砂率，最后用體積法或者質(zhì)量法計(jì)算砂、石的用量，這種方法主要考慮的是混凝土的工作性和強(qiáng)度，沒有考慮混凝土的耐久性，隨著各種摻合料及外加劑的廣泛使用，混凝土強(qiáng)度已不再僅僅依賴于水泥強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度與水灰比之間的關(guān)系也變得更復(fù)雜。

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，可用于配制混凝土的原材料也越來越多，工程施工條件越來越復(fù)雜，混凝土施工工藝也變得多樣化，同時(shí)，人們進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，也更加注重經(jīng)濟(jì)性和耐久性。國內(nèi)外學(xué)者從不同的出發(fā)點(diǎn)對混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究，提出了許多配合比設(shè)計(jì)方法，其中有些仍然是半經(jīng)驗(yàn)性的，如基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法、基于緊密堆積理論的設(shè)計(jì)方法、基于漿骨比的設(shè)計(jì)方法等；有些是基于理論計(jì)算的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如全計(jì)算法、基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法等。

1.2基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

Metha和Aitcin提出了一種基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。根據(jù)這種方法計(jì)算混凝土配合比時(shí)首先假定漿骨比為35:65，砂石比(體積比)為2:3，減水劑摻量為1%，含氣量為2%，然后根據(jù)計(jì)算出的配合比拌制混凝土以確定混凝土的狀態(tài)，再根據(jù)拌制出的混凝土狀態(tài)及工程需要的工作性和強(qiáng)度對初步計(jì)算的混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，然后再試拌，如此循環(huán)，直至拌制出的混凝土滿足要求。這種方法使用時(shí)方便快捷，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，獲得廣泛的應(yīng)用。

Aitcin參考ACI2111中的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果對文獻(xiàn)中提出的方法做了一些改進(jìn)，利用諾模圖確定水膠比，根據(jù)高效減水劑的飽和點(diǎn)確定用水量，計(jì)算含氣量為1.5%時(shí)粗細(xì)骨料的用量，再根據(jù)測定的試拌混凝土中的含氣量對配合比進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)這種方法配制混凝土具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

韓建國等在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過建立混凝土強(qiáng)度與有效水灰比，粗骨料松堆體積與砂率和粉煤灰水化活性因子之間的函數(shù)關(guān)系，確定了混凝土中膠凝材料、水、粗細(xì)骨料之問的聯(lián)系，提出了一種系統(tǒng)化的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。這種方法易于程序化、適用范圍寬泛、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)這種配合比設(shè)計(jì)方法配制的混凝土的抗壓強(qiáng)度的實(shí)測值與設(shè)計(jì)值的一致性較好。

1.3基于緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

吳中偉院士早在1955年就提出了基于最大密度或緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法：將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)砂石混合后的空隙率確定最佳砂石比，然后依據(jù)絕對體積原理通過試拌法確定水泥漿富余系數(shù)，再配制混凝土。

Toralles Carbonari提出的方法與吳中偉的理論類似，他的觀點(diǎn)是：將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系，然后分別對這兩個體系進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得最佳的混凝土配合比。利用這種方法設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，首先確定水膠比、摻合料用量和減水劑用量，然后將細(xì)骨料和粗骨料按不同的比例混合后測定空隙率，選空隙率最小時(shí)的比例為最佳砂石比，最后根據(jù)測定的最小空隙率確定水泥漿用量，在0%～10%的范圍內(nèi)選擇幾個不同的水泥漿富余系數(shù)。然后根據(jù)計(jì)算出的幾個混凝土配合比配制混凝土，測定每組}昆凝土的坍落度和力學(xué)性能，選定工作性能和力學(xué)性能都滿足要求的一組混凝土的配比作為最終配合比。

張姣龍等人針對現(xiàn)行普通混凝土的常規(guī)技術(shù)性能要求，以現(xiàn)行的混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，研究了一種基于緊密堆積理論的配合比設(shè)計(jì)方法，這種方法的關(guān)鍵是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出混凝土強(qiáng)度與最佳砂率之間的關(guān)系及混凝土強(qiáng)度與漿骨比之間的定量關(guān)系。此方法具有系統(tǒng)化、程序化的特點(diǎn)，依據(jù)此方法配制的混凝土在經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢。

王立久教授對混凝土的緊密堆積理論做了系統(tǒng)的研究。提出了密實(shí)度系數(shù)的概念，指出可以用粗骨料最大粒徑和集灰比來表征密實(shí)度系數(shù)，隨后又提出了基于密實(shí)度系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，并用大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這種方法既具有理論研究價(jià)值，也具有一定的工程適用性。2012年，他又研究了混凝土的最佳砂率數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)方法建立了最佳砂率計(jì)算公式，指出最佳砂率和最佳砂灰比之間呈雙曲線關(guān)系，確定最佳砂率的本質(zhì)就是確定砂灰比，并引用相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上述理論。

廉慧珍教授等指出，利用基于緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法配制的混凝土的工作性不太理想，進(jìn)而會影響到混凝土的耐久性。經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，廉慧珍、韓小華提出了基于工作性要求的配合比設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)證明按照這種方法配制的混凝土，其工作性和強(qiáng)度都能滿足實(shí)際工程的需要。

1.4基于漿骨比的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

漿骨比對新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有決定性作用。廉慧珍教授認(rèn)為，漿骨比是保證混凝土力學(xué)性能的核心因素，應(yīng)使用等漿體體積法對混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，以保持漿骨比不變。

劉廣同、張寶生等人指出利用傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的配合比，盡管通過適配調(diào)整，也不一定是最優(yōu)的，他們通過骨料試配，得到最佳漿骨比及最緊密堆積的骨料，利用現(xiàn)有規(guī)律建立了基于最佳漿骨比的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。王國友等人采用漿骨比法確定了C70泵送混凝土配合比，這種方法工作量小，設(shè)計(jì)周期短，對和易性和耐久性的控制優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。

2基于解析的計(jì)算方法

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和交叉學(xué)科的發(fā)展，混凝土科學(xué)正從經(jīng)驗(yàn)方法深人到理論研究、從定性到定量轉(zhuǎn)變，在此基礎(chǔ)上，人們提出了一些基于解析的計(jì)算方法。

2.1全計(jì)算法

陳建奎和王棟民首次建立了普遍適用的混凝土體積模型，推導(dǎo)出用水量計(jì)算公式和砂率計(jì)算公式，再結(jié)合傳統(tǒng)的水灰比定則及最佳漿骨比(35:65)，實(shí)現(xiàn)了混凝土全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)，這種方法已經(jīng)應(yīng)用到了北京、廈門、珠海等地的一些工程并取得了較好的效果。姜德民用全計(jì)算法設(shè)計(jì)了自密實(shí)混凝土配合比并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，配制的混凝土具有良好的工作性和力學(xué)性能。丁抗生利用軟件創(chuàng)建了全計(jì)算法的設(shè)計(jì)模板，利用這個模板能夠很快計(jì)算出很實(shí)用的系列化的配合比設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了全計(jì)算法的優(yōu)越性。

2.2智能化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

對混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能夠節(jié)約原材料，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益。人們將正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等應(yīng)用到混凝土配合比設(shè)計(jì)中，提出了優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。

張繼先提出了一種單目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，其主要步驟為：1)進(jìn)行大量的混凝土試驗(yàn)及性能測試；2)對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立混凝土組成和性能之間的預(yù)測方程，將其轉(zhuǎn)化成以矩陣表達(dá)的約束方程；3)建立以混凝土成本價(jià)格為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；4)用非線性規(guī)劃的單純形法求得各組成材料用量；5)根據(jù)骨料含水量及吸水率對配合比進(jìn)行調(diào)整。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于使混凝土性能滿足要求的前提下，成本最低。

畢秀鞍等人利用均勻設(shè)計(jì)方法對混凝土配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。他們借助SPSS軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以碳纖維增強(qiáng)高性能混凝土的最大抗壓和劈拉強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程，利用MATLAB對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理得到了最佳配合比，通過驗(yàn)證性試驗(yàn)證明，利用這種方法得到的優(yōu)化配合比可信可靠，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與均勻設(shè)計(jì)相結(jié)合利用于混凝土配合比設(shè)計(jì)中是可行的。

王繼宗等人提出了基于遺傳算法的高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。他們從成功的混凝土配合比數(shù)據(jù)中，歸納出各種原材料用量的取值范圍，建立了以混凝土材料的成本為優(yōu)化目標(biāo)的函數(shù)，并將約束優(yōu)化的數(shù)學(xué)歸化問題轉(zhuǎn)化成了遺傳算法模型，編程計(jì)算獲得了最優(yōu)解。通過工程實(shí)例證明，在滿足強(qiáng)度和坍落度性能要求的前提下，與優(yōu)化前的混凝土配合比相比，優(yōu)化后原材料的成本降低了18.8%。

3結(jié)語

隨著混凝土科學(xué)技術(shù)及交叉學(xué)科的發(fā)展，混凝土配合比設(shè)計(jì)的方法也越來越多，由僅根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的配合比設(shè)計(jì)方法到智能化的配合比設(shè)計(jì)方法，混凝土配合比設(shè)計(jì)理論越來越完善。目前各種混凝土配合比設(shè)計(jì)方法都有自己的針對性和側(cè)重點(diǎn)，沒有一種混凝土配合比設(shè)計(jì)方法對所有的混凝土都適用，因此，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要選擇合適的配合比設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到合理利用材料，降低工程造價(jià)的目的。

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混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

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