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混凝土配合比設(shè)計方法的研究進展

 

發(fā)布時間:2024-12-12    字號:【

 0引言

混凝土配合比設(shè)計是配制混凝土時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,進而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和經(jīng)濟性。所以,混凝土配合比設(shè)計的關(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)濟性,又能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的強度和耐久性。
1基于經(jīng)驗參數(shù)的設(shè)計方法
1.1傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計方法
最早的混凝土配合比設(shè)計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)驗的混凝土配合比設(shè)計方法C/(W+A)。從19世紀末開始,陸續(xù)有學(xué)者提出關(guān)于混凝土強度的表達式,使混凝土配合比設(shè)計由純經(jīng)驗法轉(zhuǎn)為半經(jīng)驗法。

 

如法國學(xué)者Feret于1896年提出的混凝土的強度公式,F(xiàn)eret認為混凝土強度是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fc=K1/K2W/C(W/C分別為混凝土抗壓強度、經(jīng)驗常數(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,混凝土強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fcu,p=Afce(C/WB),其中(fcu,p,fce,C/W,A,B分別為混凝土抗壓強度、水泥強度、灰水比、回歸系數(shù))。根據(jù)保羅米公式進行混凝土配合比設(shè)計,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)混凝土強度設(shè)計值確定水灰(膠)比,然后根據(jù)骨料粒徑和施工要求的坍落度,由經(jīng)驗性表格確定用水量和砂率,最后用體積法或者質(zhì)量法計算砂、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,混凝土強度已不再僅僅依賴于水泥強度,混凝土強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,人們進行混凝土配合比設(shè)計時,也更加注重經(jīng)濟性和耐久性。國內(nèi)外學(xué)者從不同的出發(fā)點對混凝土配合比設(shè)計方法進行了大量的研究,提出了許多配合比設(shè)計方法,其中有些仍然是半經(jīng)驗性的,如基于實踐經(jīng)驗的設(shè)計方法、基于緊密堆積理論的設(shè)計方法、基于漿骨比的設(shè)計方法等;有些是基于理論計算的優(yōu)化設(shè)計方法,如全計算法、基于計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法等。    
1.2基于實踐經(jīng)驗的混凝土配合比設(shè)計方法
Metha和Aitcin提出了一種基于實踐經(jīng)驗的高性能混凝土配合比設(shè)計方法。根據(jù)這種方法計算混凝土配合比時首先假定漿骨比為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度對初步計算的混凝土配合比進行調(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。這種方法使用時方便快捷,且具有較好的經(jīng)濟性,獲得廣泛的應(yīng)用。
Aitcin參考ACI2111中的試驗和計算結(jié)果對文獻中提出的方法做了一些改進,利用諾模圖確定水膠比,根據(jù)高效減水劑的飽和點確定用水量,計算含氣量為1.5%時粗細骨料的用量,再根據(jù)測定的試拌混凝土中的含氣量對配合比進行調(diào)整。根據(jù)這種方法配制混凝土具有更強的實用性。
韓建國等在文獻的基礎(chǔ)上,通過建立混凝土強度與有效水灰比,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)計方法。這種方法易于程序化、適用范圍寬泛、計算結(jié)果準確,試驗結(jié)果表明,根據(jù)這種配合比設(shè)計方法配制的混凝土的抗壓強度的實測值與設(shè)計值的一致性較好。
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)計方法:將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系,進行混凝土配合比設(shè)計時,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)計混凝土配合比時,首先確定水膠比、摻合料用量和減水劑用量,然后將細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)計方法,這種方法的關(guān)鍵是通過試驗數(shù)據(jù)擬合出混凝土強度與最佳砂率之間的關(guān)系及混凝土強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,依據(jù)此方法配制的混凝土在經(jīng)濟性上具有明顯優(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度系數(shù),隨后又提出了基于密實度系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計方法,并用大量的試驗數(shù)據(jù)驗證了這種方法既具有理論研究價值,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)文獻的試驗數(shù)據(jù)驗證了上述理論。    
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)計方法配制的混凝土的工作性不太理想,進而會影響到混凝土的耐久性。經(jīng)過大量的試驗研究,廉慧珍、韓小華提出了基于工作性要求的配合比設(shè)計方法,試驗證明按照這種方法配制的混凝土,其工作性和強度都能滿足實際工程的需要。
1.4基于漿骨比的混凝土配合比設(shè)計方法
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)計方法計算出的配合比,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)計周期短,對和易性和耐久性的控制優(yōu)于標準設(shè)計方法。
2基于解析的計算方法    
隨著計算機科學(xué)技術(shù)的進步和交叉學(xué)科的發(fā)展,混凝土科學(xué)正從經(jīng)驗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算方法。
2.1全計算法
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)出用水量計算公式和砂率計算公式,再結(jié)合傳統(tǒng)的水灰比定則及最佳漿骨比(35:65),實現(xiàn)了混凝土全計算配合比設(shè)計,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。姜德民用全計算法設(shè)計了自密實混凝土配合比并進行了試驗研究,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)建了全計算法的設(shè)計模板,利用這個模板能夠很快計算出很實用的系列化的配合比設(shè)計,充分體現(xiàn)了全計算法的優(yōu)越性。
2.2智能化優(yōu)化設(shè)計方法
對混凝土配合比設(shè)計進行優(yōu)化,能夠節(jié)約原材料,減少環(huán)境污染,提高經(jīng)濟效益。人們將正交設(shè)計、均勻設(shè)計、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等應(yīng)用到混凝土配合比設(shè)計中,提出了優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。
張繼先提出了一種單目標優(yōu)化的設(shè)計方法,其主要步驟為:1)進行大量的混凝土試驗及性能測試;2)對獲得的數(shù)據(jù)進行回歸分析,建立混凝土組成和性能之間的預(yù)測方程,將其轉(zhuǎn)化成以矩陣表達的約束方程;3)建立以混凝土成本價格為目標函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計模型;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行調(diào)整。這種方法的優(yōu)點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)計方法對混凝土配合比進行了設(shè)計優(yōu)化。他們借助SPSS軟件處理試驗數(shù)據(jù),得出以碳纖維增強高性能混凝土的最大抗壓和劈拉強度為目標函數(shù)的回歸方程,利用MATLAB對目標函數(shù)進行了優(yōu)化處理得到了最佳配合比,通過驗證性試驗證明,利用這種方法得到的優(yōu)化配合比可信可靠,將計算機技術(shù)與均勻設(shè)計相結(jié)合利用于混凝土配合比設(shè)計中是可行的。
王繼宗等人提出了基于遺傳算法的高強混凝土配合比設(shè)計方法。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,編程計算獲得了最優(yōu)解。通過工程實例證明,在滿足強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)計的方法也越來越多,由僅根據(jù)實際經(jīng)驗進行的配合比設(shè)計方法到智能化的配合比設(shè)計方法,混凝土配合比設(shè)計理論越來越完善。目前各種混凝土配合比設(shè)計方法都有自己的針對性和側(cè)重點,沒有一種混凝土配合比設(shè)計方法對所有的混凝土都適用,因此,在進行混凝土配合比設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)工程需要選擇合適的配合比設(shè)計方法,以達到合理利用材料,降低工程造價的目的。    
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