论混凝土配合比设计方法研究进展

论混凝土配合比设计方法研究进展

杨松滨

黑龙江省龙建路桥第一工程有限公司黑龙江省哈尔滨市150028

摘要：评述了近年来对混凝土配合比设计方法的研究和开发的成果。传统的基于经验的配合比设计方法不能完全适应现代混凝土工程的需要，在配制高性能和特殊性能混凝土时遇到不少困难。研究人员一直在着力于研究新的设计方法，包括全计算法、计算机化的设计方法、配合比优化设计、基于专家系统、人工神经网络和神经专家系统的方法等，其中智能化的优化设计方法正日益引起人们的关注。所有这些方法都在一定程度上促进了混凝土科学技术的发展。

关键词：配合比设计；优化设计；存在问题

一、前言

混凝土配合比设计是指以适当比例的水泥、骨料、水和外加剂配合以获得合乎规范的混凝土，配合比设计的一个目的就是要得到符合性能的混凝土，另一个目的是在尽可能低的成本下获得满足性能要求的混凝土。合理的混凝土配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下，确定各种成份的用量，获得最经济和适用的混凝土。因此配合比设计的过程是一个能使各种相抵触的作用相互的得到平衡的技术。本文就国内外混凝土配合比设计方法研究进展进行介绍，并提出目前存在的一些问题。

二、目前混凝土配合比设计方法存在的问题

（一）传统的普通混凝土配合比设计方法是一种基于经验的方法，不能在设计的周期和设计的变量上充分满足现代工程的需要。随着矿物粉料和外加剂的掺入，基于经验的配合比设计方法难以配制出组分复杂、具有特殊性能的混凝土。且假定容重法对当前混凝土的配制已不再具有普适性。但是如今普遍使用较大掺量的矿物掺合料，例如粉煤灰表观密度为1.90~2.40g/cm3，磨细矿渣表观密度约为2.60g/cm

3，与水泥表观密度的3.0g/cm3左右相比相差就大了，按原来经验假定的表观密度计算，则体积都会大于1m3，掺合料越多，大得越多[25]。但是这并不代表假定容重法已经一概失去意义，有些文献[26]仍然采用假定容重法进行配合比设计。

（二）各种性能混凝土的配合比设计，一直没有一种大家公认的设计方法，只有一个指导性原则。现有方法多是建立在实践经验以及试验基础上，而后发展起来的定性的配合比设计方法。其中涉及应用理论和工程技术的系统研究都还比较少。而且混凝土原材料的波动、使用环境和使用条件的不确知性与不确定性，使之并不存在普遍适用的配合比，所以很多混凝土配合比方法只是提供了一种思路，并非适用于世界各地的工程。目前研究的领域还不是很宽泛，许多特性混凝土的配合比设计还都处于试验研究阶段，其配合比设计只能参照有关资料或经验，通过仔细的试配并经反复检验修改后确定。其中对于高性能混凝土来说，研究的主要是高强度高性能混凝土，而关于中低强度的高性能混凝土研究的很少，如果能实现C20～C50中低强度混凝土的高性能化，将对我国经济意义和社会效益产生巨大影响。

（三）吴中伟等和Larrard都认为使配合比选择和施工质量控制计算机化是混凝土科学的发展方向之一，但是目前还存在局限性。例如多目标规划方法可以使强度、抗渗、抗冻和混凝土总费用等5项指标都在一定程度上达到优化。而在单目标规划中，除了费用外，其它的4项指标只是作为约束条件，不能作为目标函数被优化。但前一种方法的计算量较大。如何简化回归方程，选择最有效的优化方案，使拟合与预测的结果更加准确，以及减少试验工作量，仍值得进一步研究完善。而在人工神经网络理论方面，人们无法从神经网络中选出某些神经元去认同一个目标，并且在向用户提供推理的证据和结论的解释方面，受到局限甚至完全不能工作，选择样本的数量和有效方法也一直没有得到系统的解决，在理论的系统化、方法的实用化方面，目前的研究仍属初步，需要进一步的研究

三、最优化方法在混凝土配合比设计方面的应用

适应建筑工程和基础设施的快速发展，我国混凝土的年产量已超过5×109m3。如果对配合比设计进行优化，不仅可以节约混凝土生产中所消耗的大量资源和能源，减少环境的污染，还可降低成本、提高经济效益。因此，配合比优化设计早已成为国内外研究者关注的课题。为了设计性能可靠、经济合理的配合比，工程师和专家们进行着不懈的研究和探索，提出过正交设计，混料设计和均匀设计等，并在混凝土设计中，引入最优化数学方法。

张继先认为，现行设计方法和原则未考虑混凝土组分和混凝土稳定性之间的联系，不能保证新拌混凝土体积稳定、质量均匀和粘聚性的要求。另外，与混凝土密实度有关的塌落度、骨料级配、用水量和水泥浆数量等因素，对混凝土性能有重要影响，现行设计方法也未能加以考虑。他提出一种单目标的非线性规划模型，以混凝土价格为目标函数、各种原材料的用量为设计变量，通过对数学模型的优化，在混凝土的一些性能符合用户需要的前提下，使成本最低。

该方法的主要步骤如下：（1）进行大量的混凝土实验及性能测试；（2）对所获数据进行回归分析，在混凝土的组成和性能之间建立起预测方程；（3）将其转化成优化模型的约束方程，并用矩阵表达。这些约束条件方程总共含有7个控制变量：混凝土容重、塌落度、抗压强度、骨料级配、压力泌水、屈服应力和抗冻性等；（4）建立以混凝土成本价格为目标函数的优化设计模型；（5）按非线性规划的单纯形解法进行优化计算，得到各种组成材料的用量；（6）最后对混凝土密实度进行补偿，根据骨料含水量及吸水率调整各原材料用量。

李容湘等进行了混凝土配合比多目标优化和实时控制的研究，依据施工中实测的数据，建立了混凝土各项性能指标与各种材料用量之间的关系数据库，并用多元线性回归分析方法，求出它们之间的近似关系式。该模型隐含了施工水平，可以及时预测混凝土各项技术指标与各种材料用量之间的关系。最后，根据欲达到的各项性能指标的目的值，将上述数学模式表达为目标函数，应用多目标规划方法，求出各种材料的最优用量和相应的技术指标。作为对混凝土配合比的实时控制。

主要性能指标的目标值包括抗压强度、抗拉强度、抗渗标号，抗冻标号和混凝土总费用等。这五项是数学模式的因变量，其自变量为单位用灰量、用水量、用砂量，各种粒径的粗骨料的用量和添加剂用量等。约束条件为水灰比、容重、砂率、单位用水量、骨料级配等设计变量的上下限值，据此建立相应的约束方程。作者采用目的规划法（goalprogramming）求解，逐个对每一级目标函数的期望值用单纯形法进行优化，其中混凝土总费用是第5级优化的目标，求解并最终得到混凝土的材料用量和其他4项指标的值。作者用FORTRAN语言编制了计算机程序。多目标规划方法可以使强度、抗渗、抗冻和混凝土总费用等5项指标都在一定程度上达到优化。而在单目标规划中，除了费用外，其它的4项指标只是作为约束条件，不能作为目标函数被优化。但前一种方法的计算量较大。

四、结语

虽然混凝土配合比受很多因素影响与制约，目前的设计方法也还有各种各样的不足，但不可否认这些方法都在一定程度上促进了混凝土科学技术的发展。相信各种混凝土配合比设计方法，会随着混凝土科学研究的深入而得到不断的改进和发展，从而越来越完善。

参考文献

[1]张应立．现代混凝土配合比设计手册[M]．北京：人民交通出版社，2002：252

[2]吴中伟．绿色高性能混凝土与科技创新[J]．建筑材料学报1998（1）：3-8

[3]陈建奎，王栋民．高性能混凝土（HPC）配合比设计新法—全计算法[J]．硅酸盐学报，2000，28（4）：194-198

[4]马保国，何永佳，吕林女．高性能混凝土配合比设计[J]．武汉理工大学学报，2002，24（7）：14-17