混凝土配合比设计方法的研究进展

【摘要】本文中，针对近年来在混凝土配合比设计方法上的研究进展，进行简要分析和阐述。传统的混凝土配合比设计方法，基于经验设计，已经无法完全适应现代工程的要求，在实际配制中，尤其是配制高性能和特殊性能混凝土的过程中，困难和问题频频出现。专业研究人员着力于研究新的配合比设计方法，成果颇丰，其中智能化的优化设计方法得到最多关注。研究成果有利促进了混凝土科学技术的发展。

【关键词】混凝土配合比设计，优化设计，人工智能方法

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

现代建筑材料中，混凝土应用最广泛，在土木工程项目中起了至关重要的意义和作用。当前，全世界的水泥产量年产量和所浇筑的混凝土，数额巨大。混凝土是一种人工石材，由水泥、石、砂、添加剂及附加剂与适量的水混合之后逐渐硬化形成，多种因素直接影响混凝土的质量、成本和性能，进而影响土木结构物的质量、造价和寿命。这些因素包括原材料的种类、性质和用量等等。所以，在混凝土配合比设计中，确定混凝土组成的材料及其用量，让混凝土的性能达到所需求的强度和耐久性，是设计的关键环节。

二、传统配合比设计方法面临的问题

传统的基于经验的混凝土配合比设计方法，就是确定原材料的品种和用量，其主要步骤如下所述：

一是设计阶段。计算出混凝土配制强度，求出水灰比；按照混凝土所选骨料和要求的坍落度，查表确定出用水量；计算出水泥用量；然后按体积法或重量法，对粗细骨料和其它材料的用量进行确定。

二是试配、测试和调整阶段。根据所确定的材料用量，进行混凝土试件的制备；标准养护到28天的龄期，对试件的有关性能进行测试；试件性能如果符合要求，就采用该组配合比，不满足相关要求，需要进一步进行调整。早期的混凝土结构，对混凝土材料性能的要求较为简单，配制所需的原材料种类也较为少，所以传统的混凝土配合比设计方法，能很好地满足混凝土工程的要求。

一个多世纪以来，生产和社会在不断发展，建筑工程质量要求在日益提高，混凝土科学和技术在此需求的推动下，成果颇丰，取得诸多突破性的变革。

一是，长跨、高层和大型的结构物形成，并逐渐成为潮流。

二是，混凝土品种大大增多，高性能、低温、纤维、防水、喷射、加气、泵送和轻骨料等特性的特种混凝土纷纷出现。

三是，混凝土的成份日益丰富，配制时使用了各种矿物粉料、纤维和外加剂。

四是，混凝土的性能指标逐渐提高，原本是单一的28天强度，现在已经扩展到若干龄期的强度、弹性模量、工作性和耐久性等各项指标，特种混凝土在抗腐蚀、防辐射、耐高温高压上也有其对应的标准要求。

五是，混凝土的施工速度大大加快。

六是，对结构物寿命的要求大大延长。

七是，施工工艺和条件逐步多样化。

传统设计方法，基于经验设计，难以满足现代混凝土工程的需要，具体表现在以下几个方面:

一是，设计周期比较长。

二是，设计的变量比较少，主要的变量是水、水泥和粗细骨料的各自用量。矿物粉料以及外加剂的掺入，导致传统的配合比设计方法很难配制出组分复杂、拥有特殊性能的混凝土。用传统配合比设计方法制备预制高强混凝土构件时，再多拌合物也没法制备出一种令人满意的构件。

三是，考虑的性能比较单一，强度及工作性的要求能满足，但是缺乏对耐久性等特殊性能要求的设计。传统的方法设计出的结构物，往往耐久性偏低。一般混凝土工程，使用年限为50到100年，甚至某些工程在使用10到20年后就需要维修。

四是，不利于混凝土构件生产的计算机控制。

五是，优化配合比设计非常困难。配合比设计的指导思想，应该从强度设计转化到多种性能设计,从可行性设计转化到优化设计。在符合相关规范给出的各种要求的前提下，合理的材料配合比设计应当能够确定各种成份的用量，获得最经济和适用的混凝土。

三、设计方法的发展

混凝土配合比设计方法，逐步由从基于经验的设计方法发展为解析的计算方法。传统的混凝土配合比设计中，大量参数需要靠查表选值，以经验为基础，进行半定量设计。随着各种现代方法和先进测试技术的应用，混凝土科学技术正逐步从经验发展为理论，从定性发展为定量。对于高性能混凝土配合比设计，陈建奎等提出了一种全计算方法，对传统的绝对体积法进行了修正。该方法有两个理论基础，如下所述。

一是，混凝土材料组成的四个假定项为：混凝土组成材料，包含固液气三相，拥有体积加和性；石子的空隙率是由干砂浆进行填充；干砂浆的空隙率是由水进行填充；干砂浆是由水泥、细掺和料、砂和空气隙组成。

二是，水泥和细粉料的体积比为75:25，水泥浆和骨料的体积比为35:65，才能使高性能混凝土获得最佳工作性和最佳强度。可由此导出一系列解析计算式进行高性能混凝土配合比设计。这种全计算法，可以由公式计算得出对混凝土拌合物的设计，大大有利于计算机在配合比设计中的应用。

四、最优化方法

随着建筑工程和基础设施的快速发展，我国混凝土的年产量数额巨大。优化配合比设计，可节约混凝土生产所消耗的大量资源和能源，减少环境污染，还可以降低成本，提高经济效益。

现行设计方法和原则中没有考虑混凝土组分和混凝土稳定性之间的联系，无法保证新拌混凝土体积稳定、质量均匀和粘聚性的要求。现行设计方法中也没有考虑到,与混凝土密实度有关的塌落度和水泥浆数量等诸多因素对混凝土性能的重要影响。近年来针对混凝土配合比设计的研究成果中，提出了一种单目标的非线性规划模型，混凝土价格作为目标函数，各种原材料的用量作为设计变量，通过优化数学模型，在混凝土性能符合用户需要的前提下，尽可能使成本最低。

这种方法的主要步骤如下所述：一，进行大量的混凝土实验及性能测试；二，回归分析所获数据，在混凝土的组成和性能之间建立起预测方程；三，将其转化成优化模型的约束方程,并用矩阵表达；四，建立以混凝土成本价格为目标函数的优化设计模型；五，按非线性规划的单纯形解法优化计算各种组成材料的用量；六，补偿混凝土密实度，根据骨料含水量和吸水率调整各原材料的用量。

在配合比多目标优化和实时控制的研究中，根据实践数据，建立混凝土各项性能指标和各种材料用量之间的关系数据库，然后用多元线性回归分析方法，计算出它们之间的近似关系式。这个模型中隐含了施工水平，能及时预测混凝土各项技术指标喝各种材料用量间的关系。依据欲达到的各项性能指标的目的值，最后将上述数学模式表达为目标函数，采用多目标规划方法，计算求出各种材料的最优用量以及相应的技术指标。

在进行对混凝土配合比的实时控制中，主要性能指标的目标值是数学模式的因变量，分别是抗压强度、抗拉强度、抗渗标号,抗冻标号和混凝土总费用，,其自变量分别是单位用灰量、用水量、用砂量、各种粒径的粗骨料的用量和添加剂用量等。此计算中的约束条件是各设计变量的上下限值，在此基础上建立出相应的约束方程。可运用目的规划法求解，逐个用单纯形法优化每一级目标函数的期望值，计算求解得到所有5项指标的值和混凝土的材料用量。与单目标规划方法相比，多目标规划方法的计算量比较大，但其约束条件更为合理，可以使五项主要性能指标得到不同程度的优化。

五、结语

传统的混凝土配合比设计方法，已经难以满足现代工程的需求。实际配制中，尤其是在高性能和特殊性能混凝土的配制过程中，困难和问题时有发生。专业研究人员着力于研究新的配合比设计方法，成果颇丰，其中智能化的优化设计方法得到最多关注，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，研究成果有利促进了混凝土科学技术的发展。

参考文献：

[1]王继宗 混凝土配合比设计方法的研究进展 [期刊论文] 《河北建筑科技学院学报(自然科学版)》 2003

[2]闫康 人工神经网络技术在现代混凝土配合比设计中的应用 [期刊论文] 《中国建材科技》 2008

[3]王林 王栋民 关于当代混凝土配合比设计方法的探讨 [期刊论文] 《新型建筑材料》 2012年05期

[4]李明利 混凝土配合比设计方法的比较 [期刊论文] 《混凝土世界》 2012年01期