混凝土配合比設計方法的研究進展

發布時間：2024-12-12　　　　字號：【大 中 小】

0引言

混凝土配合比設計是配制混凝土時涉及到的最基本也是最關鍵的問題。只要有混凝土原材料和設備，就能配制混凝土，但原材料的種類、性質和用量會影響混凝土的性能、質量與成本，進而影響混凝土結構的安全性、耐久性和經濟性。所以，混凝土配合比設計的關鍵是根據原材料的種類和性質，確定其用量，使配制好的混凝土既有一定的經濟性，又能滿足結構設計要求的強度和耐久性。

1基于經驗參數的設計方法

1.1傳統的混凝土配合比設計方法

最早的混凝土配合比設計可追溯到兩千多年前，古羅馬建筑師Vitruvius提出的“蓄水池應由五份潔凈的礫砂、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，這是純經驗的混凝土配合比設計方法C/(W+A)。從19世紀末開始，陸續有學者提出關于混凝土強度的表達式，使混凝土配合比設計由純經驗法轉為半經驗法。

如法國學者Feret于1896年提出的混凝土的強度公式，Feret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；美國學者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度、經驗常數、由混凝土種類決定的常數、水和水泥的質量比)，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度、水泥強度、灰水比、回歸系數)。根據保羅米公式進行混凝土配合比設計，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計的基本公式。根據保羅米公式確定混凝土配合比，傳統的方法是根據混凝土強度設計值確定水灰(膠)比，然后根據骨料粒徑和施工要求的坍落度，由經驗性表格確定用水量和砂率，最后用體積法或者質量法計算砂、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系也變得更復雜。

隨著現代工程技術的發展，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計時，也更加注重經濟性和耐久性。國內外學者從不同的出發點對混凝土配合比設計方法進行了大量的研究，提出了許多配合比設計方法，其中有些仍然是半經驗性的，如基于實踐經驗的設計方法、基于緊密堆積理論的設計方法、基于漿骨比的設計方法等；有些是基于理論計算的優化設計方法，如全計算法、基于計算機控制系統的設計方法等。

1.2基于實踐經驗的混凝土配合比設計方法

Metha和Aitcin提出了一種基于實踐經驗的高性能混凝土配合比設計方法。根據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%，然后根據計算出的配合比拌制混凝土以確定混凝土的狀態，再根據拌制出的混凝土狀態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整，然后再試拌，如此循環，直至拌制出的混凝土滿足要求。這種方法使用時方便快捷，且具有較好的經濟性，獲得廣泛的應用。

Aitcin參考ACI2111中的試驗和計算結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，再根據測定的試拌混凝土中的含氣量對配合比進行調整。根據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關系，確定了混凝土中膠凝材料、水、粗細骨料之問的聯系，提出了一種系統化的高性能混凝土配合比設計方法。這種方法易于程序化、適用范圍寬泛、計算結果準確，試驗結果表明，根據這種配合比設計方法配制的混凝土的抗壓強度的實測值與設計值的一致性較好。

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計時，首先根據砂石混合后的空隙率確定最佳砂石比，然后依據絕對體積原理通過試拌法確定水泥漿富余系數，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化，最終獲得最佳的混凝土配合比。利用這種方法設計混凝土配合比時，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，最后根據測定的最小空隙率確定水泥漿用量，在0%～10%的范圍內選擇幾個不同的水泥漿富余系數。然后根據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性能，選定工作性能和力學性能都滿足要求的一組混凝土的配比作為最終配合比。

張姣龍等人針對現行普通混凝土的常規技術性能要求，以現行的混凝土配合比設計規范為基礎，研究了一種基于緊密堆積理論的配合比設計方法，這種方法的關鍵是通過試驗數據擬合出混凝土強度與最佳砂率之間的關系及混凝土強度與漿骨比之間的定量關系。此方法具有系統化、程序化的特點，依據此方法配制的混凝土在經濟性上具有明顯優勢。

王立久教授對混凝土的緊密堆積理論做了系統的研究。提出了密實度系數的概念，指出可以用粗骨料最大粒徑和集灰比來表征密實度系數，隨后又提出了基于密實度系數的混凝土配合比設計方法，并用大量的試驗數據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學模型，利用數學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系，確定最佳砂率的本質就是確定砂灰比，并引用相關文獻的試驗數據驗證了上述理論。

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性能的核心因素，應使用等漿體體積法對混凝土配合比進行調整，以保持漿骨比不變。

劉廣同、張寶生等人指出利用傳統的混凝土配合比設計方法計算出的配合比，盡管通過適配調整，也不一定是最優的，他們通過骨料試配，得到最佳漿骨比及最緊密堆積的骨料，利用現有規律建立了基于最佳漿骨比的混凝土配合比設計方法。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，設計周期短，對和易性和耐久性的控制優于標準設計方法。

2基于解析的計算方法

隨著計算機科學技術的進步和交叉學科的發展，混凝土科學正從經驗方法深人到理論研究、從定性到定量轉變，在此基礎上，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，推導出用水量計算公式和砂率計算公式，再結合傳統的水灰比定則及最佳漿骨比(35:65)，實現了混凝土全計算配合比設計，這種方法已經應用到了北京、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計了自密實混凝土配合比并進行了試驗研究，結果表明，配制的混凝土具有良好的工作性和力學性能。丁抗生利用軟件創建了全計算法的設計模板，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計，充分體現了全計算法的優越性。

2.2智能化優化設計方法

對混凝土配合比設計進行優化，能夠節約原材料，減少環境污染，提高經濟效益。人們將正交設計、均勻設計、人工神經網絡模型等應用到混凝土配合比設計中，提出了優化數學方法。

張繼先提出了一種單目標優化的設計方法，其主要步驟為：1)進行大量的混凝土試驗及性能測試；2)對獲得的數據進行回歸分析，建立混凝土組成和性能之間的預測方程，將其轉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的優化設計模型；4)用非線性規劃的單純形法求得各組成材料用量；5)根據骨料含水量及吸水率對配合比進行調整。這種方法的優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計方法對混凝土配合比進行了設計優化。他們借助SPSS軟件處理試驗數據，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的回歸方程，利用MATLAB對目標函數進行了優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化配合比可信可靠，將計算機技術與均勻設計相結合利用于混凝土配合比設計中是可行的。

王繼宗等人提出了基于遺傳算法的高強混凝土配合比設計方法。他們從成功的混凝土配合比數據中，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化目標的函數，并將約束優化的數學歸化問題轉化成了遺傳算法模型，編程計算獲得了最優解。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，與優化前的混凝土配合比相比，優化后原材料的成本降低了18.8%。

3結語

隨著混凝土科學技術及交叉學科的發展，混凝土配合比設計的方法也越來越多，由僅根據實際經驗進行的配合比設計方法到智能化的配合比設計方法，混凝土配合比設計理論越來越完善。目前各種混凝土配合比設計方法都有自己的針對性和側重點，沒有一種混凝土配合比設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計時，應根據工程需要選擇合適的配合比設計方法，以達到合理利用材料，降低工程造價的目的。

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混凝土配合比設計方法的研究進展

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