混凝土配合比设计方法的研究进展

文摘 2024-12-12 07:02 河南

0引言

混凝土配合比设计是配制混凝土时涉及到的最基本也是最关键的问题。只要有混凝土原材料和设备，就能配制混凝土，但原材料的种类、性质和用量会影响混凝土的性能、质量与成本，进而影响混凝土结构的安全性、耐久性和经济性。所以，混凝土配合比设计的关键是根据原材料的种类和性质，确定其用量，使配制好的混凝土既有一定的经济性，又能满足结构设计要求的强度和耐久性。

1基于经验参数的设计方法

1.1传统的混凝土配合比设计方法

最早的混凝土配合比设计可追溯到两千多年前，古罗马建筑师Vitruvius提出的“蓄水池应由五份洁净的砾砂、两份强度极高的快熟石灰和每块重量不超过一磅的熔岩碎片组成，这是纯经验的混凝土配合比设计方法C/(W+A)。从19世纪末开始，陆续有学者提出关于混凝土强度的表达式，使混凝土配合比设计由纯经验法转为半经验法。

如法国学者Feret于1896年提出的混凝土的强度公式，Feret认为混凝土强度是C/(W+A)(C，A分别为水泥、水、空隙的绝对体积)的函数；美国学者Abrams于1918年提出的水灰比定则f_c=K₁/K₂^W/C(W/C分别为混凝土抗压强度、经验常数、由混凝土种类决定的常数、水和水泥的质量比)，指出原材料一定时，混凝土强度完全由水灰比决定；瑞士学者Bolomy基于Abrams提出的水灰比定则提出了保罗米公式：f_cu,p=Af_ce(C/W－B)，其中(f_cu,p，f_ce，C/W，A，B分别为混凝土抗压强度、水泥强度、灰水比、回归系数)。根据保罗米公式进行混凝土配合比设计，思路比较明确，过程相对简单，俄罗斯、日本和我国都将这个公式作为普通混凝土配合比设计的基本公式。根据保罗米公式确定混凝土配合比，传统的方法是根据混凝土强度设计值确定水灰(胶)比，然后根据骨料粒径和施工要求的坍落度，由经验性表格确定用水量和砂率，最后用体积法或者质量法计算砂、石的用量，这种方法主要考虑的是混凝土的工作性和强度，没有考虑混凝土的耐久性，随着各种掺合料及外加剂的广泛使用，混凝土强度已不再仅仅依赖于水泥强度，混凝土强度与水灰比之间的关系也变得更复杂。

随着现代工程技术的发展，可用于配制混凝土的原材料也越来越多，工程施工条件越来越复杂，混凝土施工工艺也变得多样化，同时，人们进行混凝土配合比设计时，也更加注重经济性和耐久性。国内外学者从不同的出发点对混凝土配合比设计方法进行了大量的研究，提出了许多配合比设计方法，其中有些仍然是半经验性的，如基于实践经验的设计方法、基于紧密堆积理论的设计方法、基于浆骨比的设计方法等；有些是基于理论计算的优化设计方法，如全计算法、基于计算机控制系统的设计方法等。

1.2基于实践经验的混凝土配合比设计方法

Metha和Aitcin提出了一种基于实践经验的高性能混凝土配合比设计方法。根据这种方法计算混凝土配合比时首先假定浆骨比为35:65，砂石比(体积比)为2:3，减水剂掺量为1%，含气量为2%，然后根据计算出的配合比拌制混凝土以确定混凝土的状态，再根据拌制出的混凝土状态及工程需要的工作性和强度对初步计算的混凝土配合比进行调整，然后再试拌，如此循环，直至拌制出的混凝土满足要求。这种方法使用时方便快捷，且具有较好的经济性，获得广泛的应用。

Aitcin参考ACI2111中的试验和计算结果对文献中提出的方法做了一些改进，利用诺模图确定水胶比，根据高效减水剂的饱和点确定用水量，计算含气量为1.5%时粗细骨料的用量，再根据测定的试拌混凝土中的含气量对配合比进行调整。根据这种方法配制混凝土具有更强的实用性。

韩建国等在文献的基础上，通过建立混凝土强度与有效水灰比，粗骨料松堆体积与砂率和粉煤灰水化活性因子之间的函数关系，确定了混凝土中胶凝材料、水、粗细骨料之问的联系，提出了一种系统化的高性能混凝土配合比设计方法。这种方法易于程序化、适用范围宽泛、计算结果准确，试验结果表明，根据这种配合比设计方法配制的混凝土的抗压强度的实测值与设计值的一致性较好。

1.3基于紧密堆积理论的混凝土配合比设计方法

吴中伟院士早在1955年就提出了基于最大密度或紧密堆积理论的混凝土配合比设计方法：将混凝土分为砂石体系和水泥浆体系，进行混凝土配合比设计时，首先根据砂石混合后的空隙率确定最佳砂石比，然后依据绝对体积原理通过试拌法确定水泥浆富余系数，再配制混凝土。

Toralles Carbonari提出的方法与吴中伟的理论类似，他的观点是：将混凝土分为砂石体系和水泥浆体系，然后分别对这两个体系进行优化，最终获得最佳的混凝土配合比。利用这种方法设计混凝土配合比时，首先确定水胶比、掺合料用量和减水剂用量，然后将细骨料和粗骨料按不同的比例混合后测定空隙率，选空隙率最小时的比例为最佳砂石比，最后根据测定的最小空隙率确定水泥浆用量，在0%～10%的范围内选择几个不同的水泥浆富余系数。然后根据计算出的几个混凝土配合比配制混凝土，测定每组}昆凝土的坍落度和力学性能，选定工作性能和力学性能都满足要求的一组混凝土的配比作为最终配合比。

张姣龙等人针对现行普通混凝土的常规技术性能要求，以现行的混凝土配合比设计规范为基础，研究了一种基于紧密堆积理论的配合比设计方法，这种方法的关键是通过试验数据拟合出混凝土强度与最佳砂率之间的关系及混凝土强度与浆骨比之间的定量关系。此方法具有系统化、程序化的特点，依据此方法配制的混凝土在经济性上具有明显优势。

王立久教授对混凝土的紧密堆积理论做了系统的研究。提出了密实度系数的概念，指出可以用粗骨料最大粒径和集灰比来表征密实度系数，随后又提出了基于密实度系数的混凝土配合比设计方法，并用大量的试验数据验证了这种方法既具有理论研究价值，也具有一定的工程适用性。2012年，他又研究了混凝土的最佳砂率数学模型，利用数学方法建立了最佳砂率计算公式，指出最佳砂率和最佳砂灰比之间呈双曲线关系，确定最佳砂率的本质就是确定砂灰比，并引用相关文献的试验数据验证了上述理论。

廉慧珍教授等指出，利用基于紧密堆积理论的混凝土配合比设计方法配制的混凝土的工作性不太理想，进而会影响到混凝土的耐久性。经过大量的试验研究，廉慧珍、韩小华提出了基于工作性要求的配合比设计方法，试验证明按照这种方法配制的混凝土，其工作性和强度都能满足实际工程的需要。

1.4基于浆骨比的混凝土配合比设计方法

浆骨比对新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有决定性作用。廉慧珍教授认为，浆骨比是保证混凝土力学性能的核心因素，应使用等浆体体积法对混凝土配合比进行调整，以保持浆骨比不变。

刘广同、张宝生等人指出利用传统的混凝土配合比设计方法计算出的配合比，尽管通过适配调整，也不一定是最优的，他们通过骨料试配，得到最佳浆骨比及最紧密堆积的骨料，利用现有规律建立了基于最佳浆骨比的混凝土配合比设计方法。王国友等人采用浆骨比法确定了C70泵送混凝土配合比，这种方法工作量小，设计周期短，对和易性和耐久性的控制优于标准设计方法。

2基于解析的计算方法

随着计算机科学技术的进步和交叉学科的发展，混凝土科学正从经验方法深人到理论研究、从定性到定量转变，在此基础上，人们提出了一些基于解析的计算方法。

2.1全计算法

陈建奎和王栋民首次建立了普遍适用的混凝土体积模型，推导出用水量计算公式和砂率计算公式，再结合传统的水灰比定则及最佳浆骨比(35:65)，实现了混凝土全计算配合比设计，这种方法已经应用到了北京、厦门、珠海等地的一些工程并取得了较好的效果。姜德民用全计算法设计了自密实混凝土配合比并进行了试验研究，结果表明，配制的混凝土具有良好的工作性和力学性能。丁抗生利用软件创建了全计算法的设计模板，利用这个模板能够很快计算出很实用的系列化的配合比设计，充分体现了全计算法的优越性。

2.2智能化优化设计方法

对混凝土配合比设计进行优化，能够节约原材料，减少环境污染，提高经济效益。人们将正交设计、均匀设计、人工神经网络模型等应用到混凝土配合比设计中，提出了优化数学方法。

张继先提出了一种单目标优化的设计方法，其主要步骤为：1)进行大量的混凝土试验及性能测试；2)对获得的数据进行回归分析，建立混凝土组成和性能之间的预测方程，将其转化成以矩阵表达的约束方程；3)建立以混凝土成本价格为目标函数的优化设计模型；4)用非线性规划的单纯形法求得各组成材料用量；5)根据骨料含水量及吸水率对配合比进行调整。这种方法的优点在于使混凝土性能满足要求的前提下，成本最低。

毕秀鞍等人利用均匀设计方法对混凝土配合比进行了设计优化。他们借助SPSS软件处理试验数据，得出以碳纤维增强高性能混凝土的最大抗压和劈拉强度为目标函数的回归方程，利用MATLAB对目标函数进行了优化处理得到了最佳配合比，通过验证性试验证明，利用这种方法得到的优化配合比可信可靠，将计算机技术与均匀设计相结合利用于混凝土配合比设计中是可行的。

王继宗等人提出了基于遗传算法的高强混凝土配合比设计方法。他们从成功的混凝土配合比数据中，归纳出各种原材料用量的取值范围，建立了以混凝土材料的成本为优化目标的函数，并将约束优化的数学归化问题转化成了遗传算法模型，编程计算获得了最优解。通过工程实例证明，在满足强度和坍落度性能要求的前提下，与优化前的混凝土配合比相比，优化后原材料的成本降低了18.8%。

3结语

随着混凝土科学技术及交叉学科的发展，混凝土配合比设计的方法也越来越多，由仅根据实际经验进行的配合比设计方法到智能化的配合比设计方法，混凝土配合比设计理论越来越完善。目前各种混凝土配合比设计方法都有自己的针对性和侧重点，没有一种混凝土配合比设计方法对所有的混凝土都适用，因此，在进行混凝土配合比设计时，应根据工程需要选择合适的配合比设计方法，以达到合理利用材料，降低工程造价的目的。

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