綠色高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)

文/許智勇 深圳市天地（集團(tuán)）股份有限公司 廣東深圳 518000

1、綠色高性能混凝土的基本性能

⑴工作性好。綠色高性能混凝土結(jié)構(gòu)均勻且密實(shí)，不論是在攪拌、運(yùn)輸還是澆制振搗過(guò)程中，均不易出現(xiàn)分層、泌水與離析等病害。

⑵強(qiáng)度高。從一定程度上講，由于混凝土的強(qiáng)度取決于水泥石的強(qiáng)度，而水泥石的強(qiáng)度又由水泥的礦物產(chǎn)物與硬化孔隙率決定，孔隙率又受水膠比影響極大，因此混凝土強(qiáng)度的衡量一般以水膠比為重要指標(biāo)。一般情況下，綠色高性能混凝土中摻有高效減水劑（以不影響混凝土工作性為前提）與礦物摻合料，其強(qiáng)度因水膠比的降低而得到提升，并且耐久性表現(xiàn)良好。

⑶環(huán)境友好。在同強(qiáng)度條件下，與普通混凝土相比，綠色高性能混凝土中水泥用量較少而礦渣等工業(yè)廢料用量較多，一定程度上降低了環(huán)境污染與資源消耗，符合現(xiàn)代環(huán)保節(jié)能理念。

2、綠色高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)理論

2.1 配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)原則

基于混凝土使用性能的考慮，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則為：①工作性原則。對(duì)于新拌混凝土而言，良好的工作性不僅對(duì)流動(dòng)性、粘聚性以及保水性影響重大，同時(shí)還在一定程度上還決定了混凝土的強(qiáng)度與耐久性；②強(qiáng)度與耐久性原則。與普通混凝土不同的是，對(duì)綠色高性能混凝土的衡量并非以強(qiáng)度為主要指標(biāo)，而是在滿足強(qiáng)度（一般只要降低水膠比，強(qiáng)度很容易滿足）要求的基礎(chǔ)上，更趨向于對(duì)耐久性的控制（尤其是在惡劣環(huán)境中）；③經(jīng)濟(jì)性原則。綠色高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的途徑為：a.通過(guò)優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的使用來(lái)使水泥用量減少；b.優(yōu)化骨料級(jí)配并減小其孔隙率，如此通過(guò)用漿量的有效控制而降低膠凝材料與水的用量。

2.1.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)于綠色高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)方法的運(yùn)用雖然仍存一定的優(yōu)勢(shì)，但是由于在配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)復(fù)雜的非線性規(guī)劃問(wèn)題的解決運(yùn)用了大量的智能算法，具體操作難度大且理論性過(guò)強(qiáng)，因此整體而言已無(wú)法滿足實(shí)際需求，不建議使用。本文以直接搜索算法為運(yùn)用，其具體操作為窗口形式，原理與程序編寫相對(duì)簡(jiǎn)單，算法科學(xué)且易于掌握。以經(jīng)濟(jì)性原則為例，將優(yōu)化目標(biāo)定為各原材料的成本最低化，目標(biāo)函數(shù)則可表示為下式⑴：

式中：xi為單位體積混凝土中水泥、砂、石、水、減水劑、硅粉與粉煤灰的用量（Kg），對(duì)應(yīng)表示為x1～x7；yi為混凝土中各原材料的單價(jià)（kg/元），對(duì)應(yīng)表示為y1～y7。

各組成材料的用量約束為下式⑵所示：

式中：xi（l）為材料的上限；xi（U）為材料的下限。

材料體積約束可表示為下式⑶：

式中：ρi為各材料的密度；α 為混凝土的含氣量，在不摻加引氣劑情況下，α 取值為1。

2.2 性能預(yù)測(cè)

對(duì)于混凝土性能的預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)，借助于人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，智能算法（主要包括蟻群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法等）的運(yùn)用不僅容易掌握，而且還使預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法呈現(xiàn)出多元化特征。實(shí)踐表明，對(duì)于非線性問(wèn)題的處理，智能算法因處理能力極強(qiáng)而在工程實(shí)際中應(yīng)用效果良好。本文對(duì)于混凝土性能的預(yù)測(cè)以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為例進(jìn)行分析，如下圖1所示，該方法所建立的信息處理模型是基于對(duì)動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬，利用權(quán)值將一系列經(jīng)過(guò)歸一處理的輸出信號(hào)進(jìn)行連接后，通過(guò)信號(hào)累加器的運(yùn)用算出總和，然后借助于激勵(lì)函數(shù)，便可在一定范圍內(nèi)將輸出信號(hào)限制在其中。

圖1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理圖

3、綠色高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)

3.1 原材料技術(shù)要求

⑴水。一般采用地下水或其他飲用水，對(duì)于普通鋼混結(jié)構(gòu)而言，混凝土用水應(yīng)符合：PH＞4.5，氯化物含量＜1000mg/L，硫酸鹽含量＜2000mg/L，堿含量＜1500mg/L。

⑵水泥。在滿足標(biāo)準(zhǔn)（GB175-2007）的基礎(chǔ)上，綠色高性能混凝土對(duì)所用水泥不再以強(qiáng)度為唯一要求，而是還需具備良好的工作性與耐久性，即是要對(duì)水泥顆粒級(jí)配合理搭配，降低過(guò)細(xì)和只起早強(qiáng)作用的顆粒數(shù)量；與此同時(shí)，為降低早期水化熱與混凝土溫縮裂縫，對(duì)于水泥成分中C3A（鋁酸三鈣）含量應(yīng)合理控制（盡量降低）。

⑶礦物摻合料。主要包括硅粉、礦渣粉以及粉煤灰等，其作用是一定程度上減小水泥用量，優(yōu)化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善混凝土綜合性能，實(shí)際使用應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

⑷集料。集料（包括粗集料與細(xì)集料）在混凝土中所占體積為60～80%，其雖然不參與化學(xué)反應(yīng)，但為混凝土強(qiáng)度形成的骨架與支撐，故而需控制好顆粒強(qiáng)度、級(jí)配、粒形、吸水性、空隙率與彈性模量等指標(biāo)。

⑸外加劑。以減水劑為代表，其作用是在保證混凝土工作性能的前提下降低水膠比，以此改善混凝土性能，實(shí)際使用中對(duì)摻量、減水率（≥20%）與坍落度保留值應(yīng)嚴(yán)格控制。

3.2 配合比參數(shù)與混凝土性能的關(guān)系

配合比參數(shù)主要包括砂率、礦摻比、水膠比以及膠凝材料總量等，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)各參數(shù)對(duì)混凝土性能影響規(guī)律的研究，綜合分析后才能確定出原材料用量及最終配合比。砂漿在混凝土中的作用之一是通過(guò)滾珠與潤(rùn)滑來(lái)使粗集料間的摩擦減小，而砂率決定了混凝土中砂漿含量與粗細(xì)集料的比例，砂率減小，混凝土黏度增大，反之則流動(dòng)性提升；礦物摻合料可在一定程度上提升混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度，但其用量需合理控制（一般不超過(guò)40%），礦摻比過(guò)高反而不利于混凝土強(qiáng)度的形成；水膠比在極大程度上決定了混凝土的強(qiáng)度（具體見第1 節(jié)的⑵小節(jié)）；膠凝材料為混凝土性能的主要影響因素，其作用是通過(guò)骨料空隙的填充來(lái)使混凝土形成強(qiáng)度，在礦摻比與水膠比一定情況下，膠凝材料用量越多，混凝土強(qiáng)度就越高，但當(dāng)達(dá)到一定用量時(shí)，膠凝材料的繼續(xù)增加反而會(huì)使混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

3.3 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于綠色高性能混凝土而言，配合設(shè)計(jì)時(shí)除強(qiáng)度與耐久性要求更高外，還需保證在工程實(shí)際中具有良好的經(jīng)濟(jì)性。在具體試配過(guò)程中，可將各指標(biāo)的要求轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問(wèn)題，然后借助計(jì)算機(jī)利用搜索算法對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)混凝土性能利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)?；炷磷鳛楣こ探Y(jié)構(gòu)的重要組成，配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先在強(qiáng)度與耐久性方面滿足工程設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于無(wú)法滿足要求配合比的應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化或直接淘汰，而在經(jīng)濟(jì)性方面則可結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行綜合考量。

4、綠色高性能混凝土的性能預(yù)測(cè)

混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，還需利用試驗(yàn)檢測(cè)的方式對(duì)其科學(xué)性進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，以此判斷是否達(dá)到最優(yōu)效果。檢測(cè)過(guò)程主要是針對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及工作性等指標(biāo)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)并與實(shí)驗(yàn)室試配數(shù)據(jù)對(duì)比，以此判斷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

作為一種信息處理的ID 模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)是基于對(duì)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬，其結(jié)構(gòu)組成主要包括輸入層、隱含層與輸出層3 部分。其中輸入層與輸出層分別代表混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)與強(qiáng)度值，而隱含層則是將輸入的信號(hào)利用傳遞函數(shù)傳遞至輸出層，該模型具有非線性處理、并行分布式處理及自學(xué)習(xí)功能等特點(diǎn)，在模式識(shí)別、信息預(yù)測(cè)及控制優(yōu)化等領(lǐng)域非常適用。在混凝土性能預(yù)測(cè)中，主要是以原材料中水泥、礦粉、粉煤灰、減水劑、粗骨料、細(xì)骨料、混凝土標(biāo)號(hào)、水、骨料級(jí)配、水泥細(xì)度模數(shù)等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入元素，輸出層元素選擇混凝土強(qiáng)度、電通量、坍落度等，構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元采用Tansig 函數(shù)傳遞術(shù)，輸出層神經(jīng)元采用Logsig 函數(shù)傳遞，通過(guò)計(jì)算與分析，可對(duì)混凝土的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室得到的優(yōu)化配合比以及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可對(duì)綠色高性能混凝土的工作性、功能性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合判定。

結(jié)語(yǔ)：

從一定程度上講，綠色高性能混凝土不僅具有良好的力學(xué)性能，更為重要的是其符合現(xiàn)代社會(huì)的環(huán)保要求，為建設(shè)工程領(lǐng)域混凝土行業(yè)發(fā)展的主要方向。