綠色高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與性能預(yù)測

許智勇

【摘要】基于現(xiàn)代環(huán)保節(jié)能理念的響應(yīng)，以綠色高性能混凝土為論述對象，分析了配合比的設(shè)計(jì)以及性能預(yù)測的基本方法，所述內(nèi)容具有一定的參考性，以期在行業(yè)間形成技術(shù)交流。

【關(guān)鍵詞】綠色高性能混凝土;配合比設(shè)計(jì);性能預(yù)測

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。對于新拌混凝土而言，良好的工作性不僅對流動性、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)過程中，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的途徑為：a.通過優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的使用來使水泥用量減少;b.優(yōu)化骨料級配并減小其孔隙率，如此通過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，但是由于在配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)對復(fù)雜的非線性規(guī)劃問題的解決運(yùn)用了大量的智能算法，具體操作難度大且理論性過強(qiáng)，因此整體而言已無法滿足實(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簡單，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：

2.2性能預(yù)測

對于混凝土性能的預(yù)測及評價(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)測評價(jià)方法呈現(xiàn)出多元化特征。實(shí)踐表明，對于非線性問題的處理，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。本文對于混凝土性能的預(yù)測以人工神經(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動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬，利用權(quán)值將一系列經(jīng)過歸一處理的輸出信號進(jìn)行連接后，通過信號累加器的運(yùn)用算出總和，然后借助于激勵函數(shù)，便可在一定范圍內(nèi)將輸出信號限制在其中。

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，即是要對水泥顆粒級配合理搭配，降低過細(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)通過對各參數(shù)對混凝土性能影響規(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滾珠與潤滑來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40%），礦摻比過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，其作用是通過骨料空隙的填充來使混凝土形成強(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)增加反而會使混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢。

3.3混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

對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。在具體試配過程中，可將各指標(biāo)的要求轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題，然后借助計(jì)算機(jī)利用搜索算法對配合比進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對混凝土性能利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測?；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，對于無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

混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，還需利用試驗(yàn)檢測的方式對其科學(xué)性進(jìn)行檢測驗(yàn)證，以此判斷是否達(dá)到最優(yōu)效果。檢測過程主要是針對混凝土的強(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)測并與實(shí)驗(yàn)室試配數(shù)據(jù)對比，以此判斷預(yù)測數(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)，在模式識別、信息預(yù)測及控制優(yōu)化等領(lǐng)域非常適用。在混凝土性能預(yù)測中，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、水、骨料級配、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，通過計(jì)算與分析，可對混凝土的性能進(jìn)行預(yù)測。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)果的對比，可對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：

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。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB175-2007，通用硅酸鹽水泥[S].

[2]曹興龍.綠色高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與性能預(yù)測[D].蘭州交通大學(xué)，2015.