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怎样进行混凝土配合比的优化?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-10-26

一、比较优化方法

这是最常用的一种优化方法。目前,几乎所有的工程都采用这种方法进行混凝土配合比的优化。

所谓比较优化,就是选取一些强度和工作性满足要求的混凝土配合比,进行多种性能试验。根据性能试验结果和成本核算进行比较,选择性能较好、成本较低的配合比作为最终配合比。

从技术上说,这种方法比较简单,而且各种性能之间的差别一目了然,容易理解和接受。但是,这种方法存在着以下一些问题:

(1)这种优化方法仅仅是一个相对优化方法。混凝土性能随组分的变化通常是一个连续的变化,因此,从理论上讲,满足某一强度要求和工作性要求的混凝土配合比可以有无穷多个。而在这一种方法中,仅仅是选取几个配合比进行比较,因此,优化所得到的配合比仅仅是相对好的配合比,难以优化到最佳的配合比。

(2)可以得出一个较好的结果,但难以掌握变化的趋势。通过多种方案的比较,可以看出它们之间的差别,但很难看出各种参数对其性能的影响规律,也就把握不了变化的趋势。例如,将几种不同粉煤灰掺量混凝土的成本进行比较,可以知道这几种粉煤灰掺量混凝土中哪一种混凝土成本最低。但是,粉煤灰掺量对混凝土的成本有什么样的影响规律不太容易把握。

由此可见,这种优化方法仅仅是一种初级的优化方法,是一种简单的优化方法。

二、等值图优化方法

在进行三峡主体工程混凝土配合比优化设计时创造出等值图优化方法。与传统的方法相比,这种方法能够清楚地表明各种性能之间的关系,便于协调各种性能之间的矛盾。因此,这种方法能够综合平衡各种性能,得出真正最优的配合比。

等值图优化方法的基本思路是首先根据试验结果绘制出各种性能和成本的等值曲线,如等强度线、等耐久性线、等放热量线、等变形性能线、等成本线等,根据这些曲线的走势来判断各种性能之间的相互关系,并以此来确定最佳的混凝土配合比。下面以三峡主体工程混凝土的配合比为例,介绍一下这种方法。

(一)混凝土性能的基本要求

三峡主体工程混凝土是以90d龄期强度评定的。对于大坝内部混凝土,设计要求为C15;对于大坝外部和基础混凝土,设计要求为C20;对于大坝水位变化区混凝土,设计要求为C25。强度保证率为80%。

大坝混凝土属于典型的大体积混凝土,从温控防裂考虑,希望混凝土的放热量越少越好。

三峡工程混凝土的用量非常大,大约2900多万m。如果每立方米混凝土成本降低1元,就可以降低造价2900多万元。因此,希望尽可能地降低混凝土的成本。当然,三峡工程对混凝土性能还有其他一些要求。在这仅以此为例介绍等值图优化方法,对其他的性能要求在此就不详细介绍了。根据这些条件,可以将混凝土放热量和成本作为目标函数,强度作为限制条件。也就是说,在保证强度的前提下,寻求混凝土放热量最少,实现成本最低。

(二)等值图的制作

(1)变量的选择。为了温控防裂的需要,三峡工程采取掺入粉煤灰的技术措施。因此,在混凝土配合比设计中需要确定两个参数:一是水胶比;二是粉煤灰掺量。这两个参数既制约着混凝土的强度,又制约着混凝土的放热量和成本。这两个参数一旦确定,混凝土的强度、放热量及成本也就基本确定。显然,它们是混凝土配合比设计的变量。

(2)等强度图的制作。根据设计提出的混凝土强度要求和保证率要求,可以确定混凝土的配制强度。计算结果:大坝内部混凝土的配制强度为17.2MPa;大坝外部和基础混凝土的配制强度为22.7MPa;大坝水位变化区混凝土的配制强度为27.8MPa。

进行不同水胶比、不同粉煤灰掺量混凝土的性能试验。表1和表2分别给出28d龄期和90d龄期抗压强度试验结果。

为了尽可能地消除试验误差,对试验结果进行回归分析。图1和图2分别给出28d龄期和90d龄期混凝土抗压强度回归分析结果。表3为回归方程汇总表。

根据这些回归方程,可以计算出对于任一强度,不同粉煤灰掺量时的水胶比。以粉煤灰掺量为横坐标,水胶比为纵坐标,由计算结果可以作出这一强度的等强度图。在等强度曲线上,任何一点的强度都是满足配制强度要求的,这就将混凝土强度要求这一限制条件体现在图中的曲线上。曲线是由无数个点组成的,因此,仅从强度这一要求来说,可以有无数个配合比满足要求,以后的工作将是如何从这无数个配合比中选取最优的配合比。也就是说,根据优化目标,在等强度曲线上寻找最佳点。

(3)等放热量图的制作。对于大体积混凝土来说,混凝土的放热量是一个优化目标。也就是说,在保证强度的前提下,混凝土放热量越少越好。因此,需要建立混凝土放热量与粉煤灰掺量及水胶比的关系。混凝土的放热量取决于胶凝材料的水化热与混凝土的胶凝材料用量。

混凝土的胶凝材料用量与水胶比和混凝土用水量有关。在三峡主体工程中,采用了I级粉煤灰,这种粉煤灰的减水作用很强,因此,混凝土的用水量与粉煤灰的掺量有着密切的关系。由试拌找出不同粉煤灰掺量时的混凝土用水量。图3给出混凝土用水量与粉煤灰掺量之间的关系。由图3中可以看出,混凝土用水量与粉煤灰掺量基本上呈直线关系。由此可得出混凝土的放热量为:

式中 Q——混凝土放热量,kJ/m
          q——胶凝材料水化热,kJ/kg;
            x——粉煤灰掺量,%。

根据式(1),可以作出等放热量曲线。图4是根据7d龄期水化热作的等放热量图。由图中可以看出,从左下角向右上角推移,混凝土的放热量减少。

(4)等成本图的制作。混凝土的成本通常也是人们所考虑的一个目标,希望在保证强度的前提下,尽可能地降低成本。因此,也需要对成本进行优化。由于配合比变动时,集料的费用变化不大,为了简化起见,优化时通常不考虑集料的费用,主要考虑胶凝材料的费用。胶凝材料的费用为:

式中 T——每立方米混凝土的胶凝材料费用,元/m

         t ——水泥单价,元/kg;

         t ——粉煤灰单价,元/kg。

根据原材料价格,由式(2)也可作出等成本线,如图5所示。由图5中可以看出,从左下角向右上角推移,混凝土的成本降低。

(三)混凝土配合比的优化

(1)按混凝土放热量优化。所谓按混凝土放热量优化,就是在保证强度条件下,使混凝土的放热量最小。强度这一约束条件就是等强度线。因此,可将等强度线与等放热量线作在同一张图上。如果设计强度为28d龄期强度,得到图6。图6中实线为等强度线,虚线为等放热量线。从图6中可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,等强度线先向混凝土放热量减少的方向移动,然后再向混凝土放热量增加的方向移动。两线相切处混凝土的放热量达到最小值,切点即为最优配合比。在图6中,粉煤灰掺量为35%时混凝土的放热量最少。对于C15,C20和C25混凝土,相应的水胶比分别为0.58,0.48和0.41。

从图6中还可以看出,粉煤灰掺量在30% ~40%范围内,等强度线与等放热量线基本平行,表明在这一范围内,粉煤灰掺量对混凝土的放热量影响不大,可作为混凝土其他性能的选择空间。

三峡工程混凝土的强度是以90d龄期的强度评定的,从图7可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,等强度线一直向混凝土放热量减小的方向移动,直到粉煤灰掺量大于45%以后,等强度线才趋于与等放热量线平行,切点应该在粉煤灰掺量为50%或更大处。因此,最佳配合比的粉煤灰掺量应该为50%或更大。从图6和图7比较可以看出,粉煤灰在晚龄期将发挥更大的作用。

(2)按混凝土成本优化。与混凝土放热量优化相似,对于混凝土成本的优化也可以将混凝土等强度图与等成本图合并起来。从图8和图9可以看出,混凝土等强度线的走势也是先朝着成本降低方向移动,然后转向,朝着成本提高方向移动。因此,也可以用等强度线与等成本线的相切关系来确定最优的配合比。对28d龄期的抗压强度优化的结果,粉煤灰掺量大约为25%时,混凝土的成本最低。对于C15,C20和C25混凝土,最佳配合比时的水胶比分别为0.65,0.53和0.45;对90d龄期的抗压强度优化的结果,粉煤灰掺量大约为35%时,混凝土的成本最低。对于C15,C20和C25混凝土,最佳配合比时的水胶比分别为0.71,0.61和0.55。

(四)混凝土配合比优化结果比较

上述对混凝土的放热量和成本进行了优化,表4给出了混凝土配合比优化结果比较。从表4中可以看出,优化所得到的混凝土配合比与不掺粉煤灰的基准混凝土相比,或者混凝土的放热量大大减少,或者成本显著降低。按照这种方法所得到的指标基本上是在现有的原材料条件下所能达到的最低值,这是这一优化方法突出的优点之一。

从上面的优化结果也可以发现一个问题,就是用不同的指标作为目标,优化所得到的配合比常常是不同的,这是很正常的。所以以哪一个配合比作为最终配合比的原则是:

(1)保证主要指标。在进行混凝土配合比设计时,人们总是希望配制出所有性能都是最好的混凝土,实际上是不可能的。应该注意到,混凝土的各种指标在实际工程中的重要性并不是完全相同的。对实际工程影响较大的指标,必须优先考虑,予以保证,尽量达到最优化。如有困难,也应尽量接近最优化。否则,优化则是没有意义的。

以上面的例子来说,由于混凝土用于三峡大坝的主体工程,是典型的大体积混凝土工程。对于大体积混凝土来说,温控防裂是主要矛盾,降低混凝土的放热量应该是优化的最主要目标。因此,在诸多的优化配合比中,应优先考虑混凝土放热量较低的配合比。

(2)相互兼顾。保证最主要优化目标并不等于不考虑其他目标。在不显著影响主要目标的前提下,应兼顾其他目标尽可能地合理。如果两个目标对工程的影响程度相差不大的话,更应统筹兼顾,综合考虑。不可攻其一点,不及其余。

从图6可以看到,对于混凝土放热量这一目标来说,尽管35%粉煤灰的配合比是最佳的,但粉煤灰掺量在30%~40%范围内,混凝土放热量变化不大。也就是说,在这一范围内调整配合比不会明显地影响混凝土的放热量。但从图8看,在这一范围内,混凝土的成本却有非常明显的变化。因此,可将混凝土配合比向成本降低的方向调整,但应注意适度。如果以28d龄期的抗压强度作为评定依据,最终的配合比可选择粉煤灰掺量为30%,也可再稍微降低些。这样,混凝土的放热量变化甚微,但成本却显著地降低了。从整体上看,这一配合比更优些。

从这里可以看到这种优化方法的另一个特点,就是明确地知道限制条件在优化目标中的走向,以及对优化目标的影响程度。在多目标的优化中,协调各目标的关系是十分重要的。因此,这一优化方法不仅可以得到真正的最优点,还可以平衡各目标的关系,实现综合指标的最优化。混凝土中的许多指标之间是相互关联、相互制约的。在大多数情况下,单一方面的高指标并不是太困难的,可以牺牲其他的指标来换取这一指标的提高。但要获得最好的综合指标则要困难得多,难点在于如何进行各种指标的得失平衡。从某种意义上说,也可以说是一种性能之间的交换。就像货币交换一样,如果要在交换中得益,必须清楚地知道相互间的汇率。等值图恰恰是将各种指标之间的“汇率”清楚地展示出来,让设计者选择。这是这种方法之所以便于综合优化的原因所在。

上述仅仅对混凝土的放热量和成本进行了优化,当然,读者也可结合工程实际,对其他目标进行优化,方法是雷同的。目标也可以不止两个,可以更多些。但需清楚这些目标在工程中的位置,谁主谁次,是占绝对支配地位,还是与其他目标平分秋色,摆不好这些关系有可能导致优化失误。

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