浅谈混凝土配合比设计方法研究进展

刘金芳

（青海省水利水电勘测设计研究院，青海西宁 810012）

摘要：混凝土是现代应用最广泛的建筑材料。随着科学技术的发展，混凝土配合比设计也在不断地发展。传统的混凝土配合比设计是基于经验的半定量的设计方法，不能完全适应现代混凝土工程的需要，在配制高性能混凝土和特殊性能混凝土时遇到不少困难。研究人员一直在着力于研究新的设计方法，包括全计算法、配合比优化设计、基于人工神经的方法等。本文主要介绍学者关于混凝土配合比设计方法的研究，并分析了在目前研究中存在的问题。

关键词：配合比设计；方法；存在的问题

Introduction to research progress of concrete mix proportion design methods

Liu-Jinfang

(The water conservancy and hydropower survey and design institute of Qinghai,Xining 810012,Qinghai Province)

Abstract:Concrete is the most widely used modern building materials.With the development of science and technology,the design of concrete is in constant development.The traditional design of concrete is semi quantitative design method based on experience，Can't completely meet the need of modern concrete engineering,In the preparation of high-performance concrete and special performance encountered many difficulties.Researchers have been focusing on the new design method, including the calculation method, the mixture ratio optimization design, the method based on artificial neural, etc.This article introduces the study of many scholars on concrete mix proportion design methods , analyses some existing problems about the concrete mix proportion design methods.

Key words:design of concrete mixtures;methods;the existing problems

0 引言

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由水泥，骨料，水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材，原材料的种类、性质和用量等因素直接关系到混凝土的质量、成本和性能，进而关系到土木结构的品质、造价和寿命。因此确定混凝土组成的材料及其用量，使混凝土满足和易性、强度和耐久性等要求的配合比设计成为关键的环节。

配合比设计的一个目的就是要得到符合性能的混凝土，另一个目的是在尽可能低的成本下获得满足性能要求的混凝土。合理的混凝土配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性和经济性等要求的前提下，确定各种成份的用量，获得最经济适用的混凝土。因此，配合比设计的过程是一个能使各种相抵触的作用相互的得到平衡的技术。本文就混凝土配合比设计方法研究进展进行介绍，并提出目前存在的一些问题。

1混凝土配合比设计方法研究进展

1.1传统的普通混凝土配合比设计方法

传统的普通混凝土配合比设计方法是基于经验的半定量的设计方法，其计算准则基于逐级填充原理，在混凝土中石子的空隙由水泥砂浆来填充, 水泥砂浆中砂的空隙由水泥浆来填充, 水泥的空隙由水来填充，设计原则基于绝对体积法或假定容重法。计算得到粗略配合比，进行试拌，将满足和易性的试拌混凝土制备成混凝土标准试件养护至28d龄期，测试试件的相关性能。若试件的性能符合设计要求，则采用这组配合比；若不符合设计要求，则需进一步调整配合比^[1]。

绝对体积法认为1m³新浇混凝土内各项材料的体积之和为1m³，即为水泥、砂、石和水四种材料的绝对体积和空气体积之和。假定容重法的原理基于绝对体积法，所不同的是不以各种原材料的比重为依据，而完全借助于混凝土拌成物经振捣密实后测定的湿容重为依据。前者较繁，但适用范围广，理论较完整，有实用价值。后者简便易行，但要有充分的经验数据，需测定大量的混凝土湿容重。这两种方法都是以经验为基础的半定量设计方法，主要以满足强度和工作性能为主，配合比设计相对简单，也比较成熟。

1.2特种性能混凝土配合比设计方法

一百多年来，伴随着生产和社会的不断发展和对建筑工程质量要求的日益提高，混凝土科学和技术取得许多重大的变革和突破。一是长跨、高层和大型的结构物出现；二是混凝土品种增多，出现了高性能混凝土、轻骨料混凝土、纤维混凝土、防水混凝土、加气混凝土、低温混凝土、泵送混凝土和喷射混凝土等；三是混凝土的成份更加丰富，各种矿物粉料、纤维和外加剂被使用；四是混凝土需要满足的性能指标提高，从单一的28天强度扩展到若干龄期的强度、工作性、弹性模量和耐久性等多项指标，对特种混凝土还要求抗腐蚀、防辐射、耐高温高压等；五是混凝土施工速度加快；六是对结构物寿命的要求延长；七是施工工艺和条件多样化。每种混凝土都与传统混凝土相比，其拌合物的配合比设计都有其自身特点。

1.2.1高性能混凝土配合比设计

传统的配合比设计方法是基于经验的半定量设计方法，大量参数经过查表取值。随着物理、化学和计算机科学等现代方法和先进测试技术的应用，混凝土科学技术正走上从经验到理论、从定性到定量的发展道路。

由陈建奎、王栋民^[2]在全计算法—高性能混凝土配合比设计中提出如下观点：

（1）混凝土各组成材料具有体积可加性；

（2）石子的空隙由干砂浆来填充（干砂浆有水泥、砂、掺合料和空气组成）；

（3）干砂浆的空隙由水来填充。

根据上面的原则建立如下图（图1）的体积模型。该模型的总体积为1m³。

根据美国Mehta和加拿大Aitcin 教授对高性能混凝土（HPC）的研究^[3-4]，要使HPC同时达到最佳的施工和易性和强度性能，建议取。在HPC中水泥与细粉料（如粉煤灰和磨细矿渣）的体积比为75:25，即=75:25，=25%。

图1 普通适用的体积模型

Vw、Va、Vc、Vf、Vg、Vs分别为1m³混凝土中水、空气、水泥、掺和料、石子、砂的体积用量；Ves-干砂浆的体积；Ve-水泥浆的体积。

由体积模型和Mehta和Aitcin 教授的观点，推导出用水量、砂率和胶凝材料用量的公式。这种方法有利于推进计算机在配合比设计中的应用。

法国路桥中心对高性能混凝土的研究是走在世界前沿上的，该配比设计方法的主要思想是：在模型材料上进行大量的实验，即用胶结浆体进行流变试验，用砂浆进行力学试验。这样可避免用直接的方法优化高性能混凝土配比参数时所需进行的大量试配工作^[5]；台湾科技大学的黄兆龙博士根据多年的经验总结，采用

颗粒堆积等材料科学原理，推出逆填配比设计法；刘军^[6]等通过从强度、流动性和经济性等方面对比分析，推出由传统的普通混凝土配合比设计、以基准混凝土为参照的粉煤灰混凝土超量取代法以及台湾的黄兆龙博士推出的逆填配比设计法配制出的混凝土，发现逆填配比设计法各方面的效果都很显著。同时逆填配比设计法尤其适用于高性能混凝土。

由上可以看出关于高性能混凝土配合比方法非常多，而混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用复合超塑化剂和超细矿物掺合料，因此组分较普通混凝土的多，其配合比设计也比普通混凝土复杂。

1.2.2 其他特种混凝土配合比设计方法

上述高性能混凝土的配合比设计方法也会被其他特性混凝土的配合比所借鉴，例如自密实混凝土最早于1988年在东京大学岗村甫教授试验室研制成功。得以实现的关键技术环节可以归结为两个方面：岗村甫教授于1993 年提出的高性能混凝土设计方法和高效减水剂的出现。陈建奎等提出的全计算方法，不仅适用于高性能强凝土，也适用于普通混凝土、高强混凝土、流态混凝土及其它混凝土。

其他特种混凝土配合比设计方法许多还是参照的传统的普通混凝土配合比设计方法，例如补偿收缩混凝土，就可以采用传统的普通混凝土配合比设计方法，除了一点，为了达到相同的强度等级，补偿收缩混凝土的水灰比可以比普通硅酸盐水泥混凝土稍高一点。

当然也有针对原材料的特点而需要特殊考虑的配合比设计方法，例如再生骨料混凝土，以废混凝土加工破碎成的骨料与普通骨料相比具有视密度低、吸水率高、压碎值大的显著特点。张亚梅^[7]等针对废混凝土骨料的特点等研究了C20、 C30、C40 三个系列的再生混凝土，对再生混凝土配合比进行了初探。提出了再生骨料预吸水法，这种方法与史巍^[8]等针对再生骨料吸水率较大而建议的基于自由水灰比之上的配合比设计方法是一致的。钢纤维混凝土中由于原材料中掺加了钢纤维，林小松^[9]提出了二次合成法的配合比设计方法，把钢纤维混凝土看成是由水泥钢纤维浆与基准混凝土两部分组成的，分别确定水泥钢纤维浆与基准混凝土中各种材料的用量，最后合成钢纤维混凝土的配合比。

1.3 优化设计方法在混凝土配合比设计中的应用

适应建筑工程和基础设施的快速发展, 我国混凝土的年产量已超过 5×10⁹m³。如果对配合比设计进行优化, 不仅可以节约混凝土生产中所消耗的大量资源和能源, 减少环境的污染, 还可降低成本、提高经济效益。因此, 配合比优化设计早已成为国内外研究者关注的课题。为了设计性能可靠、经济合理的配合比, 工程师和专家们进行着不懈的研究和探索, 提出过正交设计, 混料设计和均匀设计等, 并在混凝土设计中, 引入最优化数学方法。

1.3.1线性多目标优化

李容湘等进行了混凝土配合比多目标优化和实时控制的研究^[10]，依据施工中实测的数据，建立了混凝土各项性能指标与各种材料用量之间的关系数据库，并用多元线性回归分析方法，求出它们之间的近似关系式。该模型隐含了施工水平，可以及时预测混凝土各项技术指标与各种材料用量之间的关系。最后，根据欲达到的各项性能指标的目的值，将上述数学模式表达为目标函数，应用多目标规划方法，求出各种材料的最优用量和相应的技术指标。作为对混凝土配合比的实时控制。主要性能指标的目标值包括抗压强度、抗拉强度、抗渗标号、抗冻标号和混凝土总费用等。这五项是数学模式的因变量，其自变量为单位用灰量、用水量、用砂量、各种粒径的粗骨料的用量和添加剂用量等。约束条件为水灰比、容重、砂率、单位用水量、骨料级配等设计变量的上下限值，据此建立相应的约束方程。作者采用目的规划法( goal programming) 求解，逐个对每一级目标函数的期望值用单纯形法进行优化,其中混凝土总费用是第5级优化的目标，求解并最终得到混凝土的材料用量和其他4 项指标的值。作者用FORTRAN 语言编制了计算机程序。

多目标规划方法可以使强度、抗渗、抗冻和混凝土总费用等 5 项指标都在一定程度上达到优化。而在单目标规划中，除了费用外，其它的 4项指标只是作为约束条件，不能作为目标函数被优化。但前一种方法的计算量较大。

1.3.2非线性多目标优化

陈斌，李富强^[11]等以不同性能指标的最优组合作为总体目标，采用逐步回归分析和复形调优法，建立混凝土配合比的非线性多目标优化模型。王继宗^[12]等以经济成本为目标建立非线性规划的数学模型，用 Matlab 语言实现该模型，通过序列二次规划的程序求解，以实现对 HPC 的配合比优化设计。

1.4 人工神经网络技术

采用人工神经网络技术预测混凝土性能引起了各国研究者的广泛兴趣，至今已证明是一种准确度较高、适应性较广的有效方法。神经网络是一种在处理与解决问题时不需要对象的精确数学模型的方法^[13]。采用人工神经网络技术进行混凝土配合比设计，具有适应性强、准确有效的优点，是解决复杂组分混凝土配合比设计的一条有效途径。很多学者都是用人工神经网络技术得到符合设计性能要求的初步配合比后，结合非线性算法，建立配合比优化模型。

2 目前混凝土配合比设计存在的问题

（1）传统的普通混凝土配合比设计方法是一种基于经验的方法，不能在设计的周期和设计的变量上充分满足现代工程的需要。随着矿物粉料和外加剂的掺入，基于经验的配合比设计方法难以配制出组分复杂、具有特殊性能的混凝土。且假定容重法对当前混凝土的配制已不再具有普适性。但是如今普遍使用较大掺量的矿物掺合料，例如粉煤灰表观密度为1.90~2.40g/cm³，磨细矿渣表观密度约为 2.60g/cm³，与水泥表观密度的 3.0g/cm³左右相比相差就大了，按原来经验假定的表观密度计算，则体积都会大于1m³，掺合料越多，大得越多。但是这并不代表假定容重法已经一概失去意义，有些文献仍然采用假定容重法进行配合比设计。

（2）各种性能混凝土的配合比设计，一直没有一种大家公认的设计方法，只有一个指导性原则。现有方法多是建立在实践经验以及试验基础上，而后发展起来的定性的配合比设计方法。其中涉及应用理论和工程技术的系统研究都还比较少。而且混凝土原材料的波动、使用环境和使用条件的不确知性与不确定性，使之并不存在普遍适用的配合比，所以很多混凝土配合比方法只是提供了一种思路，并非适用于世界各地的工程。目前研究的领域还不是很宽泛，许多特性混凝土的配合比设计还都处于试验研究阶段，其配合比设计只能参照有关资料或经验，通过仔细的试配并经反复检验修改后确定。其中对于高性能混凝土来说，研究的主要是高强度高性能混凝土，而关于中低强度的高性能混凝土研究的很少，如果能实现 C20～C50 中低强度混凝土的高性能化，将对我国经济意义和社会效益产生巨大影响。