混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

張 軍

(內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051)

混凝土配合比設(shè)計(jì)是混凝土工程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，混凝土配合比設(shè)計(jì)主要是根據(jù)規(guī)程及施工要求并結(jié)合現(xiàn)用材料的技術(shù)特性、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制水平、氣候條件和歷史經(jīng)驗(yàn)判斷礦物摻合量、用水量、外加劑摻量及砂率等重要參數(shù)。JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》確定用水量基于“固定用水量定則”，主要關(guān)注坍落度、抗壓強(qiáng)度、水膠比、拌合物工作性以及砂率，為混凝土配合比設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。實(shí)際使用中可以直接確定目標(biāo)坍落度和目標(biāo)強(qiáng)度，按照國(guó)標(biāo)中給定的方法計(jì)算出水灰比和砂率等參數(shù)，進(jìn)而確定配合比。根據(jù)社會(huì)發(fā)展的要求，我們要求配合比設(shè)計(jì)不止是滿足強(qiáng)度要求，更要滿足耐久性要求以及環(huán)境要求，在此背景下就不能使用國(guó)標(biāo)一概而論了，在具體工程上依然要進(jìn)行具體配合比設(shè)計(jì)。

對(duì)于高性能混凝土，我們希望它能夠易于澆搗而不離析，有高超的、能長(zhǎng)期保持的力學(xué)性能，早期強(qiáng)度高、韌性好和體積穩(wěn)定性優(yōu)異，在惡劣的使用條件下壽命長(zhǎng)。在實(shí)際配比中，P K Mehta建立了混凝土中粗集料、細(xì)集料、水和膠凝材料各組分之間的聯(lián)系,提出了系統(tǒng)化的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。該方法具有適用范圍寬、簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確和易于程序化的特點(diǎn)，該配合比設(shè)計(jì)方法所配制混凝土的抗壓強(qiáng)度與期望值具有良好的一致性。高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法由半定量向定量、由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)發(fā)展已經(jīng)逐漸成為一種趨勢(shì)。配合比設(shè)計(jì)是混凝土的基礎(chǔ)，也是混凝土領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)發(fā)展，找到其中一些共通的問(wèn)題，將分別從配合比設(shè)計(jì)方法和發(fā)展趨勢(shì)兩方面介紹近幾年國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展。

1 混凝土配合比設(shè)計(jì)方法概述

傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)一般是假定容重法或者絕對(duì)體積法，選定水泥標(biāo)號(hào)，通過(guò)Bolomey公式可以計(jì)算并預(yù)測(cè)水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系。下面幾種配合比設(shè)計(jì)方法在此基礎(chǔ)上發(fā)展或改進(jìn)而來(lái)的。

1.1 基于強(qiáng)度的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

混凝土作為以力學(xué)性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)材料，在其配合比設(shè)計(jì)中首要目標(biāo)就是強(qiáng)度，由于高性能混凝土的強(qiáng)度較高，水灰比低，影響因素多，因此，通常作為混凝土配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的Bolomey公式已不再適用，需要予以修正或者補(bǔ)充。張鐵志等[1]在Bolomey公式的基礎(chǔ)上，將砂率和設(shè)計(jì)強(qiáng)度系數(shù)作為變化因素，得出適用于C65、C70、C75和C90高強(qiáng)混凝土配合比的最佳砂率和最佳設(shè)計(jì)強(qiáng)度系數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。周萬(wàn)良等用單純形重心設(shè)計(jì)法預(yù)測(cè)復(fù)合膠凝材料抗壓強(qiáng)度，然后和設(shè)計(jì)要求的摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度一起代入Bolomy公式，就能得到較準(zhǔn)確的摻合料混凝土水膠比，再通過(guò)體積法就可較準(zhǔn)確地求得摻合料混凝土配合比。此法常常擬定預(yù)期強(qiáng)度，但設(shè)計(jì)出來(lái)的混凝土硬化強(qiáng)度跟預(yù)期容易有較大出入，這也是其不足之處。

1.2 全因子混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

不同于半定量半經(jīng)驗(yàn)的假定容重法和絕對(duì)體積法，全因子設(shè)計(jì)法的公式里包含所有組分的參數(shù)，包括各組分體積、各組分密度、各組分摻量、混凝土配制強(qiáng)度、水泥實(shí)測(cè)強(qiáng)度、水膠比、單位用水量和砂率，有的還需要加入外加劑摻量進(jìn)入運(yùn)算，有時(shí)候用到有限元分析的方法。目的是為探索規(guī)律，或?yàn)橥愋偷呐浜媳仍O(shè)計(jì)提供參考。周梅等[2]利用全因子設(shè)計(jì)法研究免振搗混凝土，引入了水泥用量、粉煤灰摻量、水膠比、砂率、高效減水劑摻量等參數(shù)，得到了以流速、強(qiáng)度等為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程。鄧宗才等研究了水膠比、砂膠比、外加劑摻量、骨料粒徑范圍、普通水泥及礦物摻和料對(duì)超細(xì)水泥活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度、孔隙率、拌和物流動(dòng)度的影響。全因子設(shè)計(jì)法核心在于找齊所有關(guān)聯(lián)參數(shù)的變化關(guān)系并構(gòu)造公式，從而解決某一類混凝土的配合比設(shè)計(jì)問(wèn)題，而對(duì)于組分不同或者用途不同的其余配合比設(shè)計(jì)，則用處不大。

1.3 基于致密堆積的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

混凝土各組分有體積相加性，粗骨料空隙由干砂漿填充，干砂漿由水泥、摻合料、砂和空隙組成，干砂漿空隙由水填充。以此建立顆粒的致密堆積模型，進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)。陳晉棟等[3]基于可壓縮堆積模型進(jìn)行透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)，建立了集料在透水混凝土中的堆積密實(shí)度與其干堆積密實(shí)度之間的關(guān)系，進(jìn)而確定出單位體積透水混凝土的集料用量。Chang P K[4]通過(guò)致密混合物設(shè)計(jì)算法結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了水固比對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性有重要影響，為混凝土的耐久性設(shè)計(jì)提供參考。在自密實(shí)混凝土方向，王旭浩通過(guò)改善混凝土系統(tǒng)的顆粒堆積，在減少20%膠凝材料用量的情況下使混凝土保持同樣的力學(xué)性能。Hettiarachchi優(yōu)化了集料堆積模型，保證所生產(chǎn)混凝土砌塊強(qiáng)度的同時(shí)優(yōu)化其含水量。Thunuguntla等基于顆粒堆積理論進(jìn)行了堿礦渣混凝土的配合比設(shè)計(jì)，骨料采用顆粒堆積理論進(jìn)行配比，使得混凝土孔隙率較低，提高混凝土耐久性。采用致密堆積理論指導(dǎo)配合比設(shè)計(jì)，需要對(duì)原材料的堆積參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，同時(shí)對(duì)原材料的均勻度有較高要求，這點(diǎn)在實(shí)際工程中體現(xiàn)較為明顯，因?yàn)椴煌蔚脑牧先菀壮霈F(xiàn)不夠均一的情況。

1.4 基于計(jì)算-試配的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

在有一定以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，一般先結(jié)合以往數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行試配，通過(guò)試配后發(fā)現(xiàn)某一個(gè)或者某幾個(gè)性能有所偏差，再通過(guò)調(diào)整配合比予以修正，一般會(huì)用正交實(shí)驗(yàn)的方法，最終得到理想配合比。

由于不同流變類型混凝土膠結(jié)材漿體的流動(dòng)性、黏性以及粗集料級(jí)配與用量差別很大，為方便設(shè)計(jì)，傅沛興[5]提出了不同流變類型混凝土漿體量范圍與拌和用水量的選取方法，建立了4個(gè)集料連續(xù)級(jí)配計(jì)算式，計(jì)算出各種流變類型混凝土的適宜粗集料用量。李銘等[6]通過(guò)參考以往工程配比，對(duì)礦渣基水泥混凝土路面修補(bǔ)材料進(jìn)行不斷的試配并優(yōu)化，得出修補(bǔ)材料、水、細(xì)集料、粗集料和外加劑的最優(yōu)配比。在沿海地區(qū)，需要采用高強(qiáng)度高性能混凝土來(lái)克服靜、動(dòng)荷載以及氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕等不同情況下的環(huán)境荷載引起的劣化。這種先計(jì)算，再試配調(diào)整，最終得到合適配比的方法應(yīng)用較多，為半定量半經(jīng)驗(yàn)式方法，優(yōu)點(diǎn)是可以在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上變通，其不足之處在于較為繁瑣，需要時(shí)間成本和人力成本，且對(duì)操作人員的技術(shù)水平有一定要求。

1.5 基于骨料裹漿厚度的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

混凝土的性能受骨料表面裹漿厚度的影響較大，裹漿太薄則影響混凝土工作性能和力學(xué)性能，太厚同樣會(huì)影響力學(xué)性能。在理想的混凝土設(shè)計(jì)模型中，骨料外圍包裹的水泥漿體厚度應(yīng)當(dāng)適宜。

基于骨料裹漿厚度，賀圖升等[7]根據(jù)強(qiáng)度要求設(shè)定骨料裹漿厚度與水灰比，再計(jì)算出水泥漿體體積與水泥用量，最后用減水劑來(lái)調(diào)整透水磚拌和物的工作狀態(tài)，提出了一種水泥基透水磚配合比設(shè)計(jì)方法。隨著水膠比的增大，骨料裹漿厚度受減水劑用量的影響越大；在水膠比一定時(shí)，骨料裹漿厚度隨減水劑用量的增加而變小。黃凱健等[8]在基于粗骨料緊密堆積理論的基礎(chǔ)上采用了考慮粗骨料包裹層厚度的配合比設(shè)計(jì)方法，使混凝土強(qiáng)度及工作性能表現(xiàn)更佳。基于裹漿厚度的設(shè)計(jì)方法出發(fā)點(diǎn)多為混凝土流動(dòng)性，核心在于計(jì)算使混凝土達(dá)到目標(biāo)流動(dòng)性的最低裹漿厚度，然后通過(guò)調(diào)整裹漿厚度平衡流動(dòng)性和硬化強(qiáng)度。

2 配合比設(shè)計(jì)前沿進(jìn)展

2.1 功能性混凝土配合比設(shè)計(jì)

出于用途需要，混凝土在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮某些功能性參數(shù)，諸如以自流平為主要設(shè)計(jì)目的，或者以耐久性為設(shè)計(jì)目的等等。陳瑜等[9]根據(jù)多孔混凝土路用性能和功能性要求，提出了基于目標(biāo)孔隙率的多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，推薦了配合比參數(shù)的合理范圍。施惠生研究認(rèn)為水灰比為機(jī)場(chǎng)道面混凝土配合比設(shè)計(jì)中的首要考慮因素，并發(fā)現(xiàn)水灰比與混凝土抗折強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。自密實(shí)混凝土是近30年來(lái)發(fā)明和得到廣泛應(yīng)用的混凝土，由于其優(yōu)越的工作性能和良好的耐久性而在土木工程各個(gè)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視。配制自密實(shí)混凝土的關(guān)鍵是使其流動(dòng)性和抗離析性相統(tǒng)一，即保證混凝土拌合物在大流動(dòng)性條件下,骨料能夠懸浮于水泥漿中，使整體具有較好的和易性。

為使混凝土滿足某特定使用性能，對(duì)其配比進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)是現(xiàn)今發(fā)展趨勢(shì)，從設(shè)計(jì)源頭對(duì)混凝土進(jìn)行功能性分類，可以極大方便混凝土的實(shí)際使用。

2.2 基于使用環(huán)境的配合比設(shè)計(jì)

在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，往往都采用適宜的溫度、適宜的養(yǎng)護(hù)條件等較為標(biāo)準(zhǔn)的條件，然而在混凝土的施工過(guò)程中，環(huán)境條件是多變的甚至極端的，此時(shí)就需要考慮混凝土在不同環(huán)境下的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

我國(guó)北方地區(qū)氣候寒冷，通過(guò)模擬冬季施工環(huán)境，調(diào)整混凝土配合比，在滿足混凝土強(qiáng)度要求前提下，找出最適宜的干混抗凍混凝土配合比。在高原凍土地區(qū)施工，對(duì)混凝土的抗凍性提出更嚴(yán)格的要求，胡佐平等[10]研究了水膠比、膠凝材料用量、礦物摻合料種類和摻量等配合比關(guān)鍵參數(shù)對(duì)C30樁基混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律，建議水膠比不大于0.45，膠凝材料用量不低于380 kg/m3，并采用10%粉煤灰和5%硅灰復(fù)摻。而鐵路混凝土配合比設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，不僅要考慮抗凍性，還要考慮抗裂性、耐磨性、抗堿-骨料反應(yīng)、耐蝕性、抗?jié)B性等性能。應(yīng)選擇骨料級(jí)配最大粒徑、選擇孔隙率較小密度最大的級(jí)配組合并適當(dāng)加入摻合料。

在炎熱環(huán)境下，考慮到高溫對(duì)水化反應(yīng)速率的影響，以及高溫帶來(lái)的水分快速蒸發(fā)，必須對(duì)混凝土配合比進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。研究水膠比、骨膠比和砂率的不同變化，通過(guò)適宜的配合比來(lái)消除炎熱天氣對(duì)抗壓強(qiáng)度的不利影響，Soudki等在三個(gè)溫度水平下對(duì)48個(gè)組分進(jìn)行排列組合(共432個(gè)配合比)進(jìn)行全因子試驗(yàn)，在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同溫度下的最佳混凝土配合比以及對(duì)溫度變化最不敏感的配合比提出了建議?；谑褂铆h(huán)境，對(duì)混凝土進(jìn)行因地制宜、因時(shí)制宜的設(shè)計(jì)調(diào)整是必要的，通過(guò)對(duì)這一類問(wèn)題的研究，可以更好地服務(wù)于混凝土在不同地區(qū)的實(shí)際使用。

2.3 利用數(shù)學(xué)工具輔助配合比設(shè)計(jì)

利用以往的配合比數(shù)據(jù)繪制擬合圖表，或提煉出擬合公式，可以為將來(lái)的配比提供較可靠參考。馬士賓等運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析并建立各變量的回歸方程，根據(jù)所需漿體性能指標(biāo)對(duì)各回歸方程進(jìn)行尋優(yōu)處理，得出漿體的最優(yōu)配合比。Nazari通過(guò)規(guī)范化的非線性權(quán)重函數(shù)，使得抗壓強(qiáng)度與配合比設(shè)計(jì)時(shí)的某一個(gè)參數(shù)線性相關(guān)，探索規(guī)律指導(dǎo)配合比設(shè)計(jì)。Qasrawi等[11]使用和易性分散粘結(jié)法設(shè)計(jì)混凝土配合比，建立和易性分散系數(shù)與和易性粘聚力系數(shù)，為配合比設(shè)計(jì)中遇到的變量建立簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。科學(xué)利用數(shù)學(xué)工具參與到混凝土配合比設(shè)計(jì)，這是進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)的必然要求，探索理論內(nèi)核并選取合理的數(shù)學(xué)工具指導(dǎo)配合比設(shè)計(jì)，是混凝土配合比設(shè)計(jì)的科學(xué)發(fā)展方向。

2.4 基于新算法的配合比設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，各領(lǐng)域都在應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助自身發(fā)展。將混凝土各組分及其性能量化成參數(shù)，設(shè)計(jì)算法并利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力模擬合適的配合比。通過(guò)模糊邏輯系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，模糊邏輯系統(tǒng)是一種用取值區(qū)間代替具體取值的計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)為坍落度、骨料最大粒徑、混凝土抗壓強(qiáng)度和細(xì)度模數(shù)，輸出數(shù)據(jù)為水、水泥、細(xì)骨料和粗骨料的用量。柯楊等[12]選用合適模型，建立起相應(yīng)的程序來(lái)輔助推導(dǎo)混凝土設(shè)計(jì)。Lim等[13]利用遺傳算法這一以生物進(jìn)化過(guò)程自然選擇和自然遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的全局優(yōu)化技術(shù)，提出了高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法。Phan基于貝葉斯概率方法建立了混凝土配合比設(shè)計(jì)性能的滿意度概率曲線(0～100%)，作為指定性能標(biāo)準(zhǔn)值和指定材料參數(shù)的函數(shù)，用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和損傷評(píng)估。

混凝土配合比設(shè)計(jì)的發(fā)展要跟計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密結(jié)合起來(lái)，利用好計(jì)算機(jī)在計(jì)算方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的龐大分析能力，探索到人力無(wú)法發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.配合比設(shè)計(jì)方法眾多，可大致分類為基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)、全因子設(shè)計(jì)、基于致密堆積設(shè)計(jì)、基于計(jì)算-試配設(shè)計(jì)以及基于骨料裹漿厚度設(shè)計(jì)五個(gè)種類，每一種方法都有其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，要合理選擇。

b.配合比設(shè)計(jì)有著較豐富的前沿發(fā)展方向，包括功能性設(shè)計(jì)、基于環(huán)境設(shè)計(jì)、利用數(shù)學(xué)工具設(shè)計(jì)以及運(yùn)用新算法設(shè)計(jì)等，在更貼近工程實(shí)際的同時(shí)又更具有科學(xué)性。

綜上分析，各混凝土配合比方法或多或少存在一些缺點(diǎn)，使得混凝土配合比設(shè)計(jì)更貼近工程實(shí)際，混凝土配合比設(shè)計(jì)有更統(tǒng)一的理論指導(dǎo)以及混凝土配合比設(shè)計(jì)更為科學(xué)簡(jiǎn)便是現(xiàn)代混凝土發(fā)展所亟待解決的問(wèn)題。