價(jià)值工程理論在季凍區(qū)混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

哈 娜，徐義洪，包宇揚(yáng)

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校 道橋系 沈陽市 110122)

0 引言

為了提高產(chǎn)品或作業(yè)價(jià)值，高效利用資源價(jià)，從而達(dá)到降低壽命周期成本的目的，通過創(chuàng)造性工作，獲得最佳的綜合經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。價(jià)值工程理論下的價(jià)值，不同于政治經(jīng)濟(jì)學(xué)中所指的產(chǎn)品使用價(jià)值，不同于產(chǎn)品交換價(jià)值，而是產(chǎn)品進(jìn)行相互比較后產(chǎn)生的價(jià)值，即功能與全部費(fèi)用之比。計(jì)算公式為：V=F/C。其中F表示功能，C表示成本，V表示價(jià)值。

功能指數(shù)法可以更精確地計(jì)算出超細(xì)玻璃微珠高性能混凝土的配比，并且確定出對應(yīng)的混凝土性能價(jià)值。將功能程度大小和成本費(fèi)用大小實(shí)現(xiàn)價(jià)值指數(shù)法的歸一化數(shù)值計(jì)算，由此確定季凍區(qū)混凝土的功能指數(shù)和成本指數(shù)，用其在總體性能和總材料成本費(fèi)用中所占的比率來表示[3-5]，根據(jù)價(jià)值計(jì)算公式V=F/C。

1 基于價(jià)值工程理論的優(yōu)化步驟

為使季凍區(qū)超細(xì)玻璃微珠高性能混凝土性能的價(jià)值工程收益更高，總結(jié)價(jià)值工程分析的基本步驟如下：

(1)求各試件組功能系數(shù)F。根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果確定各試件組對應(yīng)工作性、強(qiáng)度、抗氯離子侵蝕、抗凍性、收縮性五個方面功能情況進(jìn)行分析，結(jié)合權(quán)重的相關(guān)概念和確定方法，分別確定客觀權(quán)重和主觀權(quán)重，并結(jié)合文獻(xiàn)[6]確定綜合權(quán)重，將試驗(yàn)結(jié)果歸一化處理后根據(jù)權(quán)重確定各個試件歸一化結(jié)果，并根據(jù)功能系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算確定對應(yīng)各試件組的功能系數(shù)：功能系數(shù)=各試件組的性能/各試件組性能之和。

(2)計(jì)算各試件組的成本及成本系數(shù)C。根據(jù)原材料數(shù)量×原材料單價(jià)=原材料成本公式，求解各原材料成本和，計(jì)算每個試件組的成本，從而計(jì)算確定各試件組的成本系數(shù)C。根據(jù)公式：成本系數(shù)=各試件組的成本/各試件組成本之和，確定對應(yīng)各試件組的成本系數(shù)。

(3)確定價(jià)值系數(shù)V。根據(jù)V=F/C，計(jì)算各試件組的價(jià)值系數(shù)。式中，F(xiàn)是超細(xì)玻璃微珠高性能混凝土試驗(yàn)研究中混凝土的功能情況，包括在內(nèi)的有混凝土的工作性、抗凍性、抗壓強(qiáng)度、抗氯離子擴(kuò)散、收縮性等因素。C是指材料的成本費(fèi)用。根據(jù)價(jià)值系數(shù)數(shù)值進(jìn)行各試件配合比優(yōu)化性能分析。

2 季凍區(qū)高性能混凝土的功能分析

季凍區(qū)混凝土的性能主要在于工作性、強(qiáng)度、抗氯離子擴(kuò)散性、抗凍性和收縮性五個方面，對于這五個方面的功能分析主要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

2.1 高性能混凝土試驗(yàn)研究

2.1.1試驗(yàn)原材料

(1)水泥：采用硅酸鹽水泥42.5級，密度為3.1g/cm3，產(chǎn)地為沈陽冀東水泥廠。

(2)超細(xì)玻璃微珠(簡稱微珠)：密度為2.7g/cm3，拌制混凝土和砂漿用粉煤灰Ⅰ級的技術(shù)要求，以及強(qiáng)度活性指數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果中均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005規(guī)定，提供廠家為內(nèi)蒙古文景君臨新材料科技有限公司。

(3)硅灰：密度為2.2g/cm3，產(chǎn)地為沈陽市眾邦建筑材料有限公司。

(4)細(xì)集料：采用細(xì)度模數(shù)為2.84的中砂，密度為2.65g/cm3的河沙。

(5)粗集料：5-20mm連續(xù)級配碎石，密度為2.7g/cm3。

(6)外加劑：聚羧酸高性能減水劑，產(chǎn)地為沈陽混凝土行建筑材料科技有限公司。

(7)水：潔凈的自來水。

綜合考慮單摻超細(xì)玻璃微珠和雙摻超細(xì)玻璃微珠以及硅灰兩種方式進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，膠凝材料用量為480g/m3，最佳硅灰的摻量根據(jù)10%來進(jìn)行C50混凝土配置，其配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1.2高性能混凝土試驗(yàn)

(1)工作性試驗(yàn)。高性能混凝土的工作性和普通混凝土沒有區(qū)別，可按流動性、黏聚性、保水性來考慮。因此以坍落度的數(shù)值來衡量高性能混凝土工作性的重要指標(biāo)[7]。不同配比條件下的坍落度可以依據(jù)《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]GB/T 50080—2016測量。高性能混凝土由于摻入了高效的外加劑，大大增大了混凝土的坍落度，同時(shí)還由于微珠等礦物摻和料的作用填充了水泥膠凝材料的空隙，使得高性能混凝土呈現(xiàn)良好的黏聚性和保水性。

(2)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[8](JTG E30—2005)制作標(biāo)準(zhǔn)立方體塊，其尺寸為100mm×100mm×100mm，將制作完成的立方體試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行強(qiáng)度測試，每一組三個試件，取其平均值作為其28d強(qiáng)度值，抗壓完成的試件，見圖1。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的試件

(3)抗氯離子滲透試驗(yàn)。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]GB/T 50082—2009，進(jìn)行快速氯離子遷移系數(shù)法測定氯離子在混凝土中非穩(wěn)態(tài)的遷移系數(shù)，從而進(jìn)一步來評價(jià)混凝土抗氯離子的滲透能力。測量氯離子滲透深度時(shí)，可以將試件以垂直于長邊的方式等分為10份，用紅色筆描出滲透輪廓線，使用游標(biāo)卡尺，測量顯色分界線距離試件底部的長度，精確至0.1mm。以便觀察顏色變化的位置，具體完成情況如圖2所示。

圖2 劈開后試件

(4)抗凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)使用水泥混凝土抗凍性試驗(yàn)方法(快凍法)。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[8](JTG E30—2005)進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)試樣可連續(xù)使用，每組3個。棱鏡混凝土試件的尺寸為100mm×100mm×400mm。經(jīng)過300次凍融循環(huán)[10]后，對試件稱重并檢查其外觀，如圖3所示是經(jīng)過試驗(yàn)后試件的表面，試件表面出現(xiàn)了明顯的剝蝕現(xiàn)象。

圖3 凍融循環(huán)后混凝土表面剝蝕情況

(5)收縮性試驗(yàn)。采用接觸法收縮試驗(yàn)?？蓞⒖肌镀胀ɑ炷灵L期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]GB/T 50082—2009進(jìn)行，棱柱體[10]的尺寸為100mm×100mm×515mm，一組3個試件，采用具有剛度足夠、收縮變形小的鋼模作為試驗(yàn)?zāi)０?。試件成型后，?biāo)養(yǎng)1d后拆模。用垂直千分尺作為收縮儀(儀器由試件框架和外部安裝的千分尺組成)測量試件的收縮，如圖4所示。

圖4 收縮試驗(yàn)

2.2 功能分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和季凍區(qū)高性能混凝土功能進(jìn)行整理分析，為細(xì)化功能統(tǒng)計(jì)內(nèi)容與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相匹配，將功能統(tǒng)計(jì)內(nèi)容概括為工作性、強(qiáng)度、抗氯離子擴(kuò)散性、抗凍性和收縮性五個方面，見表2。表2中的抗凍性以質(zhì)量損失率考慮，而收縮性是根據(jù)前面試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)平均干縮率得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行收縮性的判定，從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到如下結(jié)論：

表2 功能試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

(1)單摻微珠的工作性良好，強(qiáng)度會下降，同時(shí)微珠含量的增加會影響混凝土的抗氯離子擴(kuò)散性能、抗凍性，但是微珠對收縮有利。

(2)微珠不利的影響以及其可改善收縮性能的作用可通過雙摻微珠和硅灰發(fā)揮出來。對于功能評價(jià)其最重要的環(huán)節(jié)就在于各個功能中權(quán)重的確定。在價(jià)值工程中，可以采用主觀賦權(quán)法來確定其權(quán)重，但這種方法具有很大的主觀性和隨意性，不能真實(shí)反映客觀事物之間的現(xiàn)實(shí)關(guān)系，因此在實(shí)踐中應(yīng)盡量避免使用。為了更加合理地確定各個功能的權(quán)重關(guān)系應(yīng)結(jié)合客觀權(quán)重，即為綜合權(quán)重的確定[10]。確定綜合權(quán)重的方法是綜合考慮高性能混凝土材料條件產(chǎn)生的功能結(jié)果和配合比需求，從而確定綜合權(quán)重。因此為確定綜合權(quán)重需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和專家打分兩種情況，將主觀定權(quán)法和統(tǒng)計(jì)分析法相結(jié)合綜合確定。

對于客觀權(quán)重的確定應(yīng)用均方差的方法對表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均方差的計(jì)算，以指標(biāo)權(quán)重系數(shù)作為客觀權(quán)重。主觀權(quán)重的確定采用“01”分析法。邀請10位具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家對季凍區(qū)混凝土各項(xiàng)功能的影響進(jìn)行問卷調(diào)查，以打分形式確定各功能的重要性，統(tǒng)計(jì)分析后各功能對比打分結(jié)果，即可獲得主觀權(quán)重。由此可得主客觀權(quán)重結(jié)果，見表3。

表3 主客觀權(quán)重表

為確定綜合權(quán)重還需給出各功能的理想值方案，將表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得處理后各功能的均值作為理想方案S*={0.777,0.816,0.783,0.869,0.812}。

確定主觀權(quán)重和客觀權(quán)重參數(shù)矩陣的方法，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的綜合權(quán)重公式為

(1)

式中，A和B——參數(shù)

根據(jù)式(1)可得綜合權(quán)重應(yīng)為wj={0.21,0.17,0.22,0.24,0.16}。

為了對比各個試件之間的同一功能情況，對表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，確定各個試件的功能系數(shù)，見表4。

表4 各試件功能系數(shù)確定表

3 季凍區(qū)高性能混凝土的成本分析

根據(jù)試驗(yàn)所需各材料，統(tǒng)計(jì)原材料的單價(jià)。參考試驗(yàn)采購報(bào)價(jià)確定各原材料價(jià)格，并統(tǒng)計(jì)單價(jià)和試驗(yàn)材料列表。根據(jù)沈陽市2016年自來水價(jià)格，確定試驗(yàn)用水費(fèi)用。最終確定材料成本系數(shù)表，見表5。各材料用量均為單位體積混凝土的質(zhì)量kg，應(yīng)用成本系數(shù)公式，代入成本單價(jià)，確定出各試驗(yàn)成本系數(shù)表，見表5。

表5 各試件成本系數(shù)確定

4 季凍區(qū)高性能混凝土的價(jià)值分析

將計(jì)算得到的函數(shù)系數(shù)和成本系數(shù)代入價(jià)值系數(shù)公式，得到函數(shù)系數(shù)、成本系數(shù)和價(jià)值系數(shù)的曲線，如圖5所示。

圖5 F、C、V曲線

優(yōu)化分析價(jià)值指數(shù)。根據(jù)圖5可以看出，其功能曲線基本呈現(xiàn)上升趨勢，而成本曲線是隨著微珠和硅灰摻量的逐漸增加而上升的。

對于未添加礦物摻和料的試件1，其值指數(shù)最低，為0.923699，說明未添加礦物摻和料的試件功能較差。但是卻不能獲得很好的價(jià)值，因此為了改善其價(jià)值必須提高其功能；在微珠摻量為20%時(shí)，價(jià)值系數(shù)達(dá)到1.01791，試件2、試件3和試件4的價(jià)值曲線顯示獲得最高價(jià)值，試驗(yàn)結(jié)果表明，用較低的試驗(yàn)材料成本可以獲得較大的功能效果。由此可見，單個微球混合的情況為：在摻量為20%時(shí)，可獲得最好的性價(jià)比；試件5、試件6和試件7的價(jià)值指數(shù)均超過了1，且價(jià)值系數(shù)值都比1.01791大，表明其功能指數(shù)比重明顯大于成本比重，是比較經(jīng)濟(jì)的，這也說明了雙摻微珠和硅灰的試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于單摻和不摻的情況，同時(shí)，從價(jià)值指數(shù)的結(jié)果來看，如果微球含量增加，成本會增加，雙摻雜的價(jià)值指數(shù)也會隨著微球含量的增加而下降。從而導(dǎo)致其價(jià)值指數(shù)下降，因此從價(jià)值指數(shù)曲線可以看出雙摻微珠和硅灰時(shí)，其等量配比的情況是性價(jià)比最高的，它不僅可以獲得較高的功能指標(biāo)，而且可以節(jié)約成本。價(jià)值工程分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果完全一致。也更好地從理論上對雙摻的合理配比進(jìn)行了驗(yàn)證。

5 結(jié)論

在高性能混凝土試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用價(jià)值工程理論對配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。研究結(jié)論如下:

(1)總結(jié)基于價(jià)值工程理論的高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟。

(2)根據(jù)季凍區(qū)高性能混凝土的性能要求設(shè)計(jì)工作性、強(qiáng)度、抗氯離子擴(kuò)散、抗凍性和收縮性等方面的試驗(yàn)，并對五個方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行功能分析，從主客觀兩個方面確定功能分析的綜合權(quán)重，由此確定功能系數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)材料使用情況和地區(qū)材料單價(jià)，確定試驗(yàn)材料成本系數(shù)，并應(yīng)用價(jià)值系數(shù)計(jì)算公式，確定價(jià)值系數(shù)，同時(shí)繪制功能、成本和價(jià)值系數(shù)曲線。

(3)從優(yōu)化分析結(jié)果可以看出，對于未摻加礦物摻和料的試件功能性不好，而單摻微珠摻量為20%時(shí)，獲得最高價(jià)值，雙摻微珠和硅灰時(shí)，其等量配比的情況是性價(jià)比最高的，價(jià)值工程分析得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，對試驗(yàn)得出結(jié)論進(jìn)行了很好的驗(yàn)證。