高强高性能混凝土配合比优化设计

白荣荣

摘要：因配合比是混凝土质量及性能的重要保障，要配出理想高强高性能混凝土，配合比非常重要。本文首先说明了高强高性能混凝土的主要性能，然后详细阐述高强高性能混凝土配合比优化设计方法。

关键词：高强高性能混凝土；配合比；水泥；数学模型

一、高强高性能混凝土主要性能

（一）力学性能

混凝土抗压强度是其标准试件在压力作用下，直到破坏掉，这个单位面积所能承受的最大压力。混凝土抗压强度主要由水灰比、水化程度和密实度三个基本要素决定，即通过降低水灰比，提高水化程度和密实度，从而提高混凝土抗压强度。

参数和水化程度可直接进行量化，但参数密实度与相同混凝土完全振捣密实后的表现密度相关，而密实度（c）是通过含气量来影响强度的，因气孔会降低水泥浆基体的强度。

（二）工作性

工作性是新拌混凝土性能，即新搅拌混凝土在一定施工条件下，便于搅拌、运输和浇灌等工作，且质量均匀、密实程度较高的一种性能。工作性在搅拌时体现为各种组合材料都能均匀搅拌，运输中表现为新拌混凝土的稀稠程度不会发生变化，而在浇筑过程则表现为新拌混凝土易于振实，并能流满模板。在硬化方面，表现为可保证水泥充分水化且水泥石和骨料能进行有效粘结。

对新拌混凝土的工作性测试和评价方法主要有坍落度试验，VEBE稠度测验以及密实度系数。虽然在测试高强高性能混凝土有多重方法，但坍落度测试是应用最广泛的一项。

（三）耐久性

混凝土耐久性指混凝土在使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，能使混凝土长期保持一个轻度和外观完整性。对混凝土来说常见的侵蚀现象有硫酸盐侵蚀、二氧化碳侵蚀和冻融破坏等几方面，多数表现为化学侵蚀作用。为避免以上侵蚀作用给混凝土带来破坏，就需采取降低水灰比及使用引气剂措施来提高混凝土性能和抗冻耐久性。

二、高强高性能混凝土配合比优化设计

高强高性能混凝土首要保证的重点性能为：强度、耐久性、工作性、适用性及体积稳定性，其次才考虑经济性。因此本文将以上性能指标作为高强高性能混凝土配合比的数学模型约束条件并以工程造价为目标函数来建立优化模型。

（一）材料约束

1、水泥

高性能混凝土采用水泥一般用硅酸盐水泥，并要求硅酸盐水泥各项指标都能满足通用硅酸盐水泥的标准要求（GB175 -2007）。需注意，硅酸盐水泥流动性要好，且含有较低碱含量，另外要注意与外加剂相容性，从而得到高强高性能混凝土。

2、骨料

首先细骨料应选配置合理、质地均匀且坚固的骨料，吸水率要低，空隙要小的一些粗河砂，不能使用海砂，而粗骨料应选一些例形良好、质地均匀且坚固骨料，一般为洁净碎石。粗骨料应采用二级或是多级配碎石混配成高强高性能混凝土，且各项指标须要满足《混凝土工程施工质量和验收标准》。

3、聚羧酸系高效减水剂

掺加聚羧酸系高效减水剂能使混凝土具有极高强度和耐久性，对气候变化、温度变化也具有极高耐性。掺加聚羧酸系高效减水剂特点使及时在高温情况下，建筑物塌落程度也会减小，损失小，且掺加聚梭酸高效减水剂具有良好流动性，及时在较低温度情况下也不需大幅度增加减水剂的加入量。

4、硅灰

硅灰是在生产硅铁时产生的烟灰形成的，所以被称为硅灰，是种矿物掺和料。硅灰在进行高强高性能混凝土中应用最早且技术最为成熟的一种掺和料，也是应用最广泛的掺和料。硅粉中活性SiO含量高达90%以上，其中硅粉活性較高，且能填充水泥空隙，从而极大地提高混凝土密实度和强度，使混凝土达到高强高性能目的。

5、优质粉煤灰

一般选用一级灰掺入到混凝土中，主要是因一级灰中所含有的玻璃微珠润滑作用高，能有效降低水灰比，充分利用一级灰细粉末填充效应和火山灰活性效应，从而提高混凝土强度，形成一种高强高性能混凝土。

（二）水胶比

为保证混凝土和易性， 配制高强混凝土所用水胶比（水与胶结料质量比）不宜大于0.4，水胶比太小不能保证混凝土坍落度， 太大不能保证混凝土强度。对C55混凝土水胶比宜取0.24～0.29。强度等级愈高，水胶比应愈低。

（三）单位用水量

为保证混凝土耐久性能和强度发展，拌和混凝土用水宜符合国家标准的生活用水和清洁天然水。因配制高强高性能混凝土集料最大粒径波动范围很小且掺入了矿物掺合料，所以不能用确定普通混凝土单位用水量的方法来确定高性能混凝土单位用水量。大量高强高性能混凝土施工实例表明，混凝土强度越高，单位用水量常越低，而对C55混凝土而言单位用水量应控制在165kg左右。

（四）配合比优化设计的数学模型

把混凝土材料经济成本最低化作为优化目标，目标函数为：

（1）

1m3强度等级为C60高性能混凝土中水泥、砂、石、水、减水剂、硅粉、粉煤灰的用量（kg）分别是x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7；各原材料单价（kg/元）分别是y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7。

各组成材料用料约束：

（2）

其中，x （l）i，x （u）i （i =1，2， …，7）分别为材料下、 上限。

材料体积约束：

（3）

其中ρi 为各材料密度（i =1，2，3，4，5，6，7）；α为混凝土含气量，不掺加引气剂时，取α=1。

（五）Matlab 函数选择

Matlab优化工具箱中，用于求解多元线性问题的函数主要是linprog，用于求解有约束非线性函数最小化函数主要是fmin-con，利用以上两种函数对本文中的问题进行多次求解后发现，fmincon得到的结果更优，所以本文采用后者。

假设多元线性规划问题数学模型为：

（4）

fmincon 函数调用格式如下：

[x，f val ]= fmincon（fun，x0 ，A，b，A eq，b eq，l b，ub ）。

（六）高强高性能混凝土配合比设计技术措施

1、大量掺用粉煤灰改善混凝土性能

因粉煤灰中玻璃微珠能使水泥砂浆粘度和颗粒间摩擦遍地，且使水泥中的颗粒充分分散，起到一个在相同稠度情况下使混凝土用水量减少的效果，提高和易性。另外，因粉煤灰颗粒较细，所以能起到一个改善胶凝材料的颗粒级配作用，减少空隙，所以在一定程度上有效降低了混凝土用水量。

粉煤灰掺入到混凝土中特别的一点是，在刚开始时粉煤灰并不参与水化，而是起到一个填充作用，让混凝土获得一个更好性能，而在后期粉煤灰开始和水泥水化产物互相作用，形成填充颗粒，加强混凝土密度，大大提升强度。

2、采用复掺技术

指在混凝土中掺入两种或两种以上细掺料。粉煤灰在早期影响强度较高，特别是在掺量较大时候，影响就随之增大。加入复合活性更好的硅灰在一定程度上可提高火山灰效应，从而提高粉体化学活性。粉煤灰和硅灰进行掺和后，混凝土强度得到一定互补，能产生复合的更佳效果，具有更高工作性能和耐久性能。

结语

综上，本文提出的以混凝土各种材料用量及混凝土体积作约束条件而建立的数学模型适合于高强高性能混凝土配合比优化研究，实际生产中有一定应用价值，具有普遍指导意义。

参考文献

[1]于靖，仲诚.？？高性能混凝土配合比优化设计[J]. 山西建筑. 2013（11）

[2]林康培.？大桥主塔高性能混凝土配合比设计优化分析[J]. 科技与企业. 2011（08）