信息智能化在商品混凝土中的应用研究

宋庭鉴 辛运来

摘要：开发了混凝土泵送剂配方设计计算软件以及混凝土配合比设计计算软件，并系统研究两种软件在商品混凝土中的应用。以一元复配为例，得到了减水剂减水率与掺量的线性关系式，以及泵送剂其余组分的计算公式；混凝土配合比计算软件以“体积法”为基础，对软件设计过程进行详细阐述，软件涵盖了混凝土配合比设计相关的国家标准和大量的生产实践经验，具有较高的科学性与实用性。

关键词：计算机软件；混凝土；泵送剂；配合比设计；应用

Research on the application of intelligent information in commercial concrete

SONG Ting-jian1，XIN Yun-lai2

（1. The High School Affiliated to Renmin University of China，Beijing 110000，China；2. Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Abstract：Design calculation software for concrete pumping formulation and design calculation software for concrete mix is developed in this paper. The two software applied in commercial concrete is studied. As one dollar complex for example， the linear relation between water reducing agent and its dosage and the formula of pumping agent is obtained. Based on "volumetric method"， software design elaborate process is in detail. The software is very scientific and practical which include national standards relevant to concrete mix ratio design and production experience.

Key words：computer software； concrete； pumping agent； mix Design； application

0引言

混凝土是全世界應用最广泛的建筑材料，一般由水泥、掺合料（矿渣粉、粉煤灰、硅粉等）、砂、石、水、外加剂组成。混凝土质量取决于配合比，泵送剂，砂率等。以上因素按照传统方法是根据相关国家及地方标准，结合技术人员的经验，经人工调整计算得出具体结果，复杂且易出错。将传统混凝土材料生产工艺与计算机信息化技术结合，通过大数据库数据挖掘和数据信息优化，实现混凝土材料生产环节中原材料数据的科学利用、科学管理，提高企业的生产效率{1-4}。文章采用了Delphi语言，在混凝土配合比设计方面进行了计算软件的开发，运用到混凝土泵送剂掺量和混凝土配合比项点的计算方面上，操作比较简易、精确。

1泵送剂一元复配方法及计算公式推导

1.1原材料技术参数

水泥的标准稠度用水量W0、C3A和SO3，标准稠度的水泥净浆作为外加剂检测的基础；减水剂：复配混凝土泵送剂的减水剂主要考虑减水率和掺量，其中临界掺量和饱和掺量及其对应的减水率是必检项目。采用一元复配时，通过临界掺量和饱和掺量来控制减水率。由此看出，这3个部分是选择减水剂最主要的考虑因素；缓凝剂：缓凝剂主要考虑等效缓凝和凝结时间差，当环境温度变化时，为保证混凝土拌合物初凝时间为6h-8h，终凝时间为7h-9h，以掺0.001%的葡萄糖酸钠正比例于温度（℃）进行掺量控制，温度与掺量之间实现等效的缓凝，最常见的缓凝成分有，葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、蔗糖等，重点检测有效成分含量。

1. 2一元复配方法与公式

一元复配是利用一种减水剂与缓凝剂，配制泵送剂，适当的可以增减适量引气剂，在临界掺量c10和饱和掺量c11以及推荐掺量c，减水剂的临界掺量对应减水率n10和饱和掺量对应减水率n11以及推荐掺量情况下的减水率n上分析，来检测外加剂的水泥标准稠度用水量W0、C3A和SO3。p为泵送剂在混凝土配合比在胶凝材料中的质量百分比，则单位（t）泵送剂中每种原材料所需量为：（1）减水剂的用量M1= 1000*（c10+（（n-n10）*（c11 -c10）/（n11-n10）））/p（kg）；（2）缓凝剂的用量M2=1000*（t*0.001）/p（kg）；（3）引气剂的用量M3= （1--3）/p（kg）；（4）溶剂水的用量M4= 1000-M1-M2-M3（kg）。

1.3公式推导

以泵送剂中减水剂为例，减水剂掺量及其对应减水率存在一次函数的线性对应关系（如图1所示），利用减水剂的临界掺量匹配数值（c10，n10）、饱和掺量匹配数值（c11，n11）以及推荐掺量与对应减水率（c，n）三者对应之间的关系，实现线性回归方程推导。

图1减水剂掺量匹配减水率关系图

根据相似三角形性质可知，减水剂减水率与掺量所构成三角形的对应边比例相同，即：（c-c10）/（c11-c10）=（n-n10）/（n11-n10）。通过推算，得出两者之间的关系为：c=c10+（n-n10）（c11-c10）/（n11-n10）。确定泵送剂在混凝土配合比占胶凝材料的质量百分比p，得到1吨泵送剂中减水剂用量M1，M1= 1000*（c10+（（n-n10）*（c11 -c10）/（n11-n10）））/p（kg）。

1.4软件界面

（1）参数输入

各种材料指标数据，可以通过泵送剂复配计算软件录入，界面如图2所示。

图2泵送剂复配计算软件参数录入界面

（2）计算结果

从图示3中，可以清晰地看出泵送剂的不同组分。

图3计算结果界面

2混凝土配合比计算软件设计基础

软件参照《普通混凝土配合比设计规程》的要求，采用体积法，从而对配合比上进行了开发。

2.1配合比的确定

2.1.1计算原理

由多组分混凝土强度理论数学模型 可知，混凝土的强度由硬化水泥混合砂浆理论强度、胶凝材料的填充强度贡献率和硬化密实浆体的体积百分比决定。

胶凝材料和外加剂的确定，以使用水泥配制混凝土为计算基础，根据水泥强度、需水量和表观密度求出提供1MPA强度时水泥的用量，以此计算出满足设计强度等级所需水泥的量， 其次根据掺合料的活性系数和填充系数用等活性替换和等填充替换求得胶凝材料的合理分配比例，然后用胶凝材料求得标准稠度用水量对应的水胶比，在这一水胶比条件下确定合理的外加剂用量以及胶凝材料所需的搅拌用水量。

集料的确定，首先测得石子的空隙率，根据砂子完全填充于石子的空隙中求得每立方混凝土砂子的准确用量，然后按照混凝土体积组成石子填充模型，用石子的堆积密度扣除胶凝材料，即可求得每立方混凝土石子的准确用量，通过试验求得砂子和石子的吸水率即可求得润湿砂石所需的水。在计算的过程中，除去含气量，由于砂子的空隙率所占体积和胶凝材料水化所需水分在混凝土最后占据的体积基本相同，因此计算过程不考虑砂子的孔隙率和拌合水的体积。

2.1.2依据公式

（1）配制强度的确定：

现代多组分混凝土的配制强度按现行规范fcu、p=fcu、o+1.645σ确定。

（2）水泥浆理论强度σ0的计算

由于配制设计强度等级的混凝土选用的水泥是确定的，在基准混凝土配比计算时取水泥为唯一胶凝材料，则σ0的取值等于水泥标准砂浆的理论强度值σ0，

vco-------标准胶砂中水泥的体积比

C0--------标准胶砂中水泥的用量

------------------水泥的密度

--------------------砂的密度

--------------------水的密度

S0------------标准胶砂中砂的用量

W----------标准胶砂中水的用量

则

------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度

----------------------------标准胶砂的强度

-------------------标准胶砂中水泥的体积比

（3）水泥基准用量的确定

依据石子填充法设计思路，当混凝土中水泥浆体的体积达到100%时，混凝土的强度等于水泥浆体的理论强度值，即R=σ0，此时水泥浆体内含水泥的量可以通过下式求得：

水泥浆的表观密度：

W0------标准胶砂中水泥的标准稠度用水量

ρc0 ----------标准胶砂中水泥的密度

ρ0 ------------标准胶砂中纯浆体的密度

每兆帕混凝土对应的水泥浆质量由下式求得：

C----------提供1MPA强度所需水泥用量

ρ0 ----------标准胶砂中纯浆体的密度

σC -------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度

配制强度为为fcu、p的混凝土基准水泥用量为C01：

.

（4）掺合料用量的确定

设计中采用掺合料反应活性和填充强度贡献率折算后与水泥相等为基础，因此掺合料可由下式求得：

C01= B=α1C+α2F+α3K+α4 Si

C01 = u1C+ u2F+ u3K+u4Si

300≤C+F+K+Si≤600

式中：

C、F、K、Si ——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的用量；

α1、α2、α3、α4——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的活性系数；

u1、u2、u3、u4——分別为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的填充因子指数；

（5）减水剂及用水量的确定

胶凝材料需水量的确定

外加剂用量的确定

采用以上用水量，以推荐掺量进行外加剂的最佳掺量试验，以水泥净浆流动扩展度达到240mm以上为基准，即可求得外加剂的最佳用量。

（6）砂子用量的确定

砂子用量的确定

测得石子的空隙率p，每立方混凝土中砂子的准确用量为砂子的堆积密度乘以石子的空隙率求得：

S=ρS ×p

砂子润湿用水量的确定

测得吸水率，用吸水率乘以砂子用量即可求得润湿砂子的水量：

W2 = S×吸水率

（7 ）石子用量的确定

石子用量的确定

用石子的堆积密度扣除胶凝材料，即可求得每立方混凝土石子的准确用量，则石子用量计算公式如下：

G =ρg堆积 - （VC+VF+VK+VSi） ×ρg表观- （VC+VF+VK+VSi） ×ρg表观

石子润湿用水量的确定

测得吸水率，用吸水率乘以石子用量即可求得润湿砂子的水量：

W3 = G×吸水率

3.配合比软件设计

3.1设计思路

配合比计算设计很繁冗，通常可以把它分成许多单独简单的部分，最后再合在一起。把我们的语言转化为计算机的语言，通常称之为编程，选择Delphi开发设计的计算软件，都比较准确、清晰，容易接受，可以使研究方面的工作做到最优。基于配合比的特征，通过编程，细化为各个简单计算，对每个计算编制程序，达到将复杂计算过程简单化计算，从而分批次编程。

3.2设计框架

参照混凝土配合比计算式，为了简化计算的过程，对熟知的数据和查询的数值进行分类，未知数值则分开归入类别，由此大大缩短了计算的时间，并且降低了手动输入的错误几率，这样软件也更加人性化。采用Delphi语言，通过菜单-新建-窗体，建立新的窗体（ Form），可以增加文本框、复合框以及计算的按钮（可以命名为所需按钮）。

3.3编写计算程序

（1）由公式（1）结合混凝土配制强度通过“按钮1”（Button1）计算获得，所以需要增加双击按钮，从而在Delphi 中输入主要的程序段落：

Label20.caption：=formatfloat（′0.0′，StrToFloat（Edit2.Text）+StrToFloat（ComboBox2.Text）*1.645）；

其中函数所用的函数介绍如下：

FormatFloat-表示浮点数，字符串可以通过StrToFloat转成前者。

选择公式编译成程序，采用函数StrToFloat把现有的字符串转换为浮点数，便于计算，接着编写好计算公式，选择函数FormatFloat，把精确度定制在0.0。

（2）参照公式（2）和水灰比，按下“按钮2”（Button2），可以在Delphi中增加主要程序段落：

Label21.caption：=formatfloat（′0.00′，StrToFloat（ComboBox1.Text）*StrToFloat（Edit3. Text）/（StrToFloat（Label20.caption）+StrToFloat（ComboBox1.text）*StrToFloat（ComboBox3.Tex t）*StrToFloat（Edit3.Tex t）））； 所用函数同上，精确度为0.00。

（3）结合公式（3）和水泥用量，按下“按钮3”（Button3），可以在Delphi 中加入主要程序段落：

Label22.caption：=formatfloat（′0′，StrToFloat（Edit4.Text） /StrToFloat（Label21.caption））；所用函数同上，精确度为0。

（4）结合公式（4），（5）和砂、石用量，选择Button-体积法来计算，所以需添加双击按钮在 Delphi中增加以下的程序：

体积法计算所加入关键程序为：

Label23.caption：=formatfloat（′0′，（1-StrToFloat（Edit1.Text）*0.01-StrToFloat（Label22.captio n） /StrToFloat（Edit6.Text）-StrToFloat（Edit4.Text）/StrToFloat（Edit7.Text））/（1/StrToFloat（Edit9.Text）+StrToFloat（Edit5.Text）/（1-StrToFloat（Edit5.Text））/StrToFloat（Edit10.Text）））

Label24.caption：=formatfloat（′0′，StrToFloat（Edit5.Text）/（1-StrToFloat（Edit5.Text））*StrToFloat（Label23.caption））； 所用函數同上，精确度为0。

（5）按下“按钮6”（Button6），可以把理论配合比列出，所以需添加双击按钮在Delphi中加入主要程序段落：

Label26.caption：=Label22.caption+′：′+Edit4.text+′：′+Label23.caption+′：′+Label24.caption。

3.4原材料技术参数录入

3.4.1水泥

点击软件界面上的“水泥参数”，即可进入水泥参数填写，填写相关数据，如图4。

图4水泥参数录入界面

3.4.2矿渣粉、硅灰

录入的指标参数包括：活性级别、系数、对比强度、比表面积、水泥替代量、水量、表观密度、碱含量、流动度比、氯离子、矿粉无、筛余量、厂家、出厂日期、规格（矿粉、硅灰无）等，数据第二项到第七项是参与计算项，填写数据后保存。

3.4.3外加剂

录入的指标参数包括：减水率、碱含量、浓度、密度、流动扩展度等，填写数据后保存。

3.4.4石子

录入的指标参数包括：堆积密度、表观密度、空隙率、吸水率、厂家、规格、品种、压碎指标、碱含量、含水率、级配等，数据的前四项是参与计算项，填写数据后保存。

34.5砂子

录入的指标参数包括：堆积密度、含石率、吸水率、含水率、厂家、细度模数、表观密度、碱含量、空隙率、品种等，其中，第一项至第四项为参与计算项。录入完成后点击保存按钮即可

3.5配合比计算

点击左上角“配合比设计”按钮，出现配合比设计参数录入界面，需录入用户提出的8项技术参数，填写数据后，点击计算按钮，可以看到如下的最终的结果，如图5。

图5配合比结果输出

对于目前工程中混凝土配合比计算，选择此款软件，能够方便计算，尤其在需要改变配合比数据的情况下，软件显得相对很实用。通常来说，泵送混凝土在混凝土和易性方面要求比较严格，要满足次要求，可以选择制定混凝土的浆体占有量和干砂浆占有量来达到所需要的目的。

当浆体占有量在310L/m3-350L/m3范围内、干砂浆体积在400L/m3-440L/m3范围内时，混凝土的和易性比较适中，这样从而更好地泵送{1}。所以可以通过泵送混凝土配合比计算，采用软件，对计算结果进行多次核算，如浆体等相关数据，并且对结果中的需水用量、胶凝材料、外加剂等方面的用量等数据进行合理化调整，确保满足实用性。

3.6混凝土强度的推定计算

点击左上角“强度推定”按钮，出现强度推定参数录入界面，需录入用户提出的12项技术参数，填写数据后，即可计算，最后得出结果，如图6所示。

图6强度推算结果

4结论

（1）通过计算机对泵送剂以及混凝土配合比方面的计算，达到准确、合理化的目的。并且，只有依据大量实践经验开发的软件才具有实用性。

（2）开发了一套泵送剂复配计算软件。以一元复配为例，得到了减水剂减水率与掺量的线性关系式，以及泵送剂其余组分的计算公式。通过实际验证，泵送剂各种配比的用量，都能在软件的辅助计算下得出，有实用价值。

（3）开发了混凝土配合比计算软件。确定原材料种类，输入强度等级、坍落度等限制因素，便可准确计算相应强度等级下混凝土中各原材料的配比。该软件可以实现配合比优化，降低材料消耗，最终达到工程应用的最优化。

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[作者简介] 宋庭鉴，1998年生，男，在读高中生。