预拌混凝土配合比在线优化方法.pdf

2 0 1 2 年 第 3 期 (总 第 2 6 9 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 6 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED CONCR ET E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 3 3 预拌混凝土配合比在线优化方法 阮炯正 ， 。刘成尧 ，田黎伟 ( 1 吉林建筑工程学院， 吉林 长春 1 3 0 1 8 8 ；2 长春昌驰混凝土有限公司，吉林 长春 1 3 0 0 3 1 ) 摘要： 介绍了在预拌混凝土搅拌站原有混凝土配合比的基础上， 如何利用邻域搜索算法对预拌混凝土配合比进行在线优化， 即按邻域 搜索算法安排试验， 并按效益系数综合评价试验结果。 经实践证明预拌混凝土配合比在生产状态下能进一步优化， 并取得了良好的经济效 益， 对生产混凝土等相关企业具有一定的借鉴作用。 关键词 ： 预拌混凝 土；配合 比设计 ；在线优化 ；效益 系数 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 1 1 1 - 0 2 Go ods c onc r e t e a s s oe d onl i n e op t i mi z a t i on met h ods RUAN J i o n g - z h e n g , L1 U Ch e n g- r a o ， TI AN Li we i ( 1 J i l i n I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， C h a n g c h u n 1 3 0 1 8 8 ， C h i n a ； 2 C h a n g c h i C o n c r e t e C o mp a n y L i mi t e d ， Ch a n g c h u n 1 3 0 0 3 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： De s c rib e s t h e c o n c r e t e mi x i ng s t mi o n o ft h e o ri g i na l c o n c r e t e mi x， b a s e d o n h o v e t o u s e t h e n e i g hb o r h o o d s e a r c h a l g o r i t h m f o r o n l i n e c o mmo d i t y c o n c r e t e mi x o p t i mi z a t i o n， t ha t a r r a n g e d b y n e i g hb o r h o o d s e a r c h a l g o r i thm e x pe rime n t ， a c c o r d i n g t o c o mp r e h e n s i v e e v a l u ati o n o f e ff e c t i v e n e s s f a c t o r r e s u l t s P r o v e n c o mmo d i ty i n the p r o d u c t i o n o f c o n c r e t e wi t h t h e s t a t e tha n c a n b e f u r th e r o p t i mi z e d ， a n d a c h i e v e d g o o d e c o n o mi c r e t u ms ， o n t h e p r o d uc t i o n o fc o n c r e t e a n d o t h e r r e l ate d e nt e r p r i s e s h a s c e r t a i n r e f e r e n c e f u nc tio n K e ywo r d s ： c o mmo d i ty c o n c r e ； mi x r a t i od e s i g n； o n l in e o p t i mi z a t i o n； b e n e fi t c o e ffic i e n t 0 引言 1 试验概 况 预拌混凝土一般是由水泥、 水， 粗骨料、 细骨料、 掺合料、 外 加剂等按适当比例配合 、 按顺序拌制成的拌合物， 作为预拌混 凝土的最重要的性能是强度、 工作性以及耐久性。 而预拌混凝土配合比是控制混凝土质量的关键因素， 它将 直接影响到混凝土的成本和混凝土施工的难易程度以及混凝 土工程质量的优劣。 随着预拌混凝土在实际工程中应用越来越 普及， 如何对预拌混凝土配合比进行优化则变得愈来愈重要 ， 对 预拌混凝土的优化不仅要提高混凝土的性能同时还包括在满 足混凝土性能的前提下尽量降低预拌混凝土的生产成本， 只有 这样才能提高企业的经济效益和竞争能力。 由优化理论可知“ 在一般情况下会有许多个混凝土配合比 都能满足工程对混凝土性能的要求， 优化就是如何选出既能满 足混凝土性能指标而且成本最低的混凝土配合比的过程” 。 目前我国大部分预拌混凝土搅拌站采用的混凝土配合 比 均是经过实验室拌制优化得到的， 并经生产实践检验是可行的 混凝土配合比， 但因为这两者至少存在系统误差所以经实验室 优选的混凝土配合比， 不一定是生产时的最佳混凝土配合比， 仅 是一个可行的混凝土配合比而已， 所以如何判定实际生产的混 凝土配合比是否处于优化状态就十分有意义了， 本研究主要介 绍怎样采用邻域搜索算法对预拌混凝土配合比进行在线优化， 即如何做到边生产边优化混凝土配合比的过程。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ o 9 _ 0 5 基金项 目：吉林省科技发展计划项 目资助( 2 0 0 9 6 0 3 7 ) 1 1 试验理 论 所谓的邻域搜索算法( 又叫局部搜索算法 ) ， 即从一个可行 解开始， 在合理的有效范围内， 寻找改进的解。 它通常是算法的 进一步迭代， 通过搜索当前解的邻域得到一个更好的解。 为使预拌混凝土配合比能在线进行优化， 邻域搜索的范围要 合理， 太大会使部分混凝土满足不了工程的最低需要， 影响工程质 量， 太小则会被随机的性能波动所掩盖， 如计量精度的影响等， 判 断不出进一步优化的方向， 采用邻域搜索算法的基本思想， 是在已 有的预拌混凝土配合比基础上使混凝土配合比中主要组分上下波 动一定的范围， 同时还要考虑到强度等性能满足混凝土的最低要 求以上， 这一点至关重要， 变化的幅度一定控制在保证工程质量的 前提下， 这里按各个原料占总量的 1 计 ， 即某材料增加或减 少l ， 而其他材料相对比例不变的条件下计算得出混凝土配合比 搜索的邻域范围， 达不到基本要求时必须及时调整。 1 2 试验计算方法 具体计算方法如下 ： 以 ， 分别表示混凝土中水泥、 砂 、 石、 粉煤灰、 外加剂等各种组分。 以m ， m ： ， m 一 ， m 表示各组分的比值， 即： x1 ： 2 ： 3 ： 4 ： 5 ： n= m1 ： m 2 ： m 3 ： m 4 ： m 5 ： mn ( 1 ) 设任一个组分使其上下波动 l ， 其他组分按原有比例保 持不变。 则有： ( ， h ) 一 ( 1 1 ) ( 3+ ) n ， n 1 i = 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， ( 2 ) 例如当 i = 1 时， 即第一个元素上下波动 1 ， 由式( 1 ) 可知： 3 = 4 = ， Tl= 2 2 m 2 m 2 代人到式( 2 ) 中： ( 。+ 2 + ) 一 ( 1 1 产 f 2+ 一 2+ l4 2+ + m -n -n x 2 1 n = q n = q ， n #l m 2 m 2 m 2 ( 3 ) 因 ( 2 + ) 是按一个现有配合比所得出的总量， 故 n 其值是已知的。 并且 艇是混凝土中任取一个组成在原有基础上 上下波动 1 ， 则利用式( 3 ) 可解的 的数值， 同样可以解出其 他组分的数值， 每个组分上下波动 1 计算， 实际上不同的组分 可以选择不同的波动幅度， 如砂石可以适当再加大一些如 1 5 或 2 ， 而外加剂则应减低一些如 O 3 。 求解后可得到 2 n 组邻 域混凝土配合比。 1 3试验 方 法 如长春某预拌混凝土搅拌站目前采用的C 3 0 预拌混凝土配合 比为： 水泥： 中砂：碎石： 水： 粉煤灰：泵送剂 = 1 ：2 6 7 ：3 4 0 ：0 6 2 ：0 2 3 ：0 0 3 1 。 水泥为万厦牌 P O4 2 5级： 用量为 3 0 0 k g m ， 碎石 ： 5 2 0 mm连 续级配， 粉煤灰： 吉林电厂 I 级， 坍落度要求 ： 1 8 0 mm， 外加剂为萘 系泵送剂。 按每个组分上下波动 1 计算具体结果见表 1 ， 按表 1 中配合比在生产线上拌制、 取样测试其工作性， 在规定龄期检测混 凝土的抗压强度， 并依据原材料的价格计算出各个配合比的效益 系数， 所谓效益系数是混凝土和易性合格的2 8 d 抗压强度与混凝 土组分发生变动的组成价格和的比， 其意义为混凝土和易性合格 的前提下每元钱对混凝土强度的贡献值。 结果见如表2 所示。 表 1 C3 0混凝 土配合 比邻域范围( 质量 比 ) 2 试验 结果及 分析 从上述试验结果及效益系数可以判断， 石子多加 1 或砂子 少 1 的配合比都是比较合理的0 由于设计的混凝土强度等级为 C 3 0 ， 实际强度达到 3 6 - 3 8 MP a即可， 而实际混凝土试块的最高强度达 4 6 5 MP a 。 因过 多的强度富余也是浪费， 故按砂子少 1 的配合比为基础进一步 调整水泥用量减少 1 ， 同时为满足和易性粉煤灰的用量增加 1 ， 作为优化混凝土配合比的验证， 具体结果见第 1 1 组情况。 与初始配合比相比优化混凝土配合比的强度提高了3 -0 iV P a ， 】 2 表 2 第 C 3 0混凝土配合比试验结果及效益系数 注 ： 效益系数按水泥 4 1 0元 t ， 细骨料 4 8元 ， m ， ， 粗骨料 7 O元 m ， 掺合料 1 5 0元 t ， 外加剂 2 5 0 0 元 t 计 。 成本还下降2元， 即使效益系数按 0 2 计， 提高 3 0 MP a 混凝土强 度意味需要投入 1 5 元才行。 实际证明了这种方法具有一定的实用 性， 对企业控制产品质量降低生产成本是一种行之有效的方法。 之 所以提出这种优化方法是源于一次工程事故的调查， 2 0 1 0 年吉林 市某混凝土工程在十月份施工， 拆模后发现混凝土强度特别低， 根 本满足不了进一步施工的要求， 经调查得知该工程所采用的预拌 混凝土还是沿用夏季时使用的混凝土配合比， 根本没有考虑气候 等因素的变化， 未对混凝土配合比及时进行调整， 不仅影响了施工 进度， 还造成了很大的经济损失。 如何获取技术资料及时调整混凝 土配合比成为急待解决的问题。 采用邻域搜索优化法除在线搅拌 的 昆 凝土配合比真实可信取得良好的经济效果外， 另一好处是可 以因气候变化逐渐对混凝土配合比调整提4； , - t s t 术依据， 当然也可 使因原材料价格发生较大变化及时对混凝土配合比进行及时调整 成为可能。 理由是在第一次优化配合比的基础上还可以再进一步 优化， 使其逐渐接近优化混凝土配合比成为可能。 3结语 经上述实践证明当混凝土原材料的性质 比较稳定时， 采用 本试验介绍的邻域搜索法优化在线预拌混凝土配合比是可行 的， 不仅可以找到混凝土配合比的优化方向， 为时时调整配合 比提供依据， 而且还能在混凝土原材料的价格发生较大的波动 时及时调整混凝土配合比， 使混凝土生产成本控制在较低水平。 参考文献 ： 1 陈斌， 李富强 ， 刘国华， 等 混凝土配合比的非线性多目标优化算法 研究 J 浙江大学学报： 工学版， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 1 6 1 9 【 2 胡曙光， 商正海 ， 彭波， 等 绿色高性能预拌混凝土的研究 D 武汉： 湖北大学 3 3 许成祥， 曾磊 基于黏结滑移理论的高强高性能混凝土优化设计 混凝土 。 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 9 8 1 0 0 4 C A NN O N J P ， KR I S H N A MU R T I G R C o n c r e t e o p t i 2 m i z e mi x p r o p o r t i o n i n g ( C O M P O ) J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 1 ， 1 ( 4 ) ： 3 5 3 - 3 6 6 【 5 李荣湘 ， 李岳军 混凝土配合比多目标优化实时控制 J 】 水利学报， 1 9 9 6 ( 4 ) ： 3 6 3 9 6 D E L AR R A R D F ， S E D R AN T Mi x t u r e p r o p o i o n i n g o f h i g h p e r f o r ma n c e e o n c r e t e C e m e n t a n d C o n c r e t e Re S e c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 1 6 9 9 - 1 7 0 4 作者简介： 联系地址 ： 联系电话 ： 阮炯正( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授。 长春市新城大街 5 0 8 8 号 吉林建筑工程学院建筑工程检 测中1 ( 1 3 0 1 1 8 ) O 4 31 8 5 9 3 5 2 8 7