高性能混凝土配合比智能化系统研究进展.pdf

2 0 1 1 年 第 7期 (总 第 2 6 1 期 ) Nu mb e r 7i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED C0NCRETE 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 1 0 7 0 3 3 高性能混凝土配合比智能化系统研究进展 余燕妮， 焦楚杰，张文华 ( 广州大学 土木工程学 院，广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要： 介绍了高性能 昆 凝土配合比设计及其智能化在国内外的研究进展， 分析了高性能混凝土配合比设计存在的问题， 指出了需要进 一 步深入研究 的方 向， 为高性能混凝土配合 比的研究与工程应用提供 了参考。 关键词 ： 高性 能混凝土 ；配合 比设计 ；智 能化 ；国内外研究进展 中图分类号： T U5 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 1 ) 0 7 0 0 9 9 0 2 Res e ar ch o f t he i n t e l l i g en t de s i gn of m ixe d p r opor t i on of HP C Y UY a n - n i ， J I AOc h u -j i e , Z H ANG We n - h u a ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， G u a n g z h o u Un i v e r s i t y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： J n v i e w o f t h e c o mpl e x i t y o f t h e d e s i g n o f mi x e d p r o p o r t i o n o f HPC i n o r d e r t o a l l e v i a t e t h e l a b o r i n t e n s i t y o f the c o nc r e t e wo r k- e r s e f f e c t i v e l y a n d i mp r o v e t h e a c c u r a c y a n d e c o n o my o f t h e mi x e d p r o p o r t i o n o f HP C I n t r o d u c e s t h e d e s i gn a n d int e l l i g e n c e o f mi x e d p r o p o r - t i o n o f HP C a n d t h e i r d e v e l o p m e n t a t h o m e a n d a b r o a d， a n a l y z i n g t h e e x i s t i n g p r o bl e m s wi th the d e s i gn o f mi x e d p r o p o rti o n o f HPCTh e fur t h e r r e s e a r c h d i r e c t i o n a r e p o i n t e d o u t i n t h i s p a pe r I t p r o v i d e s r e f e r e n c e s f o r t h e r e s e a r c h and En g i n e e r i n g Ap p l i c a t i o n o f t h e d e s i g n o f mi x e d p r o p o rti o n o fHP C Ke y wor ds： HP C； d e s i gn o f mi x e d p r o p o rti o n； i n t e l l i g e n c e； d e v e l o p me n t a t h o me a n d a b r o a d 0 引言 高性能混凝土( Hi g h - p e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， 简称 HP C ) 是一 种新型高技术混凝土 ， 是在大幅度提高常规混凝土性能的基础 上 ， 采用现代混凝土技术， 选用优质原材料， 在妥善的质量管理 的条件下制成的_ 1 _ 。 除水泥、 水、 集料之外， H P C必须采用低水胶 比和掺加足够细掺料与高效外加剂。 HP C不同于普通混凝土的 特点在于其组分多， 成分比较复杂， 性能指标多 ， 配合比设计比 较复杂。 近年来 ， 随着物理、 化学和计算机科学等现代化科学技术 的发展和应用， H P C配合比的智能化和优化设计技术有了很大 的发展。 许多的混凝土研究人员口 叫 把计算机技术应用于高性能 混凝土配合比设计， 也都取得了丰硕的成果。 1 高性 能混凝土配合 比设 计方法 迄今为止， 国内外对于 H P C还没有给出一个统一的定义， 而且， 由于 H P C配合比设计的复杂性， 迄今为止还没有统一的 配合比设计方法。 各国混凝土学者针对这一问题也做了大量的 研究工作 ， 综合起来， 当前的混凝土配合比设计方法主要有以 下几个方面。 1 1 基 于经验的 HP C配合 比设计方法 对于H P C配合比， 人们最容易想到的是按照普通混凝土配 合比方法来进行设计 ， 所以通常的配合比方法大多是基于经验， 通过试配来进行。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - o 1 1 7 美国加利福尼亚大学的 Me h t a 和 Ai t c i n ( 1 9 9 0 ) 【 5 在现有高 强、 高性能混凝土实践经验的基础上提出配合比设计方法。 该 方法对主要的配合比设计参数做出一些假设， 从而得到试配用 的配合比。 法国陆桥中心( L C P C) 的F d e L a a r d ( 1 9 9 2 ) 同 基于实验室 试配的基础上， 提出了一种配合比设计方法。 该方法基于 3点假 设： 具有一定组成的混凝土强度主要受浆体性质的控制 ； 当混 凝土集料的组成一定时， 拌合物的工作性取决于浆体的体积和 浆体的流动性 ； 满足一定的强度及工作性要求， 需要浆体体积 最小的砂率为最优砂率。 基于以上假设， 用砂浆进行力学试验， 用浆体进行流变试验 ， 可以减少大量的试配工作。 美国混凝土协会 A C I C o m mi t t e e 2 1 1 ( 1 9 9 8 ) 问 提出来一种掺 粉煤灰的高强混凝土配合比设计和优化法。 此方法适用于抗压 强度在 4 1 8 3 MP a的普通密度非引气混凝土， 主要是采用一系 列不同胶凝材料比例和用量进行试验 ， 从而得到最佳配合比。 清华大学韩建国( 1 9 9 8 ) 基于 Me h t a和 A i t c i n的高性能混 凝土配合比设计方法， 通过建立混凝土强度与有效水胶比、 粗集 料松堆积体积和粉煤灰水化活性因子的关系， 以及粗集料的松 堆积体积与砂率的关系， 建立了混凝土中粗集料、 细集料、 水和 胶凝材料各组分之间的联系， 提出了系统化的HP C配合比设计 方法。 试验结果表明， 依据该配合比设计方法所配制混凝土的抗 压强度与期望值具有良好的一致性。 这种方法是一种具有反馈 调节能力的高性能混凝土配合比设计方法 ， 具有准确、 简捷 、 适 用范围宽和易于程序化的特点。 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 基于数学方法的 HP C配合比设计方法 随着 HP C应用的增多， 人们也发现通过普通混凝土经验式 的设计方法难以适应 HP C多目标的需要 ， 于是配合比设计从经 验走 向理论 。 为了对 H P C配合比设计进行优化， 科学工作者进行着不断 的研究和探索， 他们把数学作为优化工具引入到 H P C配合比 设计中。 武汉工业大学的陈建奎( 2 0 0 0 ) tg 提出了一种全计算法， 该 方法建立普遍适用的混凝土体积模型， 得出 H P C单位立方米 用水量和砂率的计算公式。 这两个公式揭示了混凝土组成材料 内在的客观规律和必然联系， 成为 HP C混凝土全计算配合 比 设计的基础。 它使得 H P C配合比设计从半定量走向定量， 是混 凝土配合 比设计上一较大的改进。 大连理工大学何世钦 、 王海超( 2 0 0 3 ) 等采用四因素三水 平的正交设计试验方法对 H P C的配合比设计进行了试验， 研 究了水泥、 硅灰、 粉煤灰和外加剂等不同试验因素对 H P C强度 的影响。 分析了每个因素水平对 HP C配合比的作用及各个水 平之间的差异 。 2 高性能混凝土配合比智能化 系统 为了将计算机优化技术应用到高性能混凝土配合 比设计 ， 大量的混凝土研究人员做了这方面的研究。 清华大学的王德怀( 1 9 9 6 ) _ l l 】 在 wi n d o w s 环境下采用 c 十 + 语言开发出了高性能混凝土配合比设计和质量控制的计算机 系统。 该系统主要包括两个部分的内容： 第一部分是关于高性能 混凝土配合比设计及动态调整； 第二部分是关于混凝土的质量 控制 ， 包括混凝土生产的质量控制和混凝土强度的质量控制。 武汉理工大学胡曙光和吕林女等( 1 9 9 8 ) 在以强度为主要 设计指标的基础上 ， 综合考虑混凝土的可泵性， 建立了泵送混 凝土技术专家系统的配合比设计子系统。 韩国的 S e u n g C h a n g L e e ( 2 0 0 3 ) 建立了混凝土强度智能 化预测系统， 该系统可以很方便地为工程建设提供混凝土强度 信息。 为了提高人工神经网络的预测精度， 他采取了两个措施： 一 个是使用相关参数技术决定输入神经元， 另一个是对输入神经元 应用加权技术以求预测结果使得到的结果更准确。 经研究， 表明 该系统使用人工神经网络预测混凝土抗压强度是非常有效的。 浙江大学的刘国华 ， 陈斌等人( 2 0 0 3 ) 【l 3 结合 B P人工神经 网络和 Mo n t e C a r l o随机试验法， 建立混凝土配合比的直接优化 模型， 并开发出实用软件。 从应用的工程实例( 桐柏抽水蓄能电 站工程) 证明该方法具有较高的精度。 由于 HP C配合 比设计是一个非线性多目标的优化问题。 近年来， 科研工作者将遗传算法( H o l a n d J H， 2 0 0 4 ) 和人工神经 网络回 引入了H P C的配合比设计中， 利用大量的混凝土配合比 设计及实测强度等试验数据来训练网络 ， 建立 H P C输入一 输出 模式非线性关系， 从而较好的解决 HP C强度预测方面的问题 ， 另外 ， 在已经建立好的遗传神经网上还可以利用网络内部已有 的知识 ， 对商眭能混凝土进行配合比优化设计。 马来西亚国民大学 Mu h a mma d F a u z i Mo h d等 ( 2 0 0 4 ) 嘲 提 出了 H P C配合比专家系统， 该系统提供了H P C配合比设计和 修改建议。 系统所需要的资料来 自于各类实测数据和专家， 由 混合知识表征技术发展而来。 该系统可以确定水、 水泥、 矿物掺 合料、 集料和减水剂的用量， 同时考虑含气量 、 减水剂含水量和 】 0 O 骨料的湿度。 此系统曾经在工程中进行过测试， 与人工进行配合 的结果符合的很好。 武汉大学的李听、 刘幸、 田继平等( 2 0 0 4 ) q 收集和整理了大量 商l生能混凝土实际配合比的资料， 利用 MA T L A B强大的数据处 理功能对这些数据进行非线性回归， 建立混凝土各项性能指标与 各种材料用量之间的函数关系， 然后利用MAT L AB优化工具箱。 根据所要求的HP C性能指标求出了各种材料的最优用量。 河北工程学院的王继宗 ， 梁晓颖等( 2 0 0 5 ) 【 I 5 1通过对 H P C配 合比设计优化 ， 以经济成本为目标建立了非线性的数学模型， 并 用 Ma t l a b 语言进行实现， 通过对序列二次规划的程序求解 ， 并以 工程实例证明了此种方法简单易行， 而且具有较好的经济效益。 土耳其加济安泰普大学的Ah me t O z t a s ( 2 0 0 6 ) 建立了人 工神经网络模型， 通过收集 1 8 7 种不同的 H P C配合比的数据进 行网络的训练。 网络的输人参数包括水灰 比、 用水量、 砂率、 粉 煤灰用量、 含气量、 减水剂用量和硅灰的取代率。 基于 Ma t l a b开 发的软件对 H P C的坍落度及强度进行预测。 研究结果表明， 人 工神经网络在预测强度和坍落度上具有很大的可行性。 3 高性能混凝土配合 比设计及其智能化存在 的 问题 3 1 高性能混凝土配合比设计的规范问题 H P C与普通混凝土在原材料、 生产和施工工艺等方面有很 多相似甚至相同之处， 但是， 因为 H P C不仅加入了矿物细掺料、 高效减水剂等外加剂 ， 而且各个组分掺量的多少对其强度和工 作性能都有很大的影响。 并且， 长期以来 ， 人们都是根据已有的 工程经验， 通过试配和调整来确定高性能混凝土的配合比。 虽然 ， 目前已经制定出了 H P C配合比设计的规范， 但是， 就实际问题 考虑， 现阶段的规范还不是很成熟 ， 基于 H P C配合比设计的复 杂性 ， 还需要对其进行深人的研究。 HP C是地方性很强的材料 ， 它的原材料以及配制方法与当 地资源和环境气候条件密切相关旧。 由于混凝土具有显著的地 域性 ， 在每个地区混凝土配合比都不尽一致 ， 以致需要重复进 行的试配工作而耗费大量的人力物力。 再者 ， H P C对原材料性 能及配合 比非常敏感 ， 性能波动较大， 用传统的配合比设计方 法很难满足预计的精度要求。 因此，一方面可以考虑针对各个 不同地区的实际情况， 制定出区域内的 H P C配合比设计规程和 标准 ； 另一方面， 可以考虑利用非线性多目标处理方法来建立 一 种 HP C配合比设计系统是非常必要的。 而且 ， 基于地域性的 考虑， 可以考虑先从区域范围开始建立这一配合比设计系统 ， 以 后随着 H P C配合比设计以及智能化设计技术的逐步成熟， 可 以针对大范围地区采取这种方法进行 H P C配合 比设计。 3 2 高性能混凝土配合比智能化 系统数据量 离散 的 问题 H P C配合比设计的智能化 ， 能够大大提高其配合比设计的 准确性和经济陛。 目前， 很多混凝土工作者围绕计算机智能化已 经建立出有关数学模型并开发出相应的配合比设计软件。 但是 这些模型和软件所基于的数据量太离散， 都有使用上的局限性。 要尽快建立和扩大原材料数据库， 并且开发出具有较广适用性 和较强实用型的H P C配合比智能化系统。 3 3 高性能混凝土智能化设计的地域性差异 问题 H P C配合比智能化设计 ， 地域性差异问题是必须要考虑的。 下转第 1 1 1 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粗化了， 由此产生的较小的毛细收缩力降低了砂浆的收缩值 4 1 。 加入羟丙基甲基纤维素会在砂浆中形成许多微小气泡， 这 些气泡在砂浆中起到滚珠般的作用， 使新拌的砂浆的和易性得 到改善 ， 气泡还保留在硬化的浆体中， 形成彼此独立的孔隙， 起 到阻断毛细孔的作用， 提高了砂浆的保水性。 可再分散乳胶粉在砂浆中成膜后 ， 可以对水泥石 中的缺陷 和孔隙进行填补 ， 该膜具有较高的变形能力， 可吸收缺陷和微 裂纹扩展所需的能量， 从而提高了砂浆的抗裂性和黏结强度。 4结 论 ( 1 ) 水泥砂浆和添加砂浆王的砂浆抗压强度相比蒸压加气 混凝土砌块偏大， 砂浆人模后泌水较严重， 保水性不好 ， 且 2 8 d 抗压强度值较大， 与 自身强度值较低的蒸压加气混凝土砌块配 套砌筑的墙体易产生裂缝。 ( 2 ) 粉煤灰和复合外加剂( 可再分散乳胶粉、 羟丙基甲基纤 维素 ) 的加入能降低砂浆的抗压强度 ， 使得专用砂浆的抗压强 度与蒸压加气混凝土砌块的抗压强度较接近， 且专用砂浆人模 时几乎不泌水， 砂浆的保水性得到改善 ， 减少了蒸压加气混凝 土砌块因从砂浆中吸水产生二次收缩， 2 5 粉煤灰替代量的专 上接 第 1 O 0页 原材料性能差异是一个方面， 另一方面则是各个地区的气候差 异。 气候差异会影响智能化软件设计中参数的多少 ， 参数的考虑 直接增加软件设计中程序编制的复杂性。 但是， 如果要使设计的 软件系统可以广泛使用， 配合比参数的设置就要考虑到所有可 能的情况的影响。 另外一方面，配合比设计系统的开发要有大 量的原始数据做支撑， 但是现阶段的情况是， 已有的可搜集到 的数据也并不是都考虑到了配合 比设计中的所有的影响因素 ， 这是 目前 HP C配合比设计智能化系统不能够广泛推广使用的 影响因素之一。 4 结束语 由于配合比组分繁多， 地区差异以及性能要求等各方面的 原因， H P C的配合比设计相对比较困难。 本研究中总结了高性 能混凝土配合比用计算机化来实现的国内外研究进展， 并且针 对高性能混凝土存在的一些问题给出了个人建议 。 为 HP C的 进一步研究和工程应用提供了参考。 参考文献 ： 【 1 】 吴中伟， 康慧珍 商I生 能混凝土 M 】 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 ： 1 o _ 1 1 2 HO L L A N D J HA d a p t a t i o n i n n a t u r e a n d a r t i fi c i a l s y s t e ms M T h e U n i - v e r s i t y o f Mi c h i g a n P r e s s ， 1 9 9 2： 1 5 3 1 6 8 3 Z A I N M F M， I S L A M M N， B A S RI I HAn e x p e rt s y s t e m f o r mi x d e - s i g n o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e A d v a n c e s i n E n g i n e e ri n g s o f t wa r e ， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 5 ) ： 3 2 5 3 3 7 4 L E E S e u n g - c h a n g P r e d i c t i o n o f c o n c r e t e s t r e n g t h u s i n g a r t i fi c i al n e u - r a l n e t w o r k J C o n s t r u c t i o n S t r u c t u r e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 7 ) ： 8 4 9 8 5 7 【 5 】ME H T A P K， A i t c i n P i e r r e - C l a u d e C l a u d e C P ri n c i p l e s u n d e r l y i n g p r o d u c t i o n o f h i g h p e r f o rma n c e c o n c r e t e J C e me n t C o n c r e t e A g g r e g a t e s ， 1 9 9 0 1 2 ( 2 ) ： 7 0 8 0 6 】L A RR A R D F D E A mi x p e rf o r m a n c e me t h o d for h i g h p e rf o rma n c e c o n c r e t e Hi【g h P e rf o rm a n c e C o n c r e t e J E & F N S P O N， 1 9 9 2： 4 8 6 2 用砂浆的收缩值较水泥砂浆较小。 ( 3 ) 专用砂浆中加入粉煤灰不仅能减少水泥的用量 ， 而且 增加了砂浆的密实度 ， 粉煤灰“ 滚珠轴承” 的润滑作用能较好的 改善砂浆的工作性能， 提高了专用砂浆的可施工性。 参考文献 ： 1 】 毕军军 ， 周东奎 加气混凝土砌块专用砂浆施工性能研究 J 1 福建建 筑， 2 0 0 9 ， 1 3 8 ( 1 2 ) ： 9 4 9 6 【 2 】 易晓园 加气混凝土砌块变形特点及配套砂浆基本性能研究【 D 】 重 庆： 重庆大学， 2 0 0 7 3 封海波， 吴敬龙 蒸压加气混凝土专用砌筑与抹灰砂浆性能研究f J 】 预拌砂浆， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 6 2 6 4 【 4 】 李顺凯水泥砂浆的干缩研究 D 】 南京： 南京工业大学 ， 2 0 0 4 【 5 J C 8 9 O 一2 o 0 1 ， 蒸压加气混凝土用砌筑砂浆与抹面砂浆 s 作者简介 ： 联系地址 联系电话 韩菊红( 1 9 6 4 一 ) ， 女， 教授， 博士， 主要研究方向为混凝土结 构基本理论及耐久性。 郑州大学水利与环境学院( 4 5 0 0 0 2 ) 1 3 6 23 8 2 51 98 【 7 AC I C o mmi t t e e 2 1 1 G u i d e for s e l e c t i n g p r o p o rt i o n s f o r h i g h - s t r e n gth c o n c r e t e w i t h p o rt l a n d c e me n t fl y a s h - AC I 2 1 1 4 R- 9 3 M F a r mi n g - t o n Hi l l s， Mi c hi g a n： Ame r i c an Co n c r e t e I n s t i t u t e， 1 9 9 8： 5 69 - 5 81 8 韩建国， 阎培渝 系统化的高性能混凝土配合比设计方法 J 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 0 2 6 1 0 3 0 9 陈建奎 ， 王栋民 高性能混凝土设计新法一 全计算法J 1 硅酸盐学报 ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 4 ) ： 1 9 4 1 9 8 1 0 何世钦， 王海超 高性能混凝土配合比设计的正交试验研究f J 工业 建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 8 ) ： 8 - 1 1 1 1 】 王德怀 高性能混凝土配合比设计的计算机化【 D 】 北京： 清华大学， 1 9 9 6 f 1 2 胡曙光， 吕林女， 马保国 泵送混凝土技术专家系统的配合比设计研 究 J 1 武汉工业大学学报， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 4 ) ： 9 - 1 2 1 3 1 1 国华， 陈斌， 汪玉树 ， 等基于人工神经网络和 M o n t e C a r l o 发的混 凝土配合比优化设计研究 J 1 水利发电学报， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 4 5 5 3 1 4 】 李昕， 刘幸， 田继平， 等 基于 M A T L A B的高性能混凝土配合比优化 设计 J 昆 凝土， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 5 4 5 7 【 1 5 王继宗， 梁晓颖， 梁宾桥基于Ma t l a b 语言的高性能混凝土配合比优 化设计【 J 水利发电学报， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 1 - 4 1 6 O Z T A S A， P A L A M， E r d o g a n O z b a y ， e t a1P r e d i c t i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n gth a n d s l u mp of h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e u s i n g n e u r a l n e t w o r k J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i als ， 2 0 0 6 ， 2 0 ( 9 ) ： 7 6 9 7 7 5 1 7 陈肇元 高强与高性能混凝土的发展及应用 J 土木工程学报， 1 9 9 7 ( 5 ) ： 3 - 1 1 作者简介 联系地址 联系电话 余燕妮( 1 9 8 6 一 ) ， 女， 助理工程师， 主要从事高强与高性能混 凝土研究。 厂州市番禺区大学城外环西路 厂州大学 B 1 9 - 5 3 0 ( 5 1 0 0 0 6 ) 1 8 99 8 38 4 4 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m