基于模糊決策理論的T梁混凝土配合比優(yōu)選研究

楊學(xué)成

摘 要 高性能混凝土需要摻加礦物摻和料以減小坍落度經(jīng)時損失，提高耐久性能。摻和料摻加方式因地制宜且效果不一，通過對不同配合比混凝土性能試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)性分析，對比礦物摻和料種類和摻量對混凝土性能及經(jīng)濟(jì)性的影響。利用模糊決策理論對混凝土性能進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果顯示第11組與模糊負(fù)理想點(diǎn)的距離最大，綜合性能最優(yōu)。礦物摻和料復(fù)摻的最佳摻量范圍為20%～30%。

關(guān)鍵詞 高性能混凝土;配合比;坍落度經(jīng)時損失;經(jīng)濟(jì)性分析;模糊決策理論

引言

機(jī)制砂應(yīng)用范圍和適用結(jié)構(gòu)在不斷拓展。統(tǒng)計(jì)顯示，機(jī)制砂占細(xì)骨料比重達(dá)到70%，且比例還在進(jìn)一步上升，機(jī)制砂逐步替代河砂是加快構(gòu)建優(yōu)質(zhì)高效的砂石產(chǎn)業(yè)體系的重要手段。高性能混凝土需摻加礦物摻和料，摻和料種類較多，性能、摻量和價(jià)格差異較大。礦物摻和料單摻或復(fù)摻，性能差異體現(xiàn)在工作性能[1]，力學(xué)性能[2]和耐久性能[3]上。蔣正武等[4]研究發(fā)現(xiàn)，素混凝土1h坍落度損失可到50mm，很難達(dá)到自密實(shí)混凝土要求的高工作性能，而摻加粉煤灰實(shí)驗(yàn)組1h坍落度損失明顯更小，能長時間保持較好的工作性能。管宗甫等[5]指出，在一定摻量范圍內(nèi)，粉煤灰和礦渣粉均能明顯提高混凝土的抗裂性能，且粉煤灰效果更加突出。由于試驗(yàn)方法和原材料等因素，部分學(xué)者[6-7]研究結(jié)論不一致，且從經(jīng)濟(jì)性角度對配合比的分析研究有待進(jìn)一步加深。本文對不同配合比混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)分析，利用模糊決策理論對混凝土綜合性能進(jìn)行評價(jià)和方案優(yōu)選。

1試驗(yàn)與分析

1.1 原材料與試驗(yàn)方法

（1）原材料

水泥：象山海螺P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，28d抗壓強(qiáng)度48.6MPa。礦物摻和料：F類Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為45μm，篩余15.2%;S95級礦渣粉，7d活性指數(shù)83%，含水量0.85%。粗骨料：凝灰?guī)r質(zhì)碎石，公稱粒級為5～20mm，表觀密度為2.63g/cm3，堆積密度為1.52g/cm3，連續(xù)集配。細(xì)骨料：凝灰?guī)r機(jī)制砂，表觀密度2.61g/cm3，堆積密度1.54g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.7。減水劑： BST-PCA型高效減水劑，減水率25%;水：自來水。

（2）試驗(yàn)方法

工作性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T50080-2011進(jìn)行，測試指標(biāo)為坍落度、1h坍落度和坍落擴(kuò)展度。力學(xué)性能測試混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度，依據(jù)GB/T 50081-2019進(jìn)行。早期抗裂性和抗氯離子滲透性測試指標(biāo)分別為總開裂面積和電通量，試驗(yàn)均依據(jù)GB/T 50082-2009進(jìn)行。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

T梁強(qiáng)度等級為C50，試配強(qiáng)度要求達(dá)到60MPa，需具備出色的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。試驗(yàn)使用兩種礦物摻和料，對比不同配合比混凝土的性能差異。各實(shí)驗(yàn)組砂率均為46%，凝膠材料固定，凝膠材料：機(jī)制砂：碎石：水=1：1.556：1.823：0.3，外加劑摻量為凝膠材料的1.5%。各實(shí)驗(yàn)組凝膠材組成及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）工作性能試驗(yàn)結(jié)果

如表1所示，①復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組坍落度和1h坍落度均不低于單摻實(shí)驗(yàn)組。單摻第4，7組和復(fù)摻第9，10，11組坍落度均超過180mm。第11組坍落度達(dá)到190mm最大。②1h坍落度，礦物摻和料復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組變化較小，而單摻情況變化明顯更大。第9，10，11組混凝土1h坍落度仍達(dá)到160mm以上，能長時間保持較高的流動性，較好滿足T梁長時間施工的要求。而單摻情況下1h坍落度最大為150mm。③1h坍落度損失，礦物摻和料復(fù)摻與單摻之間存在顯著差異。1h坍落度損失越大，表明混凝土流動性損失越大，保持工作性能的能力越差。第9，10組混凝土1h坍落度損失最小，僅為15mm;而單摻情況下，第4，7組1h坍落度損失最小，但仍高達(dá)30～40mm。

坍落擴(kuò)展度除第1，2，5組外，其余實(shí)驗(yàn)組均大于450mm，較高摻量礦物摻和料單摻或復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組間差異不大。坍落度除第1組外，其余均超過160mm;而1h坍落度僅第9，10，11組混凝土達(dá)到160mm。1h坍落度損失，復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組較小，而單摻實(shí)驗(yàn)組較大。

（2）力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

如表1所示，①7d抗壓強(qiáng)度復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組和單摻礦渣粉實(shí)驗(yàn)組均大于空白組，單摻粉煤灰實(shí)驗(yàn)組小于空白組，體現(xiàn)出單摻粉煤灰對早期強(qiáng)度的削弱效應(yīng)。復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組第9組有最大值。隨著礦渣粉摻量增加而逐漸增大。且7d抗壓強(qiáng)度復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組均不小于單摻實(shí)驗(yàn)組。②28d抗壓強(qiáng)度，各實(shí)驗(yàn)組均高于空白組。單摻實(shí)驗(yàn)組變化趨勢一致，隨著摻量增加強(qiáng)度值增大;而復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組隨著摻量增加，強(qiáng)度值先增大，再小幅度減小。③隨著單摻摻量增加，總開裂面積和電通量逐漸減小，并在摻量為20%時有最小值。單摻實(shí)驗(yàn)組，第4組總開裂面積最小，相對于空白組減小了36.6%，第7組電通量最小，相對于空白組減小了29.9%。復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組，總開裂面積最小的第11組相比空白組減小了44.9%，相比第4組減小13.1%;而電通量最小的第9組相比空白組減小了38.9%，相比第7組減小12.9%。由此可見，相同摻量下，復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組的抗裂性和抗?jié)B性均要優(yōu)于單摻實(shí)驗(yàn)組。

綜合工作性能、力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)結(jié)果，可確定初步的備選方案為第1，4，7，8，9，10，11組，共7個實(shí)驗(yàn)組。其中，第1組為空白對照組，第4組和第7組分別為單摻20%的粉煤灰或礦渣粉;第8，9，10組為復(fù)摻20%礦物摻和料，第11組為復(fù)摻30%礦物摻和料。

2基于模糊決策理論的配合比優(yōu)選

2.1 經(jīng)濟(jì)性分析

統(tǒng)計(jì)2019年混凝土原材料平均價(jià)格，水泥568元/噸、粉煤灰225元/噸、礦渣粉461元/噸、機(jī)制砂75元/噸、石子92元/噸、外加劑2800元/噸，水8元/噸。各備選方案成本見表2。相比空白組，第4和第11組的成本最小，均減小了7.6%。復(fù)摻實(shí)驗(yàn)組隨著礦渣粉摻量增加，成本逐漸增大，但均小于空白組。第11組相比第9組，成本下降不超過0.5%，由此可見，復(fù)摻摻量由20%增加到30%時，成本相差不大。

2.2 配合比優(yōu)選

（1） 評價(jià)指標(biāo)選取

凝灰?guī)r機(jī)制砂T梁混凝土為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋和高性能混凝土，與普通混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)相比，除了結(jié)構(gòu)性能好之外，還具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)材、節(jié)能的優(yōu)勢?；炷僚浜媳葍?yōu)選是多屬性、多因素、多指標(biāo)的復(fù)合決策過程，應(yīng)根據(jù)凝灰?guī)r機(jī)制砂的特性、混凝土的綜合性能及T梁的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行：①T梁混凝土應(yīng)具良好的工作性能，評價(jià)指標(biāo)是坍落度和1h坍落度損失。②7d抗壓強(qiáng)度是保證張拉齡期和縮短工期的重要支撐;28d 抗壓強(qiáng)度是保證達(dá)到結(jié)構(gòu)承載能力要求的必要條件。③高性能的混凝土需具備良好的耐久性。本項(xiàng)目中絕大多數(shù)T梁服役環(huán)境為Ⅰ-C類。混凝土應(yīng)具有較高的抗裂性和抗?jié)B性，評價(jià)指標(biāo)分別為總開裂面積和電通量。④在實(shí)際工程中，成本是建設(shè)單位考慮的重要指標(biāo)，也是優(yōu)選配合比不可忽視的重要指標(biāo)。最終確定坍落度、1h坍落度、7d抗壓強(qiáng)度、 28d抗壓強(qiáng)度、總開裂面積、電通量和成本共7個指標(biāo)，前4個是正向指標(biāo)，其值越大越好;后3個為逆向指標(biāo)，其值越小越好。將各備選方案中的指標(biāo)值寫成原始指標(biāo)矩陣如下：

（2）計(jì)算結(jié)果分析

詳細(xì)計(jì)算過程參照文獻(xiàn)[8]。計(jì)算得各方案與模糊負(fù)理想點(diǎn)的距離如表3所示。每組配合比方案與負(fù)理想點(diǎn)的距離越大，表明方案越優(yōu)。

如表3所示，本例中與負(fù)理想點(diǎn)距離大小排序?yàn)?>>>>>，=0.348最大，即第11組方案綜合性能最好。其中=0.335，與 ?之差小于0.02，兩個方案綜合性能相差較小。而，小于，，綜合性能不如前兩者;單摻方案明顯小于復(fù)摻方案，綜合性能更差。故推薦使用第9和第11組配合比。

3結(jié)束語

（1）采用模糊決策理論對配合比方案進(jìn)行綜合優(yōu)選，用該方法選用機(jī)制砂混凝土T梁配合比能滿足工程實(shí)際需要，簡單易操作。對初步備選配合比方案混凝土進(jìn)行綜合分析，從各方案到模糊負(fù)理想點(diǎn)的距離大小可得，第11組=0.348最大，方案最優(yōu)，綜合性能最好。且第9組與第11組方案綜合性能接近，可根據(jù)不同情況選擇使用。

（2）復(fù)摻礦物摻和料有效提高了機(jī)制砂混凝土的綜合性能。粉煤灰和礦渣粉復(fù)合替代30%水泥的第11組混凝土的評價(jià)結(jié)果最優(yōu)，綜合性能最佳;復(fù)合替代20%水泥的第9組混凝土結(jié)果值與第11組相近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)摻比例由20%增加至30%時，性能變化不大。故礦物摻和料復(fù)摻的范圍為20%～30%，這樣既可以保證混凝土的綜合性能不會發(fā)生太大變化，也能夠帶來經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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