基于模糊决策理论的T梁混凝土配合比优选研究

杨学成

摘 要 高性能混凝土需要掺加矿物掺和料以减小坍落度经时损失，提高耐久性能。掺和料掺加方式因地制宜且效果不一，通过对不同配合比混凝土性能试验及经济性分析，对比矿物掺和料种类和掺量对混凝土性能及经济性的影响。利用模糊决策理论对混凝土性能进行综合评价。结果显示第11组与模糊负理想点的距离最大，综合性能最优。矿物掺和料复掺的最佳掺量范围为20%～30%。

关键词 高性能混凝土;配合比;坍落度经时损失;经济性分析;模糊决策理论

引言

机制砂应用范围和适用结构在不断拓展。统计显示，机制砂占细骨料比重达到70%，且比例还在进一步上升，机制砂逐步替代河砂是加快构建优质高效的砂石产业体系的重要手段。高性能混凝土需掺加矿物掺和料，掺和料种类较多，性能、掺量和价格差异较大。矿物掺和料单掺或复掺，性能差异体现在工作性能[1]，力学性能[2]和耐久性能[3]上。蒋正武等[4]研究发现，素混凝土1h坍落度损失可到50mm，很难达到自密实混凝土要求的高工作性能，而掺加粉煤灰实验组1h坍落度损失明显更小，能长时间保持较好的工作性能。管宗甫等[5]指出，在一定掺量范围内，粉煤灰和矿渣粉均能明显提高混凝土的抗裂性能，且粉煤灰效果更加突出。由于试验方法和原材料等因素，部分学者[6-7]研究结论不一致，且从经济性角度对配合比的分析研究有待进一步加深。本文对不同配合比混凝土进行性能试验和经济分析，利用模糊决策理论对混凝土综合性能进行评价和方案优选。

1试验与分析

1.1 原材料与试验方法

（1）原材料

水泥：象山海螺P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，28d抗压强度48.6MPa。矿物掺和料：F类Ⅱ级粉煤灰，细度为45μm，筛余15.2%;S95级矿渣粉，7d活性指数83%，含水量0.85%。粗骨料：凝灰岩质碎石，公称粒级为5～20mm，表观密度为2.63g/cm3，堆积密度为1.52g/cm3，连续集配。细骨料：凝灰岩机制砂，表观密度2.61g/cm3，堆积密度1.54g/cm3，细度模数2.7。减水剂： BST-PCA型高效减水剂，减水率25%;水：自来水。

（2）试验方法

工作性能试验依据GB/T50080-2011进行，测试指标为坍落度、1h坍落度和坍落扩展度。力学性能测试混凝土7d和28d抗压强度，依据GB/T 50081-2019进行。早期抗裂性和抗氯離子渗透性测试指标分别为总开裂面积和电通量，试验均依据GB/T 50082-2009进行。

1.2 配合比设计

T梁强度等级为C50，试配强度要求达到60MPa，需具备出色的工作性能、力学性能和耐久性能。试验使用两种矿物掺和料，对比不同配合比混凝土的性能差异。各实验组砂率均为46%，凝胶材料固定，凝胶材料：机制砂：碎石：水=1：1.556：1.823：0.3，外加剂掺量为凝胶材料的1.5%。各实验组凝胶材组成及实验结果见表1。

1.3 试验结果分析

（1）工作性能试验结果

如表1所示，①复掺实验组坍落度和1h坍落度均不低于单掺实验组。单掺第4，7组和复掺第9，10，11组坍落度均超过180mm。第11组坍落度达到190mm最大。②1h坍落度，矿物掺和料复掺实验组变化较小，而单掺情况变化明显更大。第9，10，11组混凝土1h坍落度仍达到160mm以上，能长时间保持较高的流动性，较好满足T梁长时间施工的要求。而单掺情况下1h坍落度最大为150mm。③1h坍落度损失，矿物掺和料复掺与单掺之间存在显著差异。1h坍落度损失越大，表明混凝土流动性损失越大，保持工作性能的能力越差。第9，10组混凝土1h坍落度损失最小，仅为15mm;而单掺情况下，第4，7组1h坍落度损失最小，但仍高达30～40mm。

坍落扩展度除第1，2，5组外，其余实验组均大于450mm，较高掺量矿物掺和料单掺或复掺实验组间差异不大。坍落度除第1组外，其余均超过160mm;而1h坍落度仅第9，10，11组混凝土达到160mm。1h坍落度损失，复掺实验组较小，而单掺实验组较大。

（2）力学性能和耐久性能试验结果

如表1所示，①7d抗压强度复掺实验组和单掺矿渣粉实验组均大于空白组，单掺粉煤灰实验组小于空白组，体现出单掺粉煤灰对早期强度的削弱效应。复掺实验组第9组有最大值。随着矿渣粉掺量增加而逐渐增大。且7d抗压强度复掺实验组均不小于单掺实验组。②28d抗压强度，各实验组均高于空白组。单掺实验组变化趋势一致，随着掺量增加强度值增大;而复掺实验组随着掺量增加，强度值先增大，再小幅度减小。③随着单掺掺量增加，总开裂面积和电通量逐渐减小，并在掺量为20%时有最小值。单掺实验组，第4组总开裂面积最小，相对于空白组减小了36.6%，第7组电通量最小，相对于空白组减小了29.9%。复掺实验组，总开裂面积最小的第11组相比空白组减小了44.9%，相比第4组减小13.1%;而电通量最小的第9组相比空白组减小了38.9%，相比第7组减小12.9%。由此可见，相同掺量下，复掺实验组的抗裂性和抗渗性均要优于单掺实验组。

综合工作性能、力学性能和耐久性能试验结果，可确定初步的备选方案为第1，4，7，8，9，10，11组，共7个实验组。其中，第1组为空白对照组，第4组和第7组分别为单掺20%的粉煤灰或矿渣粉;第8，9，10组为复掺20%矿物掺和料，第11组为复掺30%矿物掺和料。

2基于模糊决策理论的配合比优选

2.1 经济性分析

统计2019年混凝土原材料平均价格，水泥568元/吨、粉煤灰225元/吨、矿渣粉461元/吨、机制砂75元/吨、石子92元/吨、外加剂2800元/吨，水8元/吨。各备选方案成本见表2。相比空白组，第4和第11组的成本最小，均减小了7.6%。复掺实验组随着矿渣粉掺量增加，成本逐渐增大，但均小于空白组。第11组相比第9组，成本下降不超过0.5%，由此可见，复掺掺量由20%增加到30%时，成本相差不大。

2.2 配合比优选

（1） 评价指标选取

凝灰岩机制砂T梁混凝土为预应力混凝土结构，采用了高强预应力筋和高性能混凝土，与普通混凝土结构或钢结构相比，除了结构性能好之外，还具有经济、节材、节能的优势。混凝土配合比优选是多属性、多因素、多指标的复合决策过程，应根据凝灰岩机制砂的特性、混凝土的综合性能及T梁的结构特性进行：①T梁混凝土应具良好的工作性能，评价指标是坍落度和1h坍落度损失。②7d抗压强度是保证张拉龄期和缩短工期的重要支撑;28d 抗压强度是保证达到结构承载能力要求的必要条件。③高性能的混凝土需具备良好的耐久性。本项目中绝大多数T梁服役环境为Ⅰ-C类。混凝土应具有较高的抗裂性和抗渗性，评价指标分别为总开裂面积和电通量。④在实际工程中，成本是建设单位考虑的重要指标，也是优选配合比不可忽视的重要指标。最终确定坍落度、1h坍落度、7d抗压强度、 28d抗压强度、总开裂面积、电通量和成本共7个指标，前4个是正向指标，其值越大越好;后3个为逆向指标，其值越小越好。将各备选方案中的指标值写成原始指标矩阵如下：

（2）计算结果分析

详细计算过程参照文献[8]。计算得各方案与模糊负理想点的距離如表3所示。每组配合比方案与负理想点的距离越大，表明方案越优。

如表3所示，本例中与负理想点距离大小排序为>>>>>>，=0.348最大，即第11组方案综合性能最好。其中=0.335，与  之差小于0.02，两个方案综合性能相差较小。而，小于，，综合性能不如前两者;单掺方案明显小于复掺方案，综合性能更差。故推荐使用第9和第11组配合比。

3结束语

（1）采用模糊决策理论对配合比方案进行综合优选，用该方法选用机制砂混凝土T梁配合比能满足工程实际需要，简单易操作。对初步备选配合比方案混凝土进行综合分析，从各方案到模糊负理想点的距离大小可得，第11组=0.348最大，方案最优，综合性能最好。且第9组与第11组方案综合性能接近，可根据不同情况选择使用。

（2）复掺矿物掺和料有效提高了机制砂混凝土的综合性能。粉煤灰和矿渣粉复合替代30%水泥的第11组混凝土的评价结果最优，综合性能最佳;复合替代20%水泥的第9组混凝土结果值与第11组相近。实验结果表明，复掺比例由20%增加至30%时，性能变化不大。故矿物掺和料复掺的范围为20%～30%，这样既可以保证混凝土的综合性能不会发生太大变化，也能够带来经济效益。

参考文献

[1] 袁晓露.矿物掺和料与外加剂对水泥净浆、砂浆流变性能及经时损失的影响[D].重庆：重庆大学，2005.

[2] 田野.复掺矿物掺和料混凝土性能及抗裂机理、微观特性研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[3] 宋少民，杨柳，徐国强.石灰石粉与低品质粉煤灰复掺对混凝土耐久性能的影响[J].土木工程学报，2010，43（S2）：368-372.

[4] 蒋正武，石连富，孙振平.用机制砂配制自密实混凝土的研究[J].建筑材料学报，2007（2）：154-160.

[5] 管宗甫，李小颖，李世华，等.矿物掺和料和聚丙烯纤维对混凝土塑性收缩开裂的影响[J].硅酸盐通报，2013，32（5）：794-798，803.

[6] 于本田，王起才，周立霞，等.矿物掺和料与水胶比对混凝土耐久性的影响研究[J].硅酸盐通报，2012，31（2）：391-395，410.

[7] 李梅，温勇，张广泰，等.矿物掺和料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J].材料导报，2013，27（11）：107-110.

[8] 王海彦，仇文革.基于模糊决策理论的衬砌混凝土胶凝材组成优化研究[J].硅酸盐通报，2012，31（6）：1599-1605.