材料軟設(shè)計理論在混凝土中的應(yīng)用初探

郭 丹

（北京建筑大學(xué)）

前言

材料軟設(shè)計理論指應(yīng)用軟科學(xué)方法手段進(jìn)行材料科學(xué)研究。而軟科學(xué)是研究“人-事-物”系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)規(guī)律的科學(xué)?！败浽O(shè)計”的“軟”在辭海的解釋是物體受外力后容易變形?！队衿分袑懙溃骸败?，柔也”。那么“軟”的相關(guān)詞就是“有彈性，有更改余地，有可發(fā)揮的空間，可調(diào)節(jié)，水性，柔，模糊，離散”。那么“軟設(shè)計”可以理解成“有彈性的設(shè)計”，“具有良好的過渡性”或“協(xié)調(diào)性”的設(shè)計[1]。硬科學(xué)中人的參與式是被動的，而軟科學(xué)中人的參與是主動的。軟科學(xué)模式的基本特點是: 重視人的因素的觀點;全系統(tǒng)全局的觀點; 優(yōu)化和控制的觀點; 科學(xué)決策的觀點; 某些事物具有不確定性的觀點[2]。軟科學(xué)使人們逐漸學(xué)會正確處理不確定因素，充分利用人類經(jīng)驗合理解決問題。

混凝土是一個復(fù)雜多變的體系，將材料軟設(shè)計理論應(yīng)用于混凝土，考慮影響混凝土性能的多種因素，綜合評價混凝土的性能。

1 混凝土的特點及評價指標(biāo)

混凝土是一個非常復(fù)雜的材料。由水泥、骨料、水、礦物摻合料、化學(xué)外加劑五大類組成，這五大類材料在混凝土中起著不同的作用。隨著時間的變化，混凝土的各項性能也在發(fā)生變化。就跟人一樣，由出生到幼年，到中年，再到老年。五種材料就像遺傳基因，直接決定著混凝土的各項性能，同時影響著混凝土的一生。在混凝土幼年時期，強(qiáng)度快速增長，是塑性期。但容易受外界因素影響，如溫度、濕度等。如果外界環(huán)境對其生長不利，直接影響其后期壽命。但現(xiàn)在人們經(jīng)常會忽略這一點，不重視混凝土的養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致混凝土的開裂。在中年時期，混凝土充分發(fā)揮作用，承受著各種荷載，同時經(jīng)受外界各種離子侵蝕、凍融破壞，同時，也在緩慢生長。如果混凝土先天有良好的材料且在幼年時期生長的好，那么它步入老年的步伐就會緩慢，但如果混凝土先天條件不好，又不好好養(yǎng)護(hù)，混凝土步入老年的步伐就會加快，各項性能退化，混凝土表面剝落，最終失效。

現(xiàn)在評價混凝土的好壞，就像評價一個學(xué)生的好壞似的，認(rèn)為學(xué)生成績好，那么這個學(xué)生就好；而對于混凝土，認(rèn)為強(qiáng)度高混凝土就好，這種用單一指標(biāo)評價是片面的，不合理的。對于學(xué)生，應(yīng)走出“成績說明一切”的觀念中，一個學(xué)生成績是一方面，但他的道德品質(zhì)，毅力、勇氣、見識、藝術(shù)素養(yǎng)、習(xí)慣等也應(yīng)成為評價他的重要因素。同樣，對于混凝土，立方抗壓強(qiáng)度是評價它的一項重要指標(biāo)，而抗折強(qiáng)度、抗裂性、工作性、抗?jié)B性、抗凍性等對其壽命影響較大的因素也應(yīng)考慮。要打破“強(qiáng)度決定一切”的錯誤觀念。應(yīng)用軟科學(xué)理論充分發(fā)揮人的作用，將混凝土硬的評價指標(biāo)軟化。在混凝土強(qiáng)度評價過程中，不僅考慮28天的強(qiáng)度，還應(yīng)考慮60天，90天，甚至更長時間的強(qiáng)度。由于現(xiàn)代混凝土中加入粉煤灰、礦粉等礦物摻合料，其強(qiáng)度發(fā)展緩慢，對混凝土后期強(qiáng)度的增長有很大的作用，所以不能認(rèn)為28天強(qiáng)度就是混凝土的最終強(qiáng)度。因此要對混凝土后期強(qiáng)度加以關(guān)注。

高強(qiáng)度混凝土有較高的抗拉強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值隨抗壓強(qiáng)度的增加而減小，抗壓強(qiáng)度為30MPa時，拉壓比為1/12，抗壓強(qiáng)度為60MPa時，拉壓比為1/14。這樣，就使得混凝土強(qiáng)度越高，其脆性越大，斷裂韌性越小，抵抗突發(fā)荷載的能力越差[3]。因此，混凝土的拉壓比也應(yīng)作為評價混凝土好壞的重要指標(biāo)。

商品混凝土的應(yīng)用，大大提高了建筑質(zhì)量，但施工單位往往習(xí)慣于傳統(tǒng)施工養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗，不大適應(yīng)商品混凝土的使用，造成混凝土早期開裂問題嚴(yán)重，給商品混凝土帶來一些新的問題?；炷灵_裂，使其抵御環(huán)境有害介質(zhì)侵入的能力減弱，耐久性降低。近年來混凝土原材料和配合比的變化，是早期開裂的重要原因。但工程實踐表明，對商品混凝土實行“及時而充分”的濕養(yǎng)護(hù)，能有效控制早期開裂。規(guī)范要求濕養(yǎng)護(hù)7天，最好能保持7天不失水。前3天防止失水尤為關(guān)鍵。而第一天，則為關(guān)鍵中的關(guān)鍵?，F(xiàn)代混凝土早期水化相當(dāng)快，水化溫升大，如果第一天不養(yǎng)護(hù)，第二天才蓄水，還是可能導(dǎo)致開裂。因此，第一天的濕養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要[3]。

混凝土的工作性影響其施工性能。土木工程建設(shè)中通常采用坍落度發(fā)來測定新拌混凝土的流動性，并輔以其他方法或經(jīng)驗，結(jié)合直觀觀察來評定其粘聚性和保水性，從而綜合判定其工作性。但高性能混凝土拌合物流變特性由兩個流變參數(shù)來表征，即屈服剪應(yīng)力和塑性粘度。對于水膠比比較低的高性能混凝土用擴(kuò)展度、倒坍落度筒排空時間來表示工作性更為合理?；炷恋墓ぷ餍詰?yīng)同時考慮坍落度值、擴(kuò)展度和倒坍落筒排空時間。

混凝土材料抵抗壓力水滲透的能力稱為抗?jié)B性，它是決定混凝土耐久性最基本的因素。鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕和堿骨料反應(yīng)這些導(dǎo)致混凝土品質(zhì)劣化的原因中，水能夠滲透到混凝土內(nèi)部是破壞的前提?？梢姖B透性對于混凝土耐久性的重要意義。而混凝土的抗?jié)B性通過氯離子擴(kuò)散系數(shù)或直流電量達(dá)來反映。

混凝土的抗凍性是指混凝土在水飽和狀態(tài)下經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用，能保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力，混凝土是多孔材料，若內(nèi)部含有水分，水在負(fù)溫下結(jié)冰，體積膨脹率約9%，當(dāng)水結(jié)冰過程中引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力或融化過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，多次凍融循環(huán)使裂縫不斷擴(kuò)展直到破壞。

當(dāng)然對于特殊環(huán)境，混凝土還有特殊要求，這些因素均可作為混凝土評價指標(biāo)。

2 材料軟設(shè)計在混凝土中的應(yīng)用

2.1 混凝土性能的綜合評價

應(yīng)用復(fù)合材料質(zhì)量的綜合評價方法，將混凝土28天立方抗壓強(qiáng)度，90天立方抗壓強(qiáng)度，拉壓比，工作性，抗?jié)B性，抗凍性，抗裂性等作為因數(shù)集。

U=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，…｝

取值X=｛x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，…｝作為性能集

對于x1，x2，x3是檢測數(shù)據(jù)。

對于x4，將坍落度，擴(kuò)展度，倒坍落度筒流出時間作為因數(shù)集A=｛a1，a2，a3｝，取值B=｛b1，b2，b3｝作為性能集，根據(jù)b1，b2,b3的取值范圍將工作性分為幾個等級。

對于x5，根據(jù)氯離子擴(kuò)散系數(shù)或直流電通量將其分級（可參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)）。對于x6，根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)將其分級（可參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)）。

對于x7，根據(jù)膠凝材料組成、用量、養(yǎng)護(hù)時間、方法將其分級。

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和環(huán)境對混凝土的要求，因數(shù)還可以增加。

這樣對于合格的混凝土，根據(jù)x4，x5，x6的分級，也可將混凝土分級。例如同樣是C30混凝土，但其他性能是不同的，通過這種方法，將C30混凝土進(jìn)行分級。根據(jù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境要求，對混凝土進(jìn)行有針對性的評價。例如，在東北嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土抗凍性要求高，那么x6的等級要求高；而在有鹽類侵蝕的地區(qū)，抗?jié)B性x5的等級要求高。對于橋梁等暴露在環(huán)境的結(jié)構(gòu)，其抗?jié)B性x5和抗裂性x7要求高，而對于樓板、墻等室內(nèi)結(jié)構(gòu)，抗裂性x7要求高。所以要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和環(huán)境，充分發(fā)揮人的作用，有針對性的對混凝土進(jìn)行評價，而不能機(jī)械的因為混凝土的一個指標(biāo)低而否定它，也不要一味的追求所有指標(biāo)都高。任何事物在其所處位置和環(huán)境，合適才是最好的。

2.2 混凝土配合比優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計就是從所有可用方案中找出最滿意的方案, 也就是在滿足設(shè)計要求的各項約束條件下使目標(biāo)函數(shù)最滿意的方案。工程的所有環(huán)節(jié)都存在多種可用方案, 因而都存在優(yōu)化的問題?！皳駜?yōu)而用”是不可回避的[4]。

對于混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化，為了達(dá)到性能集X，通過改變五大原材料的用量，可以有多種實現(xiàn)方法Y，但要達(dá)到目標(biāo)函數(shù)—成本f（y）盡可能的小。

Y=｛y1，y2，y3，y4，y5｝，yi表示各材料的用量范圍

f（y）=∑miyi mi為各材料的單位成本

通過比較f（y）得出幾組既經(jīng)濟(jì)又能滿足設(shè)計要求的配合比。

結(jié)語

將材料軟設(shè)計理論應(yīng)用于混凝土，用整體的思想評判混凝土的好壞，充分發(fā)揮人的作用，將同強(qiáng)度等級的混凝土分級考慮，按照結(jié)構(gòu)及耐久性的要求，有針對性的對混凝土進(jìn)行評價，使其制備和品質(zhì)與環(huán)境相適合。應(yīng)用配合比優(yōu)化方式，合理利用資源，達(dá)到更大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，材料軟設(shè)計理論在混凝土中的應(yīng)用還不止這些，應(yīng)用這種理論將有利于我們找到研究和制備混凝土的正確途徑和方法。

[1] 張輝，許坤.產(chǎn)品設(shè)計中“軟設(shè)計”研究探索.包裝工程.2010,2:53-55.

[2] 王光遠(yuǎn).工程軟設(shè)計理論的基本概念.工業(yè)建筑.2011:129-133.

[3] 劉娟紅，宋少民.綠色高性能混凝土.中國電力出版社.2011:6.

[4] 王光遠(yuǎn).結(jié)構(gòu)軟設(shè)計理論初探.China Academic Journal Electronic Publishing House.2014:11-14.