材料軟設計理論在混凝土中的應用初探

郭 丹

（北京建筑大學）

前言

材料軟設計理論指應用軟科學方法手段進行材料科學研究。而軟科學是研究“人-事-物”系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)規(guī)律的科學。“軟設計”的“軟”在辭海的解釋是物體受外力后容易變形。《玉篇》中寫道：“軟，柔也”。那么“軟”的相關詞就是“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“軟設計”可以理解成“有彈性的設計”，“具有良好的過渡性”或“協(xié)調(diào)性”的設計[1]。硬科學中人的參與式是被動的，而軟科學中人的參與是主動的。軟科學模式的基本特點是: 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; 科學決策的觀點; 某些事物具有不確定性的觀點[2]。軟科學使人們逐漸學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。

混凝土是一個復雜多變的體系，將材料軟設計理論應用于混凝土，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

混凝土是一個非常復雜的材料。由水泥、骨料、水、礦物摻合料、化學外加劑五大類組成，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，導致混凝土的開裂。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，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，就像評價一個學生的好壞似的，認為學生成績好，那么這個學生就好；而對于混凝土，認為強度高混凝土就好，這種用單一指標評價是片面的，不合理的。對于學生，應走出“成績說明一切”的觀念中，一個學生成績是一方面，但他的道德品質(zhì)，毅力、勇氣、見識、藝術素養(yǎng)、習慣等也應成為評價他的重要因素。同樣，對于混凝土，立方抗壓強度是評價它的一項重要指標，而抗折強度、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考慮。要打破“強度決定一切”的錯誤觀念。應用軟科學理論充分發(fā)揮人的作用，將混凝土硬的評價指標軟化。在混凝土強度評價過程中，不僅考慮28天的強度，還應考慮60天，90天，甚至更長時間的強度。由于現(xiàn)代混凝土中加入粉煤灰、礦粉等礦物摻合料，其強度發(fā)展緩慢，對混凝土后期強度的增長有很大的作用，所以不能認為28天強度就是混凝土的最終強度。因此要對混凝土后期強度加以關注。

高強度混凝土有較高的抗拉強度，但抗拉強度與抗壓強度比值隨抗壓強度的增加而減小，抗壓強度為30MPa時，拉壓比為1/12，抗壓強度為60MPa時，拉壓比為1/14。這樣，就使得混凝土強度越高，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作為評價混凝土好壞的重要指標。

商品混凝土的應用，大大提高了建筑質(zhì)量，但施工單位往往習慣于傳統(tǒng)施工養(yǎng)護經(jīng)驗，不大適應商品混凝土的使用，造成混凝土早期開裂問題嚴重，給商品混凝土帶來一些新的問題。混凝土開裂，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，能有效控制早期開裂。規(guī)范要求濕養(yǎng)護7天，最好能保持7天不失水。前3天防止失水尤為關鍵。而第一天，則為關鍵中的關鍵。現(xiàn)代混凝土早期水化相當快，水化溫升大，如果第一天不養(yǎng)護，第二天才蓄水，還是可能導致開裂。因此，第一天的濕養(yǎng)護至關重要[3]。

混凝土的工作性影響其施工性能。土木工程建設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，即屈服剪應力和塑性粘度。對于水膠比比較低的高性能混凝土用擴展度、倒坍落度筒排空時間來表示工作性更為合理。混凝土的工作性應同時考慮坍落度值、擴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這些導致混凝土品質(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。可見滲透性對于混凝土耐久性的重要意義。而混凝土的抗?jié)B性通過氯離子擴散系數(shù)或直流電量達來反映。

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，水在負溫下結冰，體積膨脹率約9%，當水結冰過程中引發(fā)的內(nèi)應力或融化過程產(chǎn)生的內(nèi)應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，多次凍融循環(huán)使裂縫不斷擴展直到破壞。

當然對于特殊環(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。

2 材料軟設計在混凝土中的應用

2.1 混凝土性能的綜合評價

應用復合材料質(zhì)量的綜合評價方法，將混凝土28天立方抗壓強度，90天立方抗壓強度，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)氯離子擴散系數(shù)或直流電通量將其分級（可參照現(xiàn)行標準）。對于x6，根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)將其分級（可參照現(xiàn)行標準）。

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

根據(jù)不同結構和環(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混凝土進行分級。根據(jù)結構和環(huán)境要求，對混凝土進行有針對性的評價。例如，在東北嚴寒地區(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)境的結構，其抗?jié)B性x5和抗裂性x7要求高，而對于樓板、墻等室內(nèi)結構，抗裂性x7要求高。所以要根據(jù)具體結構和環(huán)境，充分發(fā)揮人的作用，有針對性的對混凝土進行評價，而不能機械的因為混凝土的一個指標低而否定它，也不要一味的追求所有指標都高。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, 也就是在滿足設計要求的各項約束條件下使目標函數(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。“擇優(yōu)而用”是不可回避的[4]。

對于混凝土配合比設計優(yōu)化，為了達到性能集X，通過改變五大原材料的用量，可以有多種實現(xiàn)方法Y，但要達到目標函數(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)濟又能滿足設計要求的配合比。

結語

將材料軟設計理論應用于混凝土，用整體的思想評判混凝土的好壞，充分發(fā)揮人的作用，將同強度等級的混凝土分級考慮，按照結構及耐久性的要求，有針對性的對混凝土進行評價，使其制備和品質(zhì)與環(huán)境相適合。應用配合比優(yōu)化方式，合理利用資源，達到更大的經(jīng)濟效益。當然，材料軟設計理論在混凝土中的應用還不止這些，應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)品設計中“軟設計”研究探索.包裝工程.2010,2:53-55.

[2] 王光遠.工程軟設計理論的基本概念.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.結構軟設計理論初探.China Academic Journal Electronic Publishing House.2014:11-14.