價值工程理論在季凍區混凝土配合比優化設計中的應用

哈 娜，徐義洪，包宇揚

(遼寧省交通高等專科學校 道橋系 沈陽市 110122)

0 引言

為了提高產品或作業價值，高效利用資源價，從而達到降低壽命周期成本的目的，通過創造性工作，獲得最佳的綜合經濟效益[1-2]。價值工程理論下的價值，不同于政治經濟學中所指的產品使用價值，不同于產品交換價值，而是產品進行相互比較后產生的價值，即功能與全部費用之比。計算公式為：V=F/C。其中F表示功能，C表示成本，V表示價值。

功能指數法可以更精確地計算出超細玻璃微珠高性能混凝土的配比，并且確定出對應的混凝土性能價值。將功能程度大小和成本費用大小實現價值指數法的歸一化數值計算，由此確定季凍區混凝土的功能指數和成本指數，用其在總體性能和總材料成本費用中所占的比率來表示[3-5]，根據價值計算公式V=F/C。

1 基于價值工程理論的優化步驟

為使季凍區超細玻璃微珠高性能混凝土性能的價值工程收益更高，總結價值工程分析的基本步驟如下：

(1)求各試件組功能系數F。根據前述試驗結果確定各試件組對應工作性、強度、抗氯離子侵蝕、抗凍性、收縮性五個方面功能情況進行分析，結合權重的相關概念和確定方法，分別確定客觀權重和主觀權重，并結合文獻[6]確定綜合權重，將試驗結果歸一化處理后根據權重確定各個試件歸一化結果，并根據功能系數計算公式，計算確定對應各試件組的功能系數：功能系數=各試件組的性能/各試件組性能之和。

(2)計算各試件組的成本及成本系數C。根據原材料數量×原材料單價=原材料成本公式，求解各原材料成本和，計算每個試件組的成本，從而計算確定各試件組的成本系數C。根據公式：成本系數=各試件組的成本/各試件組成本之和，確定對應各試件組的成本系數。

(3)確定價值系數V。根據V=F/C，計算各試件組的價值系數。式中，F是超細玻璃微珠高性能混凝土試驗研究中混凝土的功能情況，包括在內的有混凝土的工作性、抗凍性、抗壓強度、抗氯離子擴散、收縮性等因素。C是指材料的成本費用。根據價值系數數值進行各試件配合比優化性能分析。

2 季凍區高性能混凝土的功能分析

季凍區混凝土的性能主要在于工作性、強度、抗氯離子擴散性、抗凍性和收縮性五個方面，對于這五個方面的功能分析主要以試驗數據為基礎。

2.1 高性能混凝土試驗研究

2.1.1試驗原材料

(1)水泥：采用硅酸鹽水泥42.5級，密度為3.1g/cm3，產地為沈陽冀東水泥廠。

(2)超細玻璃微珠(簡稱微珠)：密度為2.7g/cm3，拌制混凝土和砂漿用粉煤灰Ⅰ級的技術要求，以及強度活性指數的檢驗結果中均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005規定，提供廠家為內蒙古文景君臨新材料科技有限公司。

(3)硅灰：密度為2.2g/cm3，產地為沈陽市眾邦建筑材料有限公司。

(4)細集料：采用細度模數為2.84的中砂，密度為2.65g/cm3的河沙。

(5)粗集料：5-20mm連續級配碎石，密度為2.7g/cm3。

(6)外加劑：聚羧酸高性能減水劑，產地為沈陽混凝土行建筑材料科技有限公司。

(7)水：潔凈的自來水。

綜合考慮單摻超細玻璃微珠和雙摻超細玻璃微珠以及硅灰兩種方式進行配合比設計，膠凝材料用量為480g/m3，最佳硅灰的摻量根據10%來進行C50混凝土配置，其配合比設計結果，見表1。

表1 混凝土配合比設計

2.1.2高性能混凝土試驗

(1)工作性試驗。高性能混凝土的工作性和普通混凝土沒有區別，可按流動性、黏聚性、保水性來考慮。因此以坍落度的數值來衡量高性能混凝土工作性的重要指標[7]。不同配比條件下的坍落度可以依據《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》[7]GB/T 50080—2016測量。高性能混凝土由于摻入了高效的外加劑，大大增大了混凝土的坍落度，同時還由于微珠等礦物摻和料的作用填充了水泥膠凝材料的空隙，使得高性能混凝土呈現良好的黏聚性和保水性。

(2)抗壓強度試驗。根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[8](JTG E30—2005)制作標準立方體塊，其尺寸為100mm×100mm×100mm，將制作完成的立方體試塊進行標準養護，養護28d后進行強度測試，每一組三個試件，取其平均值作為其28d強度值，抗壓完成的試件，見圖1。

圖1 抗壓強度試驗后的試件

(3)抗氯離子滲透試驗。依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[9]GB/T 50082—2009，進行快速氯離子遷移系數法測定氯離子在混凝土中非穩態的遷移系數，從而進一步來評價混凝土抗氯離子的滲透能力。測量氯離子滲透深度時，可以將試件以垂直于長邊的方式等分為10份，用紅色筆描出滲透輪廓線，使用游標卡尺，測量顯色分界線距離試件底部的長度，精確至0.1mm。以便觀察顏色變化的位置，具體完成情況如圖2所示。

圖2 劈開后試件

(4)抗凍融試驗。試驗使用水泥混凝土抗凍性試驗方法(快凍法)。試驗標準可參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[8](JTG E30—2005)進行。標準試樣可連續使用，每組3個。棱鏡混凝土試件的尺寸為100mm×100mm×400mm。經過300次凍融循環[10]后，對試件稱重并檢查其外觀，如圖3所示是經過試驗后試件的表面，試件表面出現了明顯的剝蝕現象。

圖3 凍融循環后混凝土表面剝蝕情況

(5)收縮性試驗。采用接觸法收縮試驗?？蓞⒖肌镀胀ɑ炷灵L期性能和耐久性能試驗方法標準》[9]GB/T 50082—2009進行，棱柱體[10]的尺寸為100mm×100mm×515mm，一組3個試件，采用具有剛度足夠、收縮變形小的鋼模作為試驗模板。試件成型后，標養1d后拆模。用垂直千分尺作為收縮儀(儀器由試件框架和外部安裝的千分尺組成)測量試件的收縮，如圖4所示。

圖4 收縮試驗

2.2 功能分析

根據上述試驗結果和季凍區高性能混凝土功能進行整理分析，為細化功能統計內容與試驗數據結果相匹配，將功能統計內容概括為工作性、強度、抗氯離子擴散性、抗凍性和收縮性五個方面，見表2。表2中的抗凍性以質量損失率考慮，而收縮性是根據前面試驗數據總結平均干縮率得到的數據結果進行收縮性的判定，從上述試驗數據可得到如下結論：

表2 功能試驗數據統計表

(1)單摻微珠的工作性良好，強度會下降，同時微珠含量的增加會影響混凝土的抗氯離子擴散性能、抗凍性，但是微珠對收縮有利。

(2)微珠不利的影響以及其可改善收縮性能的作用可通過雙摻微珠和硅灰發揮出來。對于功能評價其最重要的環節就在于各個功能中權重的確定。在價值工程中，可以采用主觀賦權法來確定其權重，但這種方法具有很大的主觀性和隨意性，不能真實反映客觀事物之間的現實關系，因此在實踐中應盡量避免使用。為了更加合理地確定各個功能的權重關系應結合客觀權重，即為綜合權重的確定[10]。確定綜合權重的方法是綜合考慮高性能混凝土材料條件產生的功能結果和配合比需求，從而確定綜合權重。因此為確定綜合權重需要根據試驗結果和專家打分兩種情況，將主觀定權法和統計分析法相結合綜合確定。

對于客觀權重的確定應用均方差的方法對表1中的試驗數據進行均方差的計算，以指標權重系數作為客觀權重。主觀權重的確定采用“01”分析法。邀請10位具有豐富經驗的專家對季凍區混凝土各項功能的影響進行問卷調查，以打分形式確定各功能的重要性，統計分析后各功能對比打分結果，即可獲得主觀權重。由此可得主客觀權重結果，見表3。

表3 主客觀權重表

為確定綜合權重還需給出各功能的理想值方案，將表1中試驗數據進行標準化處理，可得處理后各功能的均值作為理想方案S*={0.777,0.816,0.783,0.869,0.812}。

確定主觀權重和客觀權重參數矩陣的方法，根據文獻[6]中的綜合權重公式為

(1)

式中，A和B——參數

根據式(1)可得綜合權重應為wj={0.21,0.17,0.22,0.24,0.16}。

為了對比各個試件之間的同一功能情況，對表2試驗數據進行歸一化處理，確定各個試件的功能系數，見表4。

表4 各試件功能系數確定表

3 季凍區高性能混凝土的成本分析

根據試驗所需各材料，統計原材料的單價。參考試驗采購報價確定各原材料價格，并統計單價和試驗材料列表。根據沈陽市2016年自來水價格，確定試驗用水費用。最終確定材料成本系數表，見表5。各材料用量均為單位體積混凝土的質量kg，應用成本系數公式，代入成本單價，確定出各試驗成本系數表，見表5。

表5 各試件成本系數確定

4 季凍區高性能混凝土的價值分析

將計算得到的函數系數和成本系數代入價值系數公式，得到函數系數、成本系數和價值系數的曲線，如圖5所示。

圖5 F、C、V曲線

優化分析價值指數。根據圖5可以看出，其功能曲線基本呈現上升趨勢，而成本曲線是隨著微珠和硅灰摻量的逐漸增加而上升的。

對于未添加礦物摻和料的試件1，其值指數最低，為0.923699，說明未添加礦物摻和料的試件功能較差。但是卻不能獲得很好的價值，因此為了改善其價值必須提高其功能；在微珠摻量為20%時，價值系數達到1.01791，試件2、試件3和試件4的價值曲線顯示獲得最高價值，試驗結果表明，用較低的試驗材料成本可以獲得較大的功能效果。由此可見，單個微球混合的情況為：在摻量為20%時，可獲得最好的性價比；試件5、試件6和試件7的價值指數均超過了1，且價值系數值都比1.01791大，表明其功能指數比重明顯大于成本比重，是比較經濟的，這也說明了雙摻微珠和硅灰的試驗結果明顯優于單摻和不摻的情況，同時，從價值指數的結果來看，如果微球含量增加，成本會增加，雙摻雜的價值指數也會隨著微球含量的增加而下降。從而導致其價值指數下降，因此從價值指數曲線可以看出雙摻微珠和硅灰時，其等量配比的情況是性價比最高的，它不僅可以獲得較高的功能指標，而且可以節約成本。價值工程分析結果與試驗結果完全一致。也更好地從理論上對雙摻的合理配比進行了驗證。

5 結論

在高性能混凝土試驗研究的基礎上，應用價值工程理論對配合比優化設計進行了分析。研究結論如下:

(1)總結基于價值工程理論的高性能混凝土配合比優化設計步驟。

(2)根據季凍區高性能混凝土的性能要求設計工作性、強度、抗氯離子擴散、抗凍性和收縮性等方面的試驗，并對五個方面的試驗數據進行功能分析，從主客觀兩個方面確定功能分析的綜合權重，由此確定功能系數，結合試驗材料使用情況和地區材料單價，確定試驗材料成本系數，并應用價值系數計算公式，確定價值系數，同時繪制功能、成本和價值系數曲線。

(3)從優化分析結果可以看出，對于未摻加礦物摻和料的試件功能性不好，而單摻微珠摻量為20%時，獲得最高價值，雙摻微珠和硅灰時，其等量配比的情況是性價比最高的，價值工程分析得到的結果與試驗結果基本吻合，對試驗得出結論進行了很好的驗證。