前言
混凝土是當代最主要的土木工程材料之一，它以水泥為主要膠凝材料，砂石骨料為集料，加水拌合而成。隨著材料科學的不斷發展，混凝土的組成與製備技術也發生著變化，粉煤灰、礦粉、矽灰等礦物摻合料以及化學外加劑的使用是混凝土走向「現代」的重要標誌。配合比設計是混凝土製備過程中的重要環節，它是混凝土從原材料走向成品的關鍵。現階段我國最常用的混凝土配合比設計方法依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）進行，主要設計思想涵蓋以下幾方面：①新拌混凝土和易性好、易於施工；②混凝土硬化後強度達標、耐久性好；③在符合上述兩項要求下，選用最經濟的材料組合。隨著計算機科學的發展，最優化設計方法、人工神經網絡設計方法等其他混凝土配合比設計方法也應運而生。
本文對比分析了現階段常見的混凝土配合比設計方法，在此基礎上，從「科學」與「實用」角度出發，優選基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法進行混凝土製備，並在某高強泵送混凝土工程中進行驗證分析，為現代混凝土的配合比設計提供借鑑。
1混凝土配合比設計方法對比
1.1現行標準設計法
現行標準配合比設計方法即《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）中規定的設計方法，該方法在設計混凝土配合比有以下5個主要步驟：
①確定配製強度；
②確定配合比設計中的基本參數：根據坍落度、配置強度及耐久性要求，查表確定單位用水量、砂率、外加劑和摻合料的摻量、最大水灰比和最小水泥用量、引氣劑摻量等基本參數；
③計算配合比：計算配製強度fcu,0並求出相應的水灰比；選取每立方米混凝土的用水量，並計算出每立方米混凝土的水泥用量；選取砂率，計算粗骨料和細骨料用量，並提出供試配用的計算配合比；
④試配、調整與確定：進行混凝土試配，完成和易性調整、強度校核、密度校核等；
⑤特殊性能校核：對有抗滲、抗凍要求的混凝土以及泵送混凝土、大體積混凝土等，應根據實際要求對配合比做出相應調整。
現行標準配合比設計方法中配合比大量參數靠查表選值，屬於以經驗為基礎的半定量設計方法，存在很多不利因素，使得配製結果隨機性較大，工作效率不高。方法主要在以下幾個方面不能充分滿足現代混凝土製備的需要：
①設計周期較長；
②設計的變量較少，主要是水泥、水和粗細骨料的用量。由於礦物粉料和外加劑的摻入，基於經驗的配合比設計方法難以配製出組分複雜、具有特殊性能的混凝土；
③考慮的性能較單一，主要滿足強度及工作性的要求，缺乏對耐久性等特殊性能要求的設計手段，致使現行標準配合比設計方法製備的結構混凝土耐久性偏低；
④不利於混凝土生產的計算機控制；
⑤優化配合比設計十分困難。
1.2漿固比法
許多專家認為，配合比設計的指導思想應從強度設計向多種性能設計轉化，從可行性設計向優化設計轉化。合理的材料配合比設計應該在符合相關規範給出的包括強度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經濟性等要求的前提下，確定各種成份的用量，獲得最經濟和適用的混凝土。
江蘇博特新材料有限公司對現代混凝土配合比設計進行了大量研究，提出漿固比法，修正《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）中的絕對體積法。該配合比設計方法首先對混凝土材料組成進行了4項假定：（1）混凝土組成材料（包括固液氣三相）具有體積加和性；（2）石子的空隙率由砂漿來填充；（3）砂漿的空隙率由水泥漿來填充；（4）水泥漿由水泥、礦物摻合料和空氣組成。其次，根據Mehta和Aitcin教授的觀點：要使現代混凝土同時達到最佳工作性能和強度，水泥漿與骨料的體積比應為35:65；水泥與細粉料的體積比應為75：25。最後，通過推導，得出基於漿固比的現代混凝土配合比設計解析計算式。
基於漿固比的現代混凝土配合比設計步驟主要有以下幾步：
(1)根據設計的混凝土強度等級，設定漿骨比，混凝土漿骨比範圍宜取0.33～0.35：0.67～0.65；
(2)根據各材料的表觀密度，確定漿體組成；
(3)根據混凝土強度、摻合料摻入情況、目標含氣量，以及水泥強度情況，設定水膠比；
(4)計算漿體部分各材料體積，求得實際漿體組成各原材料質量；
(5)設定砂率，計算骨料部分各材料體積，求得骨料組成各原材料質量；
(6)得出計算配合比；
(7)和易性、強度試配；
(8)特殊性能校核。
1.3最優化設計法
張繼先曾經提出一種單目標的非線性規劃模型，以混凝土價格為目標函數、各種原材料的用量為設計變量，通過對數學模型的優化，在混凝土的性能符合用戶需要的前提下，使成本最低。
1.4人工神經網絡設計法
神經網絡有很強的學習、聯想、自組織和自適應的能力，採用並行、分布式存儲和處理機制，系統具有容錯性和強壯性。其知識是從樣本或事例的數據集合中自動學習獲取的，並用神經元間的連接權值，加以隱性地表達。這種系統藉助計算機模擬，對知識和信息的處理、對混凝土性質的模擬，可以大大減少試驗室的試配工作。將神經網絡專家系統應用於混凝土配合比優化設計和質量控制，可以節約材料、提高生產率。
對於當代混凝土工程而言，《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）中規定的標準設計方法科學性與實用性均存在弊端，經驗參數的選用以及設計靈活度的欠缺，導致了採用其設計出的混凝土，常常不能滿足施工與耐久的需求；最優化設計法和人工神經網絡設計法採用了先進的計算機技術，對於實際工程混凝土生產控制尤為關鍵，但以上兩種方法的實現需要大量的試驗數據作為支撐，方法的完善工作還需繼續；基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法實現了「科學」與「實用」的完美統一，所有配合比參數的選擇均由實際工程混凝土性能指標計算得出，且設計過程耗時短，優化靈活度高，宜在現代混凝土設計與製備中廣泛應用。
2基於漿固比的現代混凝土配合比設計
江蘇某混凝土工程混凝土設計強度等級C70，施工工藝為泵送，通過設計方法分析，採用基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法進行設計，實現混凝土的製備，為工程提供有益借鑑。
2.1混凝土指標要求
設計C70泵送混凝土，應達到以下指標：①初始坍落度T0=220mm±20mm；1h後坍落度T1h=220mm±20mm，擴展度Φ1h≥500mm；②含氣量Air≤3%；③倒坍流出時間T流≤15s；④抗壓強度R28≥80.5MPa
2.2原材料
水泥：江南小野田P﹒II52.5（以下簡稱C），ρ=3140kg/m3；礦渣粉：梅寶S95級（以下簡稱SL）,ρ=2800kg/m3；粉煤灰：華望I級（以下簡稱Fa）,ρ=2200kg/m3；砂：蘇博特試驗室用砂（以下簡稱S），Mx=2.7，ρ=2640kg/m3；石：蘇博特試驗室用碎石（以下簡稱G），5mm～25mm連續級配，ρ=2760kg/m3；外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能減水劑PCA-I。
2.3設計方法分析
工程所用混凝土水膠比較低，水膠比降低是現代混凝土技術發展的趨勢，低水膠比下，混凝土能夠獲得良好的力學性能與耐久性能，但與此同時，工作性能的劣化成為困擾業界的一大技術難題。理論研究表明，礦物摻合料以及化學外加劑技術可以實現現代混凝土力學、耐久、工作性的協調統一。但問題的解決需要在各原材料合理組合前提下實現，此時的混凝土配合比設計方法至關重要，由前面分析可知，基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法是首選，並且考慮到實際工程可能存在原材料質量波動，此時漿固比法相較於標準設計方法而言，靈活性更強，且通過計算機編程可實現基於漿固比的現代混凝土配合比設計計算機化，生產控制更為方便。
2.4配合比設計
按照基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法進行設計，過程及數據見表1。
經試配、校核，修正配合比見表2。
2.5混凝土性能指標分析
按照表2所示配合比拌制的混凝土和易性指標和28d強度見表3。
由表可以看出，採用基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法進行設計與製備，混凝土拌合物和易性優異，滿足泵送需求，試件28d抗壓強度為85.1MPa，滿足C70設計要求。
3結論
(1)《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）中規定的標準設計方法最易掌握，但是效率較低；以計算機為依託的最優化設計法和人工神經網絡法仍不夠成熟，且實施時需要較高的技術平臺；基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法設計周期短、工作量小，對和易性的控制明顯優於標準設計方法，對耐久性的控制上優於標準設計方法。
(2)採用基於漿固比的現代混凝土配合比設計方法成功實現了C70泵送混凝土的設計與製備，混凝土性能指標均滿足設計要求。