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Cem. Concr. Compos. ：超高性能混凝土配合比设计方法综述
题目
题目: Mixture design methods for ultra-high-performance concrete - a review
超高性能混凝土配合比设计方法综述
关键词
人工神经网络(ANN)；超高性能混凝土（UHPC）；配合比设计方法；流变特性；紧密堆积密实度
来源
出版年份：2021
来源：Cement and Concrete Composites
课题组：湖南大学土木工程学院吴泽媚课题组
研究背景
超高性能混凝土(UHPC)是一种相对新颖的复合材料，其优点是具有超高强度、高韧性和出色的耐久性。UHPC广泛应用于桥梁、防爆结构、薄壁结构、建筑装饰、海洋结构以及修复和加固构件中。然而，使用高含量的超细颗粒和高效减水剂会导致UHPC的高粘度和自收缩。由于截留气泡不均匀的分散和钢纤维的取向，这些最终导致UHPC的浇筑性困难和硬化性能受损。考虑到这些性能的冲突要求，基于经验参数的普通混凝土和高性能混凝土的常规混合料设计方法不能直接处理这些复杂性。与普通混凝土不同，UHPC混合料设计的关键是通过优化粒度分布来产生紧密堆积的结构。这需要严格选择材料来填充基体间的孔隙，以实现可能的最大堆积密实度。UHPC的混合物设计更为复杂，可以认为是多目标优化过程。因此，必须开发科学有效的混合物设计方法，以生产出满足可加工性，强度，耐用性和经济性要求的UHPC。
研究出发点
尽管已经开发了不同的混合物设计方法，但大多数建议的混合物设计方法都涉及一系列试验测试和经验参考值。由于原理不同，设计方法表现出不同的特性和适用性。
研究内容
根据混凝土材料设计基本原理，本文综述了四种常用的混合料设计方法，包括基于干、湿填料密度的紧密堆积法、基于流变学、统计学和人工神经网络（ANN）模型的分析方法。介绍并讨论了这些方法的设计步骤以及混合料配比对UHPC关键性能的影响。最后比较了这些方法的优缺点。
图1 一个颗粒混合物系统的填料密度图
图2 单粒径和多粒径集料体系图
图3 颗粒松散和壁效应示意图
图4 添加高效减水剂和不添加高效减水剂的颗粒分散比较
图5 基于颗粒紧密湿填料的混合比例
图6 神经网络模型的结构和通过RMSE的测试和训练值
主要结论
基于以上对UHPC混合料设计方法的广泛回顾和讨论，可以得出以下结论：
(1) 由颗粒连续堆积衍生而来的紧密堆积法是目前应用最广泛的UHPC混合料设计方法。它使UHPC实现致密的压实结构，显著降低了UHPC的孔隙率和增强了UHPC的强度。然而，大多数的颗粒堆积模型只考虑了固体骨架的堆积密度，而没有考虑水和超强增塑剂等液体与固体颗粒的相互作用。因此，测量的填料密度低于实际湿态下的填料密度，导致对UHPC强度的预测不准确。
(2) 基于流变学的混合料设计方法可以生产出具有良好流动性的UHPC，保证纤维、骨料等增强材料相对均匀的分散和取向，从而使UHPC具有更好的性能。通过改变混合料的配比，包括高效减水剂用量、PSD、纤维种类和含量、W/B比等，可以调节UHPC的流变性能。水和高效减水剂用量的确定应考虑UHPC的颗粒堆积情况，并评价浆料的流动性。通过反复试验确定UHPC与纤维混合后的最佳流变性能，流变试验数据对外界环境等变量敏感。
(3) 统计配合比设计方法定量分析了超高性能混凝土配合比与性能之间的关系，简化了优化配合比设计所需的方案。然而，需要大量的实验来平衡大量的变量，从而验证方法的可靠性。
(4) 人工神经网络可以减少试验次数，提高UHPC的成本效益，并通过不断改变输入值及其权重提供准确的预测。通过线性和非线性规划，人工神经网络方法比传统的统计方法更简单、更直接。然而，局部可能会发生过拟合，由于缺乏训练每个神经元的数据，数据无法扩展。
配合比设计是混凝土生产中必不可少的一步。为促进UHPC的制造和应用，在今后的研究中应考虑以下几个方面：
1) 应采用替代材料替代水泥，并选择科学实用的混合料设计方法，以平衡各种原材料的坚固性、流动性、强度、成本和可持续性等性能。
2)考虑到UHPC的各项性能要求相互矛盾，将两种或两种以上的混合料设计方法结合起来，发挥每种方法的优点，满足UHPC的多种性能要求，从而达到较好的UHPC配合比。
本期编者简介
翻译：
罗盛禹 硕士生 深圳大学
审核：
余 阳 硕士生 深圳大学
排版：
罗盛禹 硕士生 深圳大学
本期学术指导
艾 蠡 博士后 南卡罗来纳大学
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104242
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