基于组合决策与试验验证的混凝土配合比优化方法

《Advances in Materials Science and Engineering》：Optimization Method of Concrete Proportion Based on Combinatorial Decision-Making and Experimental Validation

　　

本研究提出了一种混凝土配合比优化方法，旨在满足混凝土实际性能需求的同时尽量减少试验组数。该方法利用田口正交试验设计（Taguchi Orthogonal Test Design）原理，引入性能权重、试验组权重及相关指标的定义，并综合考量田口正交试验所得数据与工程对不同性能的具体要求。通过设计三因素五水平田口正交试验，研究了砂率、粗骨料级配和水灰比对透水混凝土抗压强度、孔隙率和渗透系数的影响，并采用组合决策方法进行优化。结果表明，优化后混凝土的渗透系数达到3.32 mm/s，较原始试验最高值提高约16.1%；孔隙率为17.20%，处于原始试验结果的上限范围；28天抗压强度达到27.6 MPa，高于大多数原始试验结果。试验验证表明，该方法减少了试验组数，同时满足工程对混凝土特定性能的要求。

论文解读：基于组合决策与试验验证的混凝土配合比优化方法研究

一、研究背景与问题

在当前的混凝土配合比设计领域，主流方法通常聚焦于高强度、良好和易性等关键质量目标。然而，混凝土性能受多种复杂因素影响，不同因素对各个质量目标的作用方向与程度存在显著差异；配合比参数的不同组合也会产生迥异的综合效果。现有混凝土配合比设计方法在多质量目标协同优化方面存在明显不足，尤其难以兼顾用户对混凝土性能的多样化偏好。田口方法在混凝土研究中已有广泛应用，例如有关研究团队利用田口方法从再生骨料介观多孔界面出发建立模型，揭示耐久性和力学性能退化规律，但对多性能目标的配比优化缺乏深入研究；另有一些研究采用田口方法分析矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，但研究范围局限于特定侵蚀介质，未考虑复杂环境下的多因素耦合作用；还有研究探讨了矿物掺合料和水灰比对高性能混凝土工作性、强度和耐久性的影响，但其成果难以满足寒冷、强腐蚀等特殊工程环境对抗冻性和抗渗性的具体要求，也未充分处理长期复杂工况下混凝土耐久性的时变特性及性能间的交互作用。综上所述，现有方法难以全面、有效地应对复杂多样化的工程性能需求。为此，本文引入人为定义的性能需求权重，结合田口正交试验方法，旨在解决最小试验条件下多性能目标的混凝土配合比优化问题。

二、研究内容与结论

研究人员提出了一种基于组合决策的混凝土配合比优化方法，将田口正交试验设计（TOD）与最优–最劣组合决策方法（BWM）相结合。该方法首先针对具体工程需求确定各质量目标的权重，依据田口正交表安排试验并获取各试验组的性能结果；随后通过计算试验组权重、标准化权重、信号噪声比（S/N比）等指标，将试验数据与工程需求综合纳入分析；最终借助MINITAB软件进行田口数据分析，确定最优配合比参数。研究以透水混凝土为对象，设计了砂率、粗骨料级配、水灰比三因素五水平的L₂₅(3⁵)正交试验，共25组试验，测试了透水混凝土的渗透系数、孔隙率和28天抗压强度。结果表明，优化后的配合比为砂率0%、粗骨料级配80%的5–10 mm碎石+20%的10–16.5 mm碎石、水灰比0.3，该组合在原始试验中并未出现。经验证，优化组的渗透系数达3.32 mm/s，比原始试验最高值高约16.1%；孔隙率为17.20%，处于原始结果上限范围；28天抗压强度为27.6 MPa，高于大多数原始试验结果。该研究证实了该方法在减少试验组数的同时能够满足工程特定性能需求，为混凝土配合比设计提供了一种科学高效的新途径。

三、主要关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：其一，田口正交试验设计（TOD），通过构建三因素五水平正交表L₂₅(3⁵)，以少量试验覆盖主要因素组合，考察砂率、粗骨料级配和水灰比三个因素对透水混凝土性能的影响；其二，最优–最劣组合决策方法（BWM），用于确定各质量目标（渗透系数、孔隙率、28天抗压强度）的标准化权重以及各试验组权重；其三，信号噪声比极差分析，计算每个性能指标在各因素水平下的S/N比均值与极差，以评判因素重要性排序；其四，基于MINITAB软件的田口数据分析，导入全部试验结果和S/N比，经统计过程分析确定最优参数组合。试验样本为透水混凝土试件，未涉及外部临床队列。

四、研究结果

（一）试验结果与分析。通过25组田口正交试验，测得渗透系数、孔隙率和28天抗压强度随试验组变化呈现不同趋势。对试验结果进行S/N比极差分析可知：对于渗透系数指标，影响因素排序为粗骨料级配＞砂率＞水灰比；对于孔隙率指标，排序为水灰比＞砂率＞粗骨料级配；对于28天抗压强度指标，排序为砂率＞水灰比＞粗骨料级配。

（二）配合比优化。依据实际工程对透水混凝土的性能要求（渗透系数不低于1 mm/s、抗压强度不低于20 MPa、孔隙率不低于12%），人工赋予三个指标的权重分别为渗透系数1.5、孔隙率0.2、28天抗压强度1，进而计算标准化权重为0.556、0.074、0.370。结合各试验组权重和S/N比计算结果，输入MINITAB软件分析，得到最优参数组合为砂率0%、粗骨料级配80%的5–10 mm碎石+20%的10–16.5 mm碎石、水灰比0.3，该组合未包含在原始试验设计中。

（三）试验结果验证。通过二次试验对优化配合比进行验证，并与原始试验中各性能最高组对比。优化组渗透系数为3.32 mm/s，超过所有原始试验组；孔隙率为17.20%，处于原始结果上限范围；28天抗压强度为27.6 MPa，高于多数原始组。综合性能优异，弥补了传统试验设计难以发现的更优配比。

五、讨论与结论

讨论部分指出，优化组渗透系数显著提高的主要原因是工程需求中对渗透系数赋予了较高权重，使得优化方向偏向于透水性能；同时该配合比在保持较高孔隙率的前提下，抗压强度仍能满足工程要求，体现了多目标权衡的效果。研究结论认为：第一，基于田口正交试验设计与最优–最劣组合决策的混凝土配合比优化方法，创新性地将试验数据与工程性能需求融合，提供了一种科学高效的新途径，减少了试验工作量并提高了设计方案的合理性与实用性。第二，通过三因素五水平试验分析，明确了砂率、粗骨料级配和水灰比分别对不同性能指标的影响主次顺序，为实际工程中精确调整配合比参数提供了理论依据。第三，优化后的透水混凝土配合比展现出优异的渗透—力学综合性能，突破了传统试验设计的局限性，为透水混凝土应用提供了更优选择。第四，该优化方法可靠有效，可广泛应用于各类透水混凝土工程，为解决实际工程问题提供技术支撑，推动混凝土配合比设计向精准化、高效化方向发展。