价值工程理论在季冻区混凝土配合比优化设计中的应用

哈 娜，徐义洪，包宇扬

(辽宁省交通高等专科学校 道桥系 沈阳市 110122)

0 引言

为了提高产品或作业价值，高效利用资源价，从而达到降低寿命周期成本的目的，通过创造性工作，获得最佳的综合经济效益[1-2]。价值工程理论下的价值，不同于政治经济学中所指的产品使用价值，不同于产品交换价值，而是产品进行相互比较后产生的价值，即功能与全部费用之比。计算公式为：V=F/C。其中F表示功能，C表示成本，V表示价值。

功能指数法可以更精确地计算出超细玻璃微珠高性能混凝土的配比，并且确定出对应的混凝土性能价值。将功能程度大小和成本费用大小实现价值指数法的归一化数值计算，由此确定季冻区混凝土的功能指数和成本指数，用其在总体性能和总材料成本费用中所占的比率来表示[3-5]，根据价值计算公式V=F/C。

1 基于价值工程理论的优化步骤

为使季冻区超细玻璃微珠高性能混凝土性能的价值工程收益更高，总结价值工程分析的基本步骤如下：

(1)求各试件组功能系数F。根据前述试验结果确定各试件组对应工作性、强度、抗氯离子侵蚀、抗冻性、收缩性五个方面功能情况进行分析，结合权重的相关概念和确定方法，分别确定客观权重和主观权重，并结合文献[6]确定综合权重，将试验结果归一化处理后根据权重确定各个试件归一化结果，并根据功能系数计算公式，计算确定对应各试件组的功能系数：功能系数=各试件组的性能/各试件组性能之和。

(2)计算各试件组的成本及成本系数C。根据原材料数量×原材料单价=原材料成本公式，求解各原材料成本和，计算每个试件组的成本，从而计算确定各试件组的成本系数C。根据公式：成本系数=各试件组的成本/各试件组成本之和，确定对应各试件组的成本系数。

(3)确定价值系数V。根据V=F/C，计算各试件组的价值系数。式中，F是超细玻璃微珠高性能混凝土试验研究中混凝土的功能情况，包括在内的有混凝土的工作性、抗冻性、抗压强度、抗氯离子扩散、收缩性等因素。C是指材料的成本费用。根据价值系数数值进行各试件配合比优化性能分析。

2 季冻区高性能混凝土的功能分析

季冻区混凝土的性能主要在于工作性、强度、抗氯离子扩散性、抗冻性和收缩性五个方面，对于这五个方面的功能分析主要以试验数据为基础。

2.1 高性能混凝土试验研究

2.1.1试验原材料

(1)水泥：采用硅酸盐水泥42.5级，密度为3.1g/cm3，产地为沈阳冀东水泥厂。

(2)超细玻璃微珠(简称微珠)：密度为2.7g/cm3，拌制混凝土和砂浆用粉煤灰Ⅰ级的技术要求，以及强度活性指数的检验结果中均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005规定，提供厂家为内蒙古文景君临新材料科技有限公司。

(3)硅灰：密度为2.2g/cm3，产地为沈阳市众邦建筑材料有限公司。

(4)细集料：采用细度模数为2.84的中砂，密度为2.65g/cm3的河沙。

(5)粗集料：5-20mm连续级配碎石，密度为2.7g/cm3。

(6)外加剂：聚羧酸高性能减水剂，产地为沈阳混凝土行建筑材料科技有限公司。

(7)水：洁净的自来水。

综合考虑单掺超细玻璃微珠和双掺超细玻璃微珠以及硅灰两种方式进行配合比设计，胶凝材料用量为480g/m3，最佳硅灰的掺量根据10%来进行C50混凝土配置，其配合比设计结果，见表1。

表1 混凝土配合比设计

2.1.2高性能混凝土试验

(1)工作性试验。高性能混凝土的工作性和普通混凝土没有区别，可按流动性、黏聚性、保水性来考虑。因此以坍落度的数值来衡量高性能混凝土工作性的重要指标[7]。不同配比条件下的坍落度可以依据《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》[7]GB/T 50080—2016测量。高性能混凝土由于掺入了高效的外加剂，大大增大了混凝土的坍落度，同时还由于微珠等矿物掺和料的作用填充了水泥胶凝材料的空隙，使得高性能混凝土呈现良好的黏聚性和保水性。

(2)抗压强度试验。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[8](JTG E30—2005)制作标准立方体块，其尺寸为100mm×100mm×100mm，将制作完成的立方体试块进行标准养护，养护28d后进行强度测试，每一组三个试件，取其平均值作为其28d强度值，抗压完成的试件，见图1。

图1 抗压强度试验后的试件

(3)抗氯离子渗透试验。依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[9]GB/T 50082—2009，进行快速氯离子迁移系数法测定氯离子在混凝土中非稳态的迁移系数，从而进一步来评价混凝土抗氯离子的渗透能力。测量氯离子渗透深度时，可以将试件以垂直于长边的方式等分为10份，用红色笔描出渗透轮廓线，使用游标卡尺，测量显色分界线距离试件底部的长度，精确至0.1mm。以便观察颜色变化的位置，具体完成情况如图2所示。

图2 劈开后试件

(4)抗冻融试验。试验使用水泥混凝土抗冻性试验方法(快冻法)。试验标准可参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[8](JTG E30—2005)进行。标准试样可连续使用，每组3个。棱镜混凝土试件的尺寸为100mm×100mm×400mm。经过300次冻融循环[10]后，对试件称重并检查其外观，如图3所示是经过试验后试件的表面，试件表面出现了明显的剥蚀现象。

图3 冻融循环后混凝土表面剥蚀情况

(5)收缩性试验。采用接触法收缩试验。可参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[9]GB/T 50082—2009进行，棱柱体[10]的尺寸为100mm×100mm×515mm，一组3个试件，采用具有刚度足够、收缩变形小的钢模作为试验模板。试件成型后，标养1d后拆模。用垂直千分尺作为收缩仪(仪器由试件框架和外部安装的千分尺组成)测量试件的收缩，如图4所示。

图4 收缩试验

2.2 功能分析

根据上述试验结果和季冻区高性能混凝土功能进行整理分析，为细化功能统计内容与试验数据结果相匹配，将功能统计内容概括为工作性、强度、抗氯离子扩散性、抗冻性和收缩性五个方面，见表2。表2中的抗冻性以质量损失率考虑，而收缩性是根据前面试验数据总结平均干缩率得到的数据结果进行收缩性的判定，从上述试验数据可得到如下结论：

表2 功能试验数据统计表

(1)单掺微珠的工作性良好，强度会下降，同时微珠含量的增加会影响混凝土的抗氯离子扩散性能、抗冻性，但是微珠对收缩有利。

(2)微珠不利的影响以及其可改善收缩性能的作用可通过双掺微珠和硅灰发挥出来。对于功能评价其最重要的环节就在于各个功能中权重的确定。在价值工程中，可以采用主观赋权法来确定其权重，但这种方法具有很大的主观性和随意性，不能真实反映客观事物之间的现实关系，因此在实践中应尽量避免使用。为了更加合理地确定各个功能的权重关系应结合客观权重，即为综合权重的确定[10]。确定综合权重的方法是综合考虑高性能混凝土材料条件产生的功能结果和配合比需求，从而确定综合权重。因此为确定综合权重需要根据试验结果和专家打分两种情况，将主观定权法和统计分析法相结合综合确定。

对于客观权重的确定应用均方差的方法对表1中的试验数据进行均方差的计算，以指标权重系数作为客观权重。主观权重的确定采用“01”分析法。邀请10位具有丰富经验的专家对季冻区混凝土各项功能的影响进行问卷调查，以打分形式确定各功能的重要性，统计分析后各功能对比打分结果，即可获得主观权重。由此可得主客观权重结果，见表3。

表3 主客观权重表

为确定综合权重还需给出各功能的理想值方案，将表1中试验数据进行标准化处理，可得处理后各功能的均值作为理想方案S*={0.777,0.816,0.783,0.869,0.812}。

确定主观权重和客观权重参数矩阵的方法，根据文献[6]中的综合权重公式为

(1)

式中，A和B——参数

根据式(1)可得综合权重应为wj={0.21,0.17,0.22,0.24,0.16}。

为了对比各个试件之间的同一功能情况，对表2试验数据进行归一化处理，确定各个试件的功能系数，见表4。

表4 各试件功能系数确定表

3 季冻区高性能混凝土的成本分析

根据试验所需各材料，统计原材料的单价。参考试验采购报价确定各原材料价格，并统计单价和试验材料列表。根据沈阳市2016年自来水价格，确定试验用水费用。最终确定材料成本系数表，见表5。各材料用量均为单位体积混凝土的质量kg，应用成本系数公式，代入成本单价，确定出各试验成本系数表，见表5。

表5 各试件成本系数确定

4 季冻区高性能混凝土的价值分析

将计算得到的函数系数和成本系数代入价值系数公式，得到函数系数、成本系数和价值系数的曲线，如图5所示。

图5 F、C、V曲线

优化分析价值指数。根据图5可以看出，其功能曲线基本呈现上升趋势，而成本曲线是随着微珠和硅灰掺量的逐渐增加而上升的。

对于未添加矿物掺和料的试件1，其值指数最低，为0.923699，说明未添加矿物掺和料的试件功能较差。但是却不能获得很好的价值，因此为了改善其价值必须提高其功能；在微珠掺量为20%时，价值系数达到1.01791，试件2、试件3和试件4的价值曲线显示获得最高价值，试验结果表明，用较低的试验材料成本可以获得较大的功能效果。由此可见，单个微球混合的情况为：在掺量为20%时，可获得最好的性价比；试件5、试件6和试件7的价值指数均超过了1，且价值系数值都比1.01791大，表明其功能指数比重明显大于成本比重，是比较经济的，这也说明了双掺微珠和硅灰的试验结果明显优于单掺和不掺的情况，同时，从价值指数的结果来看，如果微球含量增加，成本会增加，双掺杂的价值指数也会随着微球含量的增加而下降。从而导致其价值指数下降，因此从价值指数曲线可以看出双掺微珠和硅灰时，其等量配比的情况是性价比最高的，它不仅可以获得较高的功能指标，而且可以节约成本。价值工程分析结果与试验结果完全一致。也更好地从理论上对双掺的合理配比进行了验证。

5 结论

在高性能混凝土试验研究的基础上，应用价值工程理论对配合比优化设计进行了分析。研究结论如下:

(1)总结基于价值工程理论的高性能混凝土配合比优化设计步骤。

(2)根据季冻区高性能混凝土的性能要求设计工作性、强度、抗氯离子扩散、抗冻性和收缩性等方面的试验，并对五个方面的试验数据进行功能分析，从主客观两个方面确定功能分析的综合权重，由此确定功能系数，结合试验材料使用情况和地区材料单价，确定试验材料成本系数，并应用价值系数计算公式，确定价值系数，同时绘制功能、成本和价值系数曲线。

(3)从优化分析结果可以看出，对于未掺加矿物掺和料的试件功能性不好，而单掺微珠掺量为20%时，获得最高价值，双掺微珠和硅灰时，其等量配比的情况是性价比最高的，价值工程分析得到的结果与试验结果基本吻合，对试验得出结论进行了很好的验证。