專利名稱：重新設(shè)計現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計和制造廠以及對混凝土進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和制造的方法和系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明涉及混凝土混合物領(lǐng)域，尤其涉及基于諸如性能和成本等因素對混凝土混合物的設(shè)計優(yōu)化。本發(fā)明更具體地涉及使用從性能和成本觀點(diǎn)來看更有效地利用了所有成分并最小化了強(qiáng)度可變性的改進(jìn)方法對混凝土的設(shè)計和制造，以及用于重新設(shè)計現(xiàn)有的混凝土拌合料設(shè)計并升級現(xiàn)有混凝土制造廠的配料、拌合和/或輸送系統(tǒng)的獨(dú)特方法。
2.相關(guān)技術(shù) 混凝土是一種普遍使用的建筑材料。完工的混凝土由最初的水泥質(zhì)拌合料的硬化產(chǎn)生，該拌合料通常包括水凝水泥、骨料、水和可任選的摻合料。取決于上下文，術(shù)語“混凝土”、“混凝土混合物”和“混凝土拌合料”應(yīng)當(dāng)是指完工的、硬化的產(chǎn)品，或者指最初的未硬化的水泥質(zhì)拌合料。它還可以指“配合比設(shè)計”，這是用于制造混凝土混合物的配方或處方。在用于制造車拌混凝土的典型過程中，將混凝土成分添加到標(biāo)準(zhǔn)混凝土運(yùn)送車的鼓筒并在其中拌合，這通常是在運(yùn)送車在往運(yùn)送地的路上進(jìn)行的。水凝水泥與水發(fā)生反應(yīng)以形成一種粘合劑，它隨著時間的推移會硬化以將其它成分結(jié)合在一起。
混凝土可被設(shè)計成具有變化的強(qiáng)度、坍落度以及其它材料特性，這些特性給予混凝土對各種各樣不同用途的廣泛應(yīng)用。用于制造水凝水泥和混凝土的原材料相對廉價，并且實際上可以在任何地方找到，盡管材料的特性可能會顯著不同。這允許在世界各處靠近需要混凝土之處制造混凝土。使得混凝土普遍存在相同屬性(即，低成本、易于使用以及原材料的廣泛可得性)也阻礙它被完全控制并開發(fā)和充分利用其全部潛能。
混凝土制造廠通常提供并銷售在其坍落度和強(qiáng)度方面不同的多種不同的標(biāo)準(zhǔn)混凝土混合物。每一混凝土混合物通常是遵循一標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計，即處方來制造的，以產(chǎn)生具有所需的坍落度并且將硬化成具有所需強(qiáng)度的混凝土的混合物。遺憾的是，在不同批次之間的給定配合比設(shè)計的預(yù)測(或設(shè)計)強(qiáng)度與實際強(qiáng)度之間通常具有很高的可變性，即使在原材料輸入的質(zhì)量或特性中沒有實質(zhì)上的可變性時也是如此。該問題部分是由于混凝土配料廠中的“現(xiàn)場”操作的要求、控制和限制與專家在實驗室條件下研究所得之間的基礎(chǔ)分離。盡管專家可能能夠設(shè)計出具有密切反應(yīng)出在被拌合、固化和測試時的實際強(qiáng)度的預(yù)測強(qiáng)度的混凝土拌合料，但是專家通常不在混凝土工廠處制備用于運(yùn)送到顧客的混凝土混合物。配料、拌合混凝土并將其運(yùn)送到施工地點(diǎn)的混凝土人員內(nèi)在缺乏控制原材料輸入中通常很大的變化的能力，這些變化在進(jìn)行實驗室研究時可得到。因此，實驗室專家對于混凝土的高級知識一般并不能容易地適用于或可傳遞到混凝土工業(yè)。
一般而言，混凝土拌合料是基于諸如以下因素來設(shè)計的(1)水凝水泥的類型和質(zhì)量，(2)骨料的類型和質(zhì)量，(3)水質(zhì)，以及(4)氣候(例如，溫度、濕度、風(fēng)力以及日照量，所有這些都可導(dǎo)致混凝土的坍落度、可使用性和強(qiáng)度的可變性)。為了確保顧客所需的特定的最小強(qiáng)度和坍落度(并在失效情況下免除責(zé)任)，混凝土制造商通常遵循一種稱為對其所銷售的混凝土的“超裕度設(shè)計(overdesign)”的過程。例如，如果已知當(dāng)制造并交付時特定混凝土配合比設(shè)計的28天現(xiàn)場強(qiáng)度在2500psi和4000psi之間變化，則制造商通常必須向顧客提供基于在受控的實驗室條件下達(dá)到4000psi的強(qiáng)度的配合比設(shè)計的混凝土混合物，以向客戶確保通過大量生產(chǎn)過程的2500psi的最小強(qiáng)度。無法交付具有所需的最小強(qiáng)度的混凝土?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)上的問題甚至是失效，這進(jìn)而會使混凝土工廠為這些問題或失效負(fù)法律責(zé)任。因此，超裕度設(shè)計是針對交付過于脆弱的混凝土的自我保障，這給制造商帶來的成本與超裕度設(shè)計的混凝土的增加的成本相等。這一成本必須由所有者來承擔(dān)，而不會給顧客帶來任何好處，并且在競爭的供應(yīng)市場上，不能被容易地轉(zhuǎn)嫁到顧客身上。
超裕度設(shè)計通常涉及添加額外的水凝水泥以試圖確保最終的混凝土產(chǎn)品在所需坍落度下的最小可接受強(qiáng)度。由于水凝水泥通常是混凝土中最昂貴的成分(除了相對少量使用的特殊摻合料之外)，因此對超裕度設(shè)計混凝土的實施會顯著地增加成本。然而，添加更多水泥并不能確保更好的混凝土，因為水泥漿粘合劑與骨料以及經(jīng)受最大動態(tài)可變性的成分相比通常是較低抗壓強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)成分。過度水泥灌漿會導(dǎo)致短期的微收縮以及長期的蠕變。盡管有成本問題和潛在的有害效應(yīng)，但對于混凝土制造商而言當(dāng)前的實踐是通過向其銷售的每一混凝土混合物添加額外的水泥來簡單地進(jìn)行超裕度設(shè)計，而非嘗試并重新設(shè)計每一標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計。這是因為除了通過耗時且昂貴的試錯法測試以使得水凝水泥粘合劑能得到更有效的利用和/或解決原材料輸入中的變化之外，當(dāng)前沒有可靠或系統(tǒng)的方式來優(yōu)化制造商的現(xiàn)有配合比設(shè)計。
所觀察到的強(qiáng)度可變性的原因并非總是能被很好地理解，并且也不能在典型的制備好拌合的制造廠處使用現(xiàn)有設(shè)備并遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來可靠地控制。理解混凝土中不同成分的相互關(guān)系和動態(tài)效應(yīng)通常超出了使用現(xiàn)有設(shè)備和程序的混凝土制造廠雇員和混凝土運(yùn)送司機(jī)的能力。此外，由于材料變化的控制和范圍中的巨大差異，混凝土領(lǐng)域的專家對于混凝土制造可能了解或相信他們了解的知識不能被容易地傳遞到實際在該領(lǐng)域工作的那些人(即，將混凝土拌合料放入混凝土運(yùn)送車的人、將混凝土運(yùn)送到施工地點(diǎn)的人、以及在施工地點(diǎn)放置并完工混凝土的人)的腦海和習(xí)慣中。實驗室中發(fā)生的事情與混凝土制造過程中實際發(fā)生的事情之間的分離可能會產(chǎn)生有缺陷的配合比設(shè)計，該設(shè)計盡管在實驗室中觀察時表面上被優(yōu)化，但實際上在將該配合比設(shè)計放大到隨時間大批量生產(chǎn)混凝土?xí)r可能并沒有得到優(yōu)化。
除了因不良的原始配合比設(shè)計而引起的可變性之外，混凝土工廠特意對混凝土進(jìn)行超裕度設(shè)計的另一原因是其無法維持制造一致性。存在歷史上導(dǎo)致相當(dāng)?shù)幕炷翉?qiáng)度可變性的四個主要系統(tǒng)原因或慣例(1)對質(zhì)量和/或特性變化的材料的使用，(2)對不一致的配料過程的使用，(3)過度水泥灌漿，以及(4)最初添加不足的配料水并在隨后在施工地點(diǎn)處進(jìn)行坍落度調(diào)整，這通常是通過混凝土運(yùn)送司機(jī)向拌合鼓筒中添加不受控制量的水來進(jìn)行的。材料和實踐的總變化可通過標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計來度量。
對給定配合比設(shè)計的理論和實際混凝土強(qiáng)度之間的可變性的第一個原因是原材料供應(yīng)的可變性。例如，水凝水泥和骨料的顆粒尺寸、尺寸分布、形態(tài)以及顆粒堆積密度(例如，粗、中、細(xì))可能逐批不同。甚至是細(xì)微的差別也可能會極大地影響必須添加多少水來產(chǎn)生具有所需坍落度的混合物。由于混凝土強(qiáng)度高度依賴于水與水泥之比，因此改變含水量來解決固體顆粒特性的變化以維持所需的坍落度會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的實質(zhì)上的可變性。除非制造商能夠消除原材料質(zhì)量的變化，否則超裕度設(shè)計一般是確保具有所需坍落度的混凝土也滿足最小強(qiáng)度要求的唯一可用方式。
即使混凝土制造商解決了原材料質(zhì)量的變化，超裕度設(shè)計仍需要使用標(biāo)準(zhǔn)的配合比設(shè)計表。標(biāo)準(zhǔn)化的表基于使用已制備和測試的一種類型和形態(tài)的骨料的實際配合比設(shè)計。它們提供了基于各種變量的坍落度和強(qiáng)度值，諸如水泥、骨料、水和任何摻合料的濃度以及骨料的尺寸。對標(biāo)準(zhǔn)化表的使用是快速且簡單的，但是即使測量了原材料的變化也只能逼近實際的坍落度和強(qiáng)度。這是因為標(biāo)準(zhǔn)化配比設(shè)計的數(shù)目是有限的，然而原材料的類型、質(zhì)量和濃度(即，比例)的可變性實際上是無限的。因為標(biāo)準(zhǔn)化表只能逼近真實的原材料輸入，因此當(dāng)使用來自標(biāo)準(zhǔn)化表的配合比設(shè)計時在預(yù)測的和實際的強(qiáng)度之間會有顯著的可變性。由于這一可變性，僅有的兩個選擇是(1)耗時且昂貴的試錯法測試以對每一批新的原材料找出最優(yōu)的配合比設(shè)計，或者(2)超裕度設(shè)計。制造商通常選擇超裕度設(shè)計，尤其是考慮到除了配合比設(shè)計之外的導(dǎo)致設(shè)計和實際強(qiáng)度之間的變化的因素。
強(qiáng)度可變性的第二個原因是無法準(zhǔn)確地輸送適當(dāng)制備每一批混凝土所需的成分。盡管現(xiàn)代的磅秤能夠理論上提供非常準(zhǔn)確的讀數(shù)，有時候精確到真實或?qū)嶋H重量的0.05％之內(nèi)，但用于將成分分配到拌合容器(例如，混凝土攪拌車的鼓筒)中的典型的進(jìn)料斗和其它分配設(shè)備通常無法在精確的時刻一致地打開和關(guān)閉以確保所需量的給定成分實際上被分配到拌合容器中。對于許多混凝土制造商而言，升級或正確校準(zhǔn)其計量和分配設(shè)備的所感知的成本要高于對混凝土進(jìn)行簡單的超裕度設(shè)計的成本，尤其是因為大多數(shù)制造商并不知道對混凝土進(jìn)行超裕度設(shè)計實際上要花費(fèi)多少，并且因為該成本被認(rèn)為是可變成本而非投資性成本。
超裕度設(shè)計通常導(dǎo)致強(qiáng)度可變性的第三個原因，即過度水泥灌漿。過度水泥灌漿涉及增加水凝水泥的量以試圖通過經(jīng)在配料之后隨機(jī)地添加水來調(diào)整坍落度以便克服對強(qiáng)度的效應(yīng)來達(dá)到或確保最小強(qiáng)度。然而，這會導(dǎo)致強(qiáng)度可變性的增加，因為硬化的水泥漿作為一種結(jié)構(gòu)要素與骨料成分相比通常更脆弱。盡管添加更多的水泥可能會提高由水泥提供的將骨料結(jié)合在一起的粘合強(qiáng)度，但是更多水泥也會通過用較脆弱的水泥漿替代更堅固的混凝材料作為硬化的混凝土的結(jié)構(gòu)要素而使混凝土變得脆弱。強(qiáng)度可變性作為上述負(fù)面效應(yīng)的結(jié)果而出現(xiàn)，但是在不同批次的混凝土之間量會有所不同(例如，由于水與水泥之比，水凝水泥、骨料和水的質(zhì)量和特性、以及當(dāng)運(yùn)送到施工地點(diǎn)時如何處理混凝土)。
過度水泥灌漿還可導(dǎo)致由于水蒸發(fā)而引起的微收縮，尤其是在表面上或表面附近，這會減小混凝土表面的強(qiáng)度和耐久性。由過度水泥灌漿和不良成分分布引起的微收縮會在制造1-2年內(nèi)導(dǎo)致裂縫和裂紋。過度水泥灌漿也可導(dǎo)致蠕變，這是由于水泥顆粒的水合產(chǎn)物的持續(xù)的長期水合和生長所引起的混凝土塊的動態(tài)(且通常是不合需要的)生長。
混凝土強(qiáng)度可變性的第四個原因是混凝土運(yùn)送車司機(jī)在配料之后將水添加到混凝土中以試圖對混凝土進(jìn)行改善或改性來使其更易于傾倒、泵澆、工作和/或完工的實踐。在許多情況下，混凝土在混凝土運(yùn)送車離開該混凝土堆時是被統(tǒng)一地設(shè)計和制造以具有標(biāo)準(zhǔn)的坍落度(例如，3英寸)，并期望通過添加水而在現(xiàn)場達(dá)到顧客所要求的最終坍落度。這一過程是不精確的，因為混凝土司機(jī)即使曾經(jīng)也很少使用標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒來實際測量坍落度，而是繼續(xù)“觀察并感覺”。由于添加水會顯著降低最終的混凝土強(qiáng)度，因此混凝土廠必須加入相應(yīng)量的增加的初始強(qiáng)度以抵消因隨后加水而引起的可能的或預(yù)期的強(qiáng)度降低。由于強(qiáng)度可能取決于司機(jī)添加水的實際量而降低變化的量，因此制造商在設(shè)計混凝土?xí)r必須假定最大強(qiáng)度損失的最壞情形場景以確保該混凝土滿足或超過所需的強(qiáng)度。
假定上述可能每天都在程度和范圍上不同的變量，混凝土制造商可能會相信對其混凝土混合物進(jìn)行超裕度設(shè)計而非考慮并控制會影響混凝土強(qiáng)度、坍落度和其它特性的變量是更為切實可行的。然而，超裕度設(shè)計不僅作為對原材料的低效使用是浪費(fèi)的，而且有時候提供實質(zhì)上比所需的更堅固的混凝土也可能是危險的。例如，由于更堅固的混凝土通常比較脆弱的混凝土更易碎，因此它在經(jīng)受地震力時會比較脆弱的混凝土更早失效。
為了更高效地設(shè)計混凝土混合物并考慮到不同批次的水泥和骨料之間在各種固體成分的顆粒尺寸、顆粒尺寸分布、形態(tài)和堆積密度中的變化，發(fā)明人先前開發(fā)了一種設(shè)計優(yōu)化過程，該過程大大改善了用于設(shè)計混凝土拌合料的傳統(tǒng)方法。該過程在Andersen等人的題為“Design Optimized Compositions and ComputerImplemented Processes for Microstructurally Engineering Cementitious Mixtures(用于對水泥質(zhì)拌合料進(jìn)行微結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的設(shè)計優(yōu)化混合物和計算機(jī)實現(xiàn)的過程)”的美國專利第5,527,387號(下文稱為“Andersen專利”)中有描述。為簡明起見，Andersen專利中公開的設(shè)計優(yōu)化過程將被稱為“DOC程序”(術(shù)語“DOC”是“設(shè)計優(yōu)化的混凝土”的縮寫)。
DOC程序基于各種原材料輸入的濃度和質(zhì)量，在數(shù)學(xué)上將強(qiáng)度、坍落度和諸如成本、粘聚性和耐久性等其它方面相關(guān)。DOC程序能夠使用計算機(jī)在幾秒內(nèi)設(shè)計并虛擬地“測試”上百萬種不同的假設(shè)配合比設(shè)計。這極大地減少了進(jìn)行本是標(biāo)識出對強(qiáng)度、坍落度、成本和/或其它期望特征優(yōu)化的混凝土拌合料所需的試錯法測試所需要的時間量。DOC程序的目標(biāo)是基于諸如坍落度、強(qiáng)度和成本的期望特征從大量的假設(shè)配合比設(shè)計中標(biāo)識出最優(yōu)的配合比設(shè)計。DOC程序填補(bǔ)了包括給定原材料輸入的可變性時相對少量的配合比設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化表中固有的間隙。DOC程序可用比使用常規(guī)的試錯法來設(shè)計和測試一種配合比設(shè)計少得多的時間來設(shè)計并虛擬地“測試”上百萬種不同的配合比設(shè)計，包括落在標(biāo)準(zhǔn)化表的間隙之間的那些設(shè)計。
首先，仔細(xì)地測試原材料以確定影響從該材料制造的水泥質(zhì)混合物的坍落度、強(qiáng)度、成本和/或其它期望特征的特性。這些包括，例如各種骨料成分(例如，大、中和小骨料)和水泥水泥顆粒的顆粒尺寸和堆積密度，以及一種或多種可任選摻合料(例如，粉煤灰、減水劑、填料等)的效應(yīng)。一旦用所需的準(zhǔn)確度表征了原材料，就將其特性輸入到用于進(jìn)行DOC程序的優(yōu)化過程的計算機(jī)中。
之后，DOC程序通過改變水泥、骨料、水和可任選的摻合料的濃度來設(shè)計出大量的假設(shè)混凝土拌合料，其各自具有理論坍落度和強(qiáng)度。通過將變量(例如，原材料的濃度和特性)輸入到相互關(guān)連的數(shù)學(xué)公式系統(tǒng)中來確定每一假設(shè)混凝土拌合料的預(yù)測坍落度和強(qiáng)度。DOC程序中使用的公式之一是Feret的強(qiáng)度公式的一種變形，它規(guī)定最終硬化的混凝土混合物的抗壓強(qiáng)度與水凝水泥和由水泥、水和空氣組成的水泥漿的體積比的平方成正比 該公式中的常數(shù)“K”提供了適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度單位和大小。該強(qiáng)度公式可被修改如下以預(yù)測另外包括諸如F類粉煤灰等其它粘合劑作為水泥漿的一部分的混凝土的強(qiáng)度 DOC程序可以用迭代方式來執(zhí)行，其中每次迭代產(chǎn)生具有比每前一次迭代更接近期望坍落度和強(qiáng)度的預(yù)測坍落度和強(qiáng)度的假設(shè)混凝土拌合料。除了坍落度和強(qiáng)度之外，DOC程序還可針對其它期望特征來優(yōu)化混凝土，諸如成本、可用性或粘聚性。由此，在多種不同的混凝土拌合料可能具有期望坍落度和強(qiáng)度的情況下，DOC程序可根據(jù)一個或多個其它準(zhǔn)則(例如，可用性和/或粘聚性)來標(biāo)識出哪一拌合料是“最優(yōu)的”。
盡管有以上優(yōu)點(diǎn)，但DOC程序在最初被發(fā)明時是基于Feret的強(qiáng)度公式中的常數(shù)K(或“K因子”)是真正的常數(shù)并且只要每次使用相同類型的拌合設(shè)備和原材料來源就不會變化這一本領(lǐng)域中普遍接受的假設(shè)的。如果這些變量保持恒定，則K因子也保持恒定，而不管水凝水泥濃度和混凝土強(qiáng)度的變化，這是本領(lǐng)域中普遍接受的。由于這一普遍接受的假設(shè)，DOC程序需要大量設(shè)計后校正，甚至是對使用由該程序生成的“最優(yōu)”配合比設(shè)計中的一個或多個制成的混凝土混合物的大量測試和重新設(shè)計。由此，DOC程序無法解決K因子的動態(tài)可變性限制了本應(yīng)強(qiáng)大的設(shè)計優(yōu)化工具的實際應(yīng)用。
發(fā)明概述 目前發(fā)現(xiàn)Feret的強(qiáng)度公式中的常數(shù)K(或“K因子”)不是常量，而是取決于水凝水泥能夠?qū)⒐橇项w粒粘合或粘結(jié)在一起的效率而變化。這即使在拌合設(shè)備、骨料強(qiáng)度以及影響強(qiáng)度的其它因素保持恒定的情況下也是如此。隨著水凝水泥粘合劑的粘合效率而動態(tài)變化的K因子可基于混凝土強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗來確定。知道K因子的動態(tài)可變性與假定只要拌合設(shè)備和原材料保持恒定則K因子也保持恒定的優(yōu)化過程相比，允許在執(zhí)行設(shè)計優(yōu)化過程時對混凝土進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測。本發(fā)明的優(yōu)化過程(以下稱為“改進(jìn)的DOC過程”)以較少的試錯法測試高效地標(biāo)識出一種或多種優(yōu)化的配合比設(shè)計，因為起初使用正確的K因子自然減小了校正本來會因使用不正確的K因子來預(yù)測混凝土強(qiáng)度所產(chǎn)生的誤差的需求。
盡管水凝水泥的粘合效率以及因此的K因子不容易被直接測量，但是對給定混凝土混合物的K因子可被間接確定。通過重新編排Feret的公式，可通過知曉抗壓強(qiáng)度、水凝水泥體積和水泥漿體積來解出K。通過測試由各個制造商銷售的各種標(biāo)準(zhǔn)混凝土混合物然后解出K，發(fā)明人令人驚奇地發(fā)現(xiàn)K因子隨實際混凝土強(qiáng)度變化，更特別地，正確制備的混凝土的K因子隨著抗壓強(qiáng)度的增加而增大并且遵循對數(shù)曲線。該對數(shù)曲線具有對應(yīng)于具有漿系統(tǒng)的理想成分分布和粘合效率的混凝土混合物的理論極限，這僅在非常高的強(qiáng)度(例如，包含最優(yōu)的漿與骨料之比和約0.17的水與水泥之比，并具有漿和骨料遍布混凝土混合物的理想分布)下才出現(xiàn)。在代表典型的制造需求和規(guī)范的較低強(qiáng)度下，K因子位于理論極限之下。這表明水凝水泥在較低強(qiáng)度下不能實現(xiàn)其最高理論粘合效率，而是僅僅在較高強(qiáng)度下逼近該極限。
知道K因子以及因此的水凝水泥粘合效率如何隨強(qiáng)度變化極大地提高了利用適當(dāng)強(qiáng)度公式的優(yōu)化過程能預(yù)測大量假設(shè)配合比設(shè)計的混凝土強(qiáng)度的準(zhǔn)確度。另一方面，K因子獨(dú)立于因改變水濃度和/或骨料的尺寸和/或形態(tài)變化引起的坍落度變化。使用上述關(guān)于K因子的理論，該改進(jìn)的DOC過程可以更準(zhǔn)確地從許多假設(shè)配合比設(shè)計中標(biāo)識出一種或多種優(yōu)化的配合比設(shè)計。該改進(jìn)的DOC過程以最低成本并以因不良設(shè)計而引起的最小可變化性來高效地產(chǎn)生確保特定坍落度和強(qiáng)度的優(yōu)化的混凝土混合物。該改進(jìn)的DOC過程比原始的DOC程序更高效，因為事先知道K因子如何隨強(qiáng)度變化最小化了本來可能需要的設(shè)計后校正(例如，通過試錯法測試)的量。
該改進(jìn)的DOC過程的一個目標(biāo)是產(chǎn)生與混凝土制造商使用的常規(guī)配合比設(shè)計相比大大減少了混凝土超裕度設(shè)計的優(yōu)化的配合比設(shè)計。在本發(fā)明的一方面，該改進(jìn)的DOC過程可用于創(chuàng)建一種或多種確保具有特定最小坍落度和強(qiáng)度的混凝土的優(yōu)化的配合比設(shè)計同時也減少了因超裕度設(shè)計引起的浪費(fèi)的成本。另一方面涉及基于關(guān)于不同批次的原材料中變化的反饋來動態(tài)地優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計。在又一方面，該改進(jìn)的DOC過程可用于對混凝土制造商的一個或多個現(xiàn)有的配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計。標(biāo)識現(xiàn)有配合比設(shè)計的實際(或表面)設(shè)計K因子與對應(yīng)于設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)或理論K因子之間的變化可用于確定混凝土超裕度設(shè)計的存在和程度。改進(jìn)配合比設(shè)計以更好地利用水凝水泥并優(yōu)化水泥漿的粘合效率本身可減小強(qiáng)度可變性以及對來解決這種可變性的超裕度設(shè)計的需求。
除了提供優(yōu)化的配合比設(shè)計之外，改進(jìn)預(yù)測強(qiáng)度和實際強(qiáng)度之間的相關(guān)還可通過升級和/或重新校準(zhǔn)工廠設(shè)備來進(jìn)一步增強(qiáng)，以更好地確保制造商能夠準(zhǔn)確地測量并分配用于制造混凝土的原材料。這種升級在工廠使用不良配合比設(shè)計的情況下可能在經(jīng)濟(jì)上不實用。理想地校準(zhǔn)的設(shè)備不能制造比不良配合比設(shè)計所允許的好一些的混凝土。因此，對優(yōu)化的配合比設(shè)計的使用允許制造商從任何固定設(shè)備升級中完全獲益。因為單獨(dú)改進(jìn)工廠設(shè)備可能無法產(chǎn)生很多益處，且因為優(yōu)化的配合比設(shè)計本身不能克服因不完善的設(shè)備帶來的可變性，因此改進(jìn)工廠設(shè)備并優(yōu)化配合比設(shè)計允許這兩種改進(jìn)實現(xiàn)其全部的潛能，由此表明了一種相互促進(jìn)的關(guān)系。
在一個實施例中，本發(fā)明提供一種用于利用強(qiáng)度公式來設(shè)計和制造優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的改進(jìn)的方法，該強(qiáng)度公式采用變化的且取決于所得的混凝土混合物的固有成分使用效率(例如，如根據(jù)期望的最小值，或“期望強(qiáng)度”來從經(jīng)驗上預(yù)測的)來選擇的獨(dú)特的K因子值，所有其它內(nèi)容都相同。知道K因子如何隨混凝土強(qiáng)度變化極大地增強(qiáng)了準(zhǔn)確并高效地設(shè)計優(yōu)化的混凝土混合物的能力，因為它減小或最小化了設(shè)計和實際強(qiáng)度之間的可變性。最小化設(shè)計強(qiáng)度和實際強(qiáng)度之間的可變性減少了本來可能需要來標(biāo)識出真正以最小成本對坍落度和強(qiáng)度優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的試錯法測試的量。
與使用標(biāo)準(zhǔn)化表來設(shè)計混凝土的常規(guī)方法相比，該改進(jìn)的DOC過程更精確地考慮了混凝土制造商利用的原材料的實際特性。標(biāo)準(zhǔn)化表僅粗略地近似實際坍落度和強(qiáng)度，因為表中假設(shè)的原材料特性即使曾經(jīng)也很少反映出混凝土制造商實際使用的原材料的特性。每一混凝土制造廠利用對該廠獨(dú)特的原材料，并且期望標(biāo)準(zhǔn)化表能夠準(zhǔn)確地解決不同工廠之間的材料可變性是不合理的。該改進(jìn)的DOC過程能夠虛擬地“測試”更準(zhǔn)確地反映出工廠在給定時刻實際利用的原材料的配合比設(shè)計。通過考慮原材料質(zhì)量的變化，該改進(jìn)的DOC過程能夠?qū)嵸|(zhì)上減小本來可能在使用標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計表和方法的情況下發(fā)生的混凝土混合物超裕度設(shè)計的程度。
本發(fā)明的另一方面涉及對制造廠用于制造其商用混凝土混合物的一種或多種現(xiàn)有配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計。在一個實施例中，該方法作為開始首先涉及確定是否對現(xiàn)有的混凝土混合物進(jìn)行了超裕度設(shè)計以及進(jìn)行了多少超裕度設(shè)計。每一混凝土混合物具有通常由對該混合物必須保證的最小強(qiáng)度來確定的設(shè)計強(qiáng)度，以及可通過基于配合比設(shè)計在絕對控制下正確制備混凝土并測試其強(qiáng)度來測量的實際強(qiáng)度。由于制造商進(jìn)行超裕度設(shè)計來解決各批之間的預(yù)期強(qiáng)度可變性的傾向，在基于混凝土配合比設(shè)計的確保的最小強(qiáng)度的表面設(shè)計K與基于當(dāng)根據(jù)該配合比設(shè)計來正確制造時該混凝土的實際強(qiáng)度的實際或真實“K”之間可能存在相當(dāng)大的差別。
現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計被超裕度設(shè)計的程度可通過以下過程來確定(1)根據(jù)現(xiàn)有配合比設(shè)計來正確制備混凝土測試樣本，(2)使該混凝土混合物硬化，(3)測量硬化的混凝土混合物的實際強(qiáng)度，以及(4)將該混凝土混合物的實際強(qiáng)度與現(xiàn)有配合比設(shè)計的設(shè)計強(qiáng)度進(jìn)行比較。實際強(qiáng)度偏離設(shè)計強(qiáng)度的量對應(yīng)于現(xiàn)有配合比設(shè)計被超裕度設(shè)計的程度。以上過程需要使混凝土混合物足夠固化以準(zhǔn)確測量實際強(qiáng)度所需要的時間量。
超裕度設(shè)計的程度可替換地通過以下過程用更快速的方式來確定(1)基于設(shè)計強(qiáng)度和根據(jù)現(xiàn)有配合比設(shè)計制造的混凝土混合物內(nèi)成分的比例來確定現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子，(2)標(biāo)識對應(yīng)于設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)理論K因子，以及(3)將現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子與對應(yīng)于設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)K因子進(jìn)行比較。表面設(shè)計K因子偏離最優(yōu)K因子的量對應(yīng)于現(xiàn)有配合比設(shè)計被超裕度設(shè)計的程度。因此，關(guān)于最優(yōu)K因子如何隨混凝土強(qiáng)度變化的知識可用作在不等待混凝土測試樣本硬化的情況下確定現(xiàn)有配合比設(shè)計是否被超裕度設(shè)計且被超裕度設(shè)計了多少的診斷工具。
在確定現(xiàn)有配合比設(shè)計被超裕度設(shè)計之后，可使用該改進(jìn)的DOC過程來設(shè)計出一優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。在選擇表示確保的指定最小強(qiáng)度的設(shè)計強(qiáng)度之后，選擇對應(yīng)于設(shè)計(或期望)強(qiáng)度的經(jīng)修正或校正的K因子并在該改進(jìn)的DOC過程中使用。利用包括采用經(jīng)修正的設(shè)計K的Feret公式在內(nèi)的一種或多種算法的迭代優(yōu)化過程設(shè)計并虛擬地測試多種假設(shè)混凝土混合物以標(biāo)識出對指定最小強(qiáng)度和坍落度優(yōu)化的、具有最低成本或其它期望因素的一種或多種配合比設(shè)計。優(yōu)化的配合比設(shè)計與現(xiàn)有的混凝土配合比設(shè)計相比，減小了設(shè)計強(qiáng)度和實際強(qiáng)度之間的可變性，由此減少了所得混凝土混合物的超裕度設(shè)計和成本。通過正確地重新調(diào)整各種成分的相對濃度，該改進(jìn)的DOC過程提高了水凝水泥粘合劑的粘合效率，并減少了確保指定強(qiáng)度要求所需的水泥量。過度水泥灌漿可被大大減少或消除。
總體來說，通過利用基于設(shè)計強(qiáng)度選擇的正確K因子，該改進(jìn)的DOC程序可準(zhǔn)確且高效地重新設(shè)計制造廠所使用的每一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計，以提高水泥粘合劑的粘合效率。這減少或消除了超裕度設(shè)計并降低了成本?？珊唵蔚赝ㄟ^提供優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計來升級現(xiàn)有的混凝土制造廠，甚至不需要升級和/或重新校準(zhǔn)制造廠設(shè)備。
實際強(qiáng)度和設(shè)計強(qiáng)度之間的變化可通過正確地控制混凝土混合物的制備和處理來進(jìn)一步最小化。可能需要某些工具更換來確保配料和稱重設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM-94要求。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可采取積極步驟來更好地控制用于制造混凝土的成分的測量和分配。根據(jù)一個實施例，成分較佳地以約±2.0％、更佳地以約±1.0％、最佳地以約±0.5％的準(zhǔn)確度來稱重或測量。包含在混凝土混合物中水的量被仔細(xì)地控制，使得它不會從該混合物首先在混凝土運(yùn)送車中制成之時到其在施工地點(diǎn)使用之時顯著改變。為了防止由于人為失誤而引起的實際強(qiáng)度降低，可進(jìn)行現(xiàn)場坍落度調(diào)整以通過使用特殊摻合料而非增加水含量來潤濕混凝土混合物。
為了解決所有的水輸入，可使用濕度傳感器(例如，測量存在的任何濕氣對微波能量的吸收的微波傳感器)來連續(xù)監(jiān)控固體成分(例如，水凝水泥和骨料)的含濕量。通過可有利地由計算機(jī)控制的信息反饋機(jī)制，添加到拌合容器的配料水的量可被改變以解決固體成分的含濕量的變化。以此方式，一批混凝土中的總含水量可被更準(zhǔn)確地控制，由此減少了本來會發(fā)生的強(qiáng)度和/或坍落度變化。
在某些情況下，可能期望迅速地對已經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計來調(diào)整坍落度而不會顯著改變強(qiáng)度。這可在不從頭開始創(chuàng)建整個新配合比設(shè)計的情況下完成。為了維持相同的強(qiáng)度同時改變坍落度，維持漿的相同的水與水泥之比，并且僅更改漿的體積來調(diào)整坍落度。向設(shè)計優(yōu)化的混凝土混合物添加更多漿增大了坍落度，而添加較少的漿減小坍落度。由此，調(diào)整了漿與骨料的總體比例以改變坍落度。由于漿的水與水泥之比保持相同，因此根據(jù)Feret公式，強(qiáng)度基本上保持相同。在某些情況下，細(xì)骨料與粗骨料之比可保持相同。在其它情況下，該比例可取決于更改漿與骨料之比的其它特性(例如，粘聚性、耐久性等)上的期望效應(yīng)在某種程度上更改。一旦調(diào)整了各種成分的濃度以提供正確的坍落度，就可通過調(diào)整骨料的量以提供期望的混凝土體積來校正總產(chǎn)量。
每一上述實施例單獨(dú)或共同地對減小混凝土強(qiáng)度可變性作出了貢獻(xiàn)，這些可變性包括設(shè)計和實際強(qiáng)度之間的差別以及使用同一配合比設(shè)計制造的不同批次之間的強(qiáng)度差別。通過減小或消除設(shè)計和實際強(qiáng)度之間的校對差別和/或不同批次混凝土之間的強(qiáng)度可變性，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)極大地減少了混凝土的超裕度設(shè)計。
與Andersen專利中公開的DOC程序類似，該改進(jìn)的DOC過程可至少部分地使用計算系統(tǒng)(即，計算機(jī))來實現(xiàn)以在相對較短的時間內(nèi)設(shè)計并虛擬地測試大量(例如，上千或上百萬)假設(shè)配合比設(shè)計，以便標(biāo)識出基于期望準(zhǔn)則(例如，強(qiáng)度、坍落度和成本)優(yōu)化的一種或多種配合比設(shè)計。簡言之，該改進(jìn)的DOC過程能夠通過更改所有原材料的相對濃度然后使用一個或多個算法(例如，Andersen專利中所闡明的那些)計算根據(jù)每一假設(shè)配合比設(shè)計制造的每一虛擬混凝土混合物的坍落度和強(qiáng)度來設(shè)計和虛擬地“測試”不同的配合比設(shè)計。然后，該改進(jìn)的DOC過程標(biāo)識出具有期望坍落度和強(qiáng)度的一個或多個優(yōu)化的配合比設(shè)計。之后，制成測試樣本以確定實際的坍落度和強(qiáng)度。如果坍落度不同，則可通過增大或減小水泥漿的濃度來作出坍落度的改變。強(qiáng)度可通過保持水泥漿中相同的水與水泥之比來保持相同。強(qiáng)度可通過改變水與水泥之比來改變。
如同原始的DOC程序一樣，該改進(jìn)的DOC過程可通過包括計算機(jī)可讀介質(zhì)(例如，物理存儲設(shè)備，諸如硬盤驅(qū)動器、存儲器設(shè)備、磁帶或磁盤、光存儲介質(zhì)、或其它已知的數(shù)字存儲設(shè)備)的計算機(jī)程序產(chǎn)品來實施，該計算機(jī)可讀介質(zhì)包含用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的計算機(jī)實現(xiàn)的各方面的可執(zhí)行指令。
由于每一制造廠具有其自己的獨(dú)特的一組原材料和/或處理輸入和/或混合效率(即，沒有兩個工廠使用完全相同的原材料組合并擁有以完全相同的方式校準(zhǔn)和/或操作的完全相同的設(shè)備)，因此可以理解，每一制造廠生產(chǎn)具有為給定制造廠特有的唯一方面的混凝土混合物。換言之，即使兩個制造廠使用相同的標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計(即，處方)，由每一工廠運(yùn)送的混凝土同樣也對每一工廠是唯一的。這意味著利用該改進(jìn)的DOC程序修改和優(yōu)化的現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計將產(chǎn)生新的混凝土混合物，其本身在它們從未在任何時刻在世界上任何地方制造過這一方面是獨(dú)特的。由此，使用從該改進(jìn)的DOC過程的實現(xiàn)所得的優(yōu)化的配合比設(shè)計制造的改進(jìn)的混凝土混合物本身是獨(dú)特的，并且因此如在所有先前制造的混凝土之間是新穎的。
經(jīng)證實制成的每一混凝土混合物具有其自己的唯一標(biāo)志性設(shè)計K因子，并且還具有可通過測試混合物的實際強(qiáng)度來確定的實際K因子。這在實現(xiàn)該改進(jìn)的DOC過程之前和之后都是如此。然而，在實現(xiàn)該改進(jìn)的DOC過程之后，對制造廠的優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計和實際的標(biāo)志性K因子將超過使用該改進(jìn)的DOC過程重新設(shè)計或替換的現(xiàn)有的、未優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計的和實際的標(biāo)志性K因子。通過知道給定制造廠的現(xiàn)有和優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計和/或標(biāo)志性K因子并進(jìn)行比較，可容易地確定由該制造廠生產(chǎn)的特定混凝土混合物是使用現(xiàn)有配合比設(shè)計還是利用改進(jìn)的DOC過程設(shè)計的優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造的。由此，該標(biāo)志性K因子可用作區(qū)分在建筑項目中是使用未優(yōu)化或超裕度設(shè)計的混凝土混合物還是優(yōu)化的混凝土混合物(即，確定混凝土制造商在設(shè)計其混凝土混合物時是否實現(xiàn)了該改進(jìn)的DOC過程)的診斷工具。
本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)和特征可從以下描述和所附權(quán)利要求書中更完全地體現(xiàn)，或者可通過如下所述對本發(fā)明的實踐來獲知。
附圖簡述 為進(jìn)一步闡明本發(fā)明的上述及其它優(yōu)點(diǎn)和特征，將參考附圖中示出的其具體實施例來呈現(xiàn)本發(fā)明的更具體描述?？梢岳斫?，這些附圖僅描繪了本發(fā)明的典型實施例，并且因此不被認(rèn)為是限制其范圍。本發(fā)明將通過使用附圖以附加的特征和細(xì)節(jié)來描述和解釋，附圖中

圖1是包括K因子曲線的曲線圖，它示出K因子如何作為混凝土的抗壓強(qiáng)度的函數(shù)來變化； 圖2是示出已知混凝土混合物的實際K因子如何沿最優(yōu)K因子曲線偏離K因子的曲線圖，它示出這些混合物被超裕度設(shè)計的程度； 圖3是示出已知混凝土混合物的實際K因子如何沿最優(yōu)K因子曲線偏離K因子的另一曲線圖，它示出這些混合物被超裕度設(shè)計的程度； 圖4是示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)計優(yōu)化、重新設(shè)計和其它方面的計算系統(tǒng)的示意圖； 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的用于設(shè)計經(jīng)優(yōu)化的混凝土拌合料的示例性優(yōu)化過程的流程圖； 圖6A是對于水泥、石英砂(0-2mm)和碎花崗巖(8-16mm)的三組分拌合料的堆積密度圖； 圖6B是圖6A的堆積密度圖，其中的線表示如何閱讀該圖內(nèi)對應(yīng)于密度的成分； 圖6C是示出偽顆粒線的堆積密度圖的曲線； 圖7示出了用于在逼近固體成分的顆粒堆積密度時校正坍落度的示例性坍落度校正曲線圖。
圖8A-8B包括優(yōu)化系統(tǒng)的邏輯流程圖。
圖8C是圖8B所示的邏輯流程圖的樹。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性計算機(jī)實現(xiàn)的迭代優(yōu)化過程的流程圖； 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的用于設(shè)計優(yōu)化的混凝土拌合料的示例性優(yōu)化過程的流程圖，它解決了K因子隨抗壓強(qiáng)度變化的變化； 圖11是示出用于從優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計來制造混凝土混合物以確保實際強(qiáng)度與期望或預(yù)測強(qiáng)度密切相關(guān)的示例性過程的流程圖； 圖12是示出用于改變優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的坍落度而基本上不會改變強(qiáng)度的示例性簡化重新設(shè)計過程的流程圖； 圖13是示出用于通過采用對K因子以及其如何作為混凝土抗壓強(qiáng)度的函數(shù)變化的正確理解來重新設(shè)計現(xiàn)有的混凝土配合比設(shè)計的示例性過程的流程圖；以及 圖14是示出用于通過采用對K因子以及其如何作為混凝土抗壓強(qiáng)度的函數(shù)變化的正確理解來升級現(xiàn)有混凝土制造廠的示例性過程的流程圖。
較佳實施例的詳細(xì)描述 I.引言 本發(fā)明利用了至少部分地為計算機(jī)實現(xiàn)的設(shè)計優(yōu)化過程，它標(biāo)識出相對于例如強(qiáng)度、坍落度和成本來優(yōu)化的一種或多種優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。該設(shè)計優(yōu)化過程能夠解決原材料輸入的可變性，并基于原材料質(zhì)量的變化來設(shè)計出優(yōu)化的混凝土混合物。它通過至少部分地借助計算機(jī)實現(xiàn)的過程來高效地設(shè)計并測試大量(例如，上千或上百萬)假設(shè)混凝土拌合料以便于標(biāo)識出具有最優(yōu)特性的一種或多種配合比設(shè)計來實現(xiàn)該目的。該過程極大地減少或消除了大量昂貴且耗時的試錯法測試的需求。此外，與Shilstone優(yōu)化不同，該改進(jìn)的DOC程序能夠解決不同批次的原材料之間的顆粒尺寸變化并且還是成本優(yōu)化的。
術(shù)語“碼”和“立方碼”貫穿本申請互換使用，并且應(yīng)指美國銷售的混凝土的典型體積單位。該量可通過將碼轉(zhuǎn)換成米、厘米或其它所需米制單位的已知轉(zhuǎn)換因子來轉(zhuǎn)換成米制單位。例如，一立方碼等于0.76455486立方米。
II.K因子與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系 本發(fā)明的一個重要特征是理解Feret的常數(shù)K(或“K”因子)實際上不是常數(shù)，而是與混凝土強(qiáng)度成對數(shù)關(guān)系。這意味著增加優(yōu)化的混合物中水凝水泥的量不僅如所預(yù)期地通過增加的粘合劑的量增加了混凝土強(qiáng)度，而且還改善了漿的粘合有效性或效率。由此，當(dāng)將更多水凝水泥添加到優(yōu)化的混凝土混合物時混凝土強(qiáng)度的增加超過了在K因子對所有強(qiáng)度實際都為常數(shù)時由Feret公式所預(yù)測的強(qiáng)度。然而，已知K因子取決于拌合設(shè)備和骨料類型和強(qiáng)度變化，迄今為止認(rèn)為只要使用了相同的原材料和拌合設(shè)備，K因子就對所有強(qiáng)度都保持為常數(shù)。
術(shù)語“Feret公式”指的是下式，它僅基于混凝土拌合料中水凝水泥、水和空氣的體積來預(yù)測混凝土強(qiáng)度 出于本說明書和所附權(quán)利要求書的目的，術(shù)語“Feret公式”還應(yīng)當(dāng)指以下經(jīng)修改的Feret公式，它基于混凝土拌合料中水凝水泥、F類粉煤灰、水和空氣的體積來預(yù)測混凝土強(qiáng)度 如可從這一版本的Feret公式中見到的，某些類型的粉煤灰會對混凝土強(qiáng)度發(fā)生影響，但是其程度與水凝水泥不同。此外，盡管粉煤灰體積被示為乘以粉煤灰常數(shù)0.3，但是有時候取決于使用的粉煤灰類型使用一不同的粉煤灰常數(shù)(例如，范圍從0.3-0.6)也是恰當(dāng)?shù)?。這一替換可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員在適當(dāng)時實現(xiàn)，并且這一修改也應(yīng)構(gòu)成“Feret公式”。
一般而言，術(shù)語“Feret公式”應(yīng)當(dāng)指只要至少將所預(yù)測的混凝土混合物抗壓強(qiáng)度與混凝土拌合料中水凝水泥體積與水泥漿體積(即，水凝水泥、其它粘合劑、水和空氣)之比相關(guān)就可構(gòu)造的其它類似的變形(例如，使用硅粉，這可對強(qiáng)度產(chǎn)生影響)。
術(shù)語“K因子”包括將所計算的強(qiáng)度從英制單位(即，英磅每平方英寸，即“psi”)轉(zhuǎn)換成米制單位(例如，Mpa)所需的對此處公開的示例性K因子的修改。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，1Mpa＝145psi。如上所述，術(shù)語“K因子”應(yīng)包括在更改Feret公式時所必要的其它修改。
應(yīng)當(dāng)理解，K因子不是一個絕對數(shù)字，并且并不總是對所有類型的混凝土混合物和/或制造廠用于制造混凝土的設(shè)備都相同。實際上，取決于骨料的類型和質(zhì)量、所使用的水凝水泥的類型和質(zhì)量以及拌合設(shè)備的類型和質(zhì)量，每一制造廠具有其自己的唯一的K因子曲線。K因子曲線通常隨著拌合效率、骨料強(qiáng)度、水凝水泥強(qiáng)度和系統(tǒng)上對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響的其它因素的增大而向上移動或增大。
只要系統(tǒng)輸入基本上保持相同，特定制造廠的K因子曲線就可至少在理論上通過沿K因子曲線標(biāo)識單個K因子點(diǎn)然后構(gòu)造通過該點(diǎn)的對數(shù)曲線來確定。一旦對特定制造廠構(gòu)造了恰當(dāng)?shù)腒因子曲線，該曲線就可用于設(shè)計和預(yù)測由該制造廠生產(chǎn)的各種各樣不同的混凝土的混凝土強(qiáng)度。
還應(yīng)當(dāng)理解，取決于使用該術(shù)語的上下文，有不同的K因子。術(shù)語“設(shè)計K因子”指的是這樣一種K因子，它在本發(fā)明的改進(jìn)的DOC過程中使用以設(shè)計和虛擬地“測試”大量(例如，上百萬)不同假設(shè)配合比設(shè)計以便標(biāo)識對于強(qiáng)度、坍落度、成本和其它期望因素最優(yōu)的一個或多個這種配合比設(shè)計。當(dāng)然，設(shè)計K因子將取決于特定混凝土混合物的設(shè)計強(qiáng)度或確保的最小強(qiáng)度而變化。對于一組給定的原材料輸入和處理設(shè)備，通常只有一條K因子曲線。
術(shù)語“最優(yōu)K因子”和“真實K因子”指的是這樣的K因子，它是沿最優(yōu)K因子曲線找到的，表示由制造廠利用給定的一組可用原材料理想地設(shè)計并拌合的混凝土。由此，“最優(yōu)”或“真實”K因子可在不同制造廠之間變化，并且因此不是一個絕對數(shù)字。然而，對于給定的一組原材料輸入，存在可使用該最優(yōu)或真實K因子來預(yù)測其強(qiáng)度的理想設(shè)計并制造的混凝土。由于制造廠和工人不能在每次都生產(chǎn)出理想的混凝土，因此通?？傆心撤N程度的超裕度設(shè)計(然而是輕微的)來解決這種可變性。由此，對于該組給定的原材料，設(shè)計K因子通常與最優(yōu)真實K因子不同(例如，低于它)。盡管有這種變化，用于制造良好優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計K因子與對應(yīng)于較少優(yōu)化或未優(yōu)化的混凝土混合物的表面設(shè)計K因子相比，與最優(yōu)或真實K因子更密切相關(guān)。
術(shù)語“表面設(shè)計K因子”指的是可能沒有使用K因子對自身進(jìn)行設(shè)計的現(xiàn)有混凝土混合物確定的K因子。即使沒有使用K因子來設(shè)計混凝土混合物，它也可基于將使用什么K因子來利用所公開的優(yōu)化過程設(shè)計這種混凝土而被分配一表面設(shè)計K因子。在不良優(yōu)化或超裕度設(shè)計的混凝土混合物的情況下，表面設(shè)計K因子將明顯偏離最優(yōu)或真實K因子。這種混合物的表面設(shè)計K因子將比使用相同的輸入制造的良好優(yōu)化的混凝土的設(shè)計K因子偏離得更多。表面設(shè)計K因子是基于現(xiàn)有混凝土混合物的設(shè)計強(qiáng)度(即，最小確保強(qiáng)度)和配合比設(shè)計來確定的。
術(shù)語“實際K因子”應(yīng)當(dāng)指如下確定的K因子通過根據(jù)給定配合比設(shè)計來拌合混凝土混合物、允許混凝土固化、測量混凝土的抗壓強(qiáng)度、然后基于該混凝土混合物內(nèi)的成分的實際強(qiáng)度和質(zhì)量來計算實際K因子。對于正確制備的混凝土混合物，實際K因子將超過設(shè)計K因子，因為設(shè)計K因子通常解決了混凝土強(qiáng)度中的變化。
圖1描繪了K因子如何隨混凝土的抗壓強(qiáng)度變化的圖形表示。圖1實際上包括遵循對數(shù)曲線的兩條曲線，它們對應(yīng)于由發(fā)明人確定的兩個不同的K因子。下方的K因子曲線對應(yīng)于利用水凝水泥、水、骨料和本領(lǐng)域中使用的其它標(biāo)準(zhǔn)摻合料制成的混凝土混合物。上方的K因子線對應(yīng)于另外包括胺增強(qiáng)劑的水凝水泥混合物。用于生成圖1所示的線的K因子是通過分析在美國各地的制造廠中使用的各種各樣標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計或其變形(例如，使用增強(qiáng)的胺)來確定的。一般而言，K因子可根據(jù)以下針對包括水凝水泥、水和骨料的混合物對Feret公式的重新編排如下來計算 強(qiáng)度變量σ對應(yīng)于對強(qiáng)度范圍從500psi到8,000psi的各種混凝土混合物確定的實際強(qiáng)度。對于還包括粉煤灰的混凝土混合物，K因子可根據(jù)以下對經(jīng)修改的Feret公式的重新編排來確定 根據(jù)圖1所示的上方曲線，對應(yīng)于增加的強(qiáng)度的增加的K因子可通過利用稱為“THEED”(即，四羥基哌嗪(tetrahydroxydiethylenediamine)，也稱為乙醇，2，2′，2″，2″′-(1，2-乙烷二基二硝腦(ethanediyldnitrolo))四-)的胺來獲得。為了獲得增加的強(qiáng)度以及因此而得的更高的K因子，較佳的是利用達(dá)約0.5％的THEED，更佳的是達(dá)約0.25％，最佳的是達(dá)約0.1％。一旦理解了K因子隨混凝土抗壓強(qiáng)度呈對數(shù)地變化，本領(lǐng)域的技術(shù)人員使用所描述的或可從目前的公開內(nèi)容中容易確定的技術(shù)就可修改圖1所示的示例性K因子來解決基于不同THEED濃度的變化。
圖1還示出了“最優(yōu)”或“理論”K因子不是絕對的，也不位于不論混凝土混合物的輸入和拌合設(shè)備如何都相同的絕對固定的曲線上。添加胺增強(qiáng)劑基于所得混凝土的增加的強(qiáng)度而提高了K因子(以及表示用于該系統(tǒng)的所有K因子的K因子曲線)，即使水凝水泥與漿之比保持相同。對于混合物中的其它摻合料或更改也是如此，使得對每一組獨(dú)特的原材料輸入將有一獨(dú)特的或代表性的K因子曲線。這對于可能導(dǎo)致水泥漿以對拌合設(shè)備或方法特有的獨(dú)特方式表現(xiàn)的不同類型的拌合設(shè)備也是如此。一般而言，對K因子的混合效率的效果隨著增加水泥含量和強(qiáng)度變得更為顯著(即，當(dāng)水凝水泥的潛在粘合效率被最大化時混合變得更為至關(guān)緊要)。圖1的曲線圖所示出的是對于任何一組固定的成分和/或處理變量，K因子都相對于抗壓強(qiáng)度遵循一對數(shù)曲線。這意味著作為將骨料結(jié)合或粘合在一起的粘合劑的水凝水泥，更精確地是水泥漿的有效性隨著強(qiáng)度減小而減小。它也隨著強(qiáng)度增加朝理論極限增加，粘合效率不可能進(jìn)一步增加超過該理論極限(即，粘合效率在理論上盡可能地高，水泥漿強(qiáng)度的極限在水和水泥的化學(xué)計量等級上，并且成分被理想地拌合)。然而，這并不意味著K因子必定隨著水凝水泥濃度的增加而增大。許多制造商參與了對過度水泥灌漿的實踐以試圖增加或最大化強(qiáng)度，有時候會得到災(zāi)難性的結(jié)果，因為混凝土混合物如果沒有被正確優(yōu)化以適應(yīng)大量的水泥增加(例如，加倍)，則可能在短期內(nèi)經(jīng)受嚴(yán)重的微收縮裂化和裂紋，并且還可能在長期經(jīng)受過度的蠕變或膨脹。
圖1所示的K因子曲線本質(zhì)上所描繪的是對一組給定原材料輸入的最優(yōu)K因子。優(yōu)化過程中使用的設(shè)計K因子可以與確保特定最小強(qiáng)度和坍落度的最優(yōu)K因子相同或偏離該K因子。由于設(shè)計強(qiáng)度和實際強(qiáng)度之間的某些可變性是可能的，因此即使在高度優(yōu)化的混凝土混合物的情況下，也可容許所使用的設(shè)計K因子與最優(yōu)K因子之間的某些量的偏離以解決某些預(yù)期的變化。應(yīng)當(dāng)理解的是，與不良的配合比設(shè)計相比，在良好優(yōu)化的配合比設(shè)計的設(shè)計強(qiáng)度和實際強(qiáng)度之間有較少的變化。換言之，使用優(yōu)化的配合比設(shè)計制造的混凝土混合物的實際強(qiáng)度將比從不良配合比設(shè)計制造的混凝土混合物更接近地對應(yīng)于設(shè)計強(qiáng)度。作為此結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計優(yōu)化過程制成的優(yōu)化的配合比設(shè)計將具有超過不良配合比設(shè)計的設(shè)計K因子的標(biāo)志性設(shè)計K因子。類似地，由于良好設(shè)計的混凝土混合物中水泥漿的粘合效率通常要超過不良設(shè)計的混凝土混合物中水泥漿的粘合效率，因此良好設(shè)計的混凝土混合物的實際K因子也被預(yù)期為會超過不良設(shè)計的混凝土混合物的實際K因子。這一概念在參考圖2和3時將變得更易理解。
對圖2和3所示的每一特定配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子可通過將水泥、水、空氣和設(shè)計強(qiáng)度的值輸入到Feret公式中并對K求解來確定。位于K因子曲線上的實際K因子可通過使用由多個制造商根據(jù)ASTM C-94或本領(lǐng)域中已知的其它嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化配合比設(shè)計來正確地制備多種混凝土混合物、測量混凝土測試樣本的實際強(qiáng)度、然后對K求解來導(dǎo)出。最優(yōu)K因子曲線可通過基于最優(yōu)地制備的混凝土混合物對照相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度繪出測得的K因子來準(zhǔn)備。
在許多情況下，從現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計制成的混凝土測試樣本的實際強(qiáng)度實質(zhì)上可超過設(shè)計強(qiáng)度，由此表明現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計是超裕度設(shè)計的。然而，單單如此并不提供對現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計以減小或消除這種超裕度設(shè)計的精確方法。在利用Feret公式的優(yōu)化過程中使用更接近地對應(yīng)于最優(yōu)K因子的經(jīng)修正的設(shè)計K因子促進(jìn)了對現(xiàn)有配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計以使實際強(qiáng)度更接近地對應(yīng)于設(shè)計或預(yù)測強(qiáng)度的能力。
為了表明行業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計在幾個現(xiàn)有混凝土制造廠中被超裕度設(shè)計(并且因此具有過低的設(shè)計K因子)的程度，現(xiàn)在參考圖2和3。圖2示出了對應(yīng)于為由TXI、Tarmac、TTM、VM、Elmhurst和Kaneville使用的多個標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計中的每一個確定的表面設(shè)計K因子的各種數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離圖2所示的最優(yōu)K因子線的量表明了這種標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計相對于其設(shè)計強(qiáng)度被超裕度設(shè)計的程度。
在圖2的最優(yōu)K因子線下方的數(shù)據(jù)點(diǎn)中所示的設(shè)計K因子是利用經(jīng)重新編排的Feret公式并對K求解來確定的，其中強(qiáng)度σ對應(yīng)于根據(jù)這種配合比設(shè)計制造的混凝土混合物的設(shè)計或預(yù)測強(qiáng)度而非實際強(qiáng)度。在每一情況下，當(dāng)混合物被正確制造時，預(yù)測或設(shè)計強(qiáng)度要比實際強(qiáng)度小得多。發(fā)現(xiàn)測試的混合物被超裕度設(shè)計的量表示在這種配合比設(shè)計可根據(jù)本文公開的本發(fā)明方法來重新設(shè)計的情況下可能的成本節(jié)省。例如，當(dāng)前估計進(jìn)行重新設(shè)計以更好地優(yōu)化現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計對制造的每碼混凝土可節(jié)省$4到$10?？紤]到混凝土制造商通常獲得僅每碼約$1到$2的利潤，所估計的成本節(jié)省將是巨大的，并且表示混凝土制造領(lǐng)域中實質(zhì)上的改進(jìn)。
圖3比較了各個制造廠在制造包括大量夾雜空氣或基本沒有夾雜空氣的混凝土混合物時使用的多種現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子。再一次，圖3所示的表示表面設(shè)計K因子的數(shù)據(jù)點(diǎn)與最優(yōu)K因子曲線之間的偏離從圖形上示出了在根據(jù)本文公開的本發(fā)明方法對現(xiàn)有配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計和優(yōu)化的情況下可能的成本節(jié)省。
如可以容易地理解的，通過將現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子與位于圖1-3所示的曲線上的針對給定抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)K因子進(jìn)行比較，可容易地確定現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計和對應(yīng)的混凝土混合物被超裕度設(shè)計的程度。進(jìn)而，知道最優(yōu)K因子以及它如何隨抗壓強(qiáng)度變化可用作測試混凝土制造廠的配合比設(shè)計和混凝土混合物是否被優(yōu)化或者它們是否被很大程度地超裕度設(shè)計的診斷工具。一旦確定了現(xiàn)有配合比設(shè)計被超裕度設(shè)計，則可使用該改進(jìn)的DOC過程來重新設(shè)計該配合比設(shè)計以標(biāo)識出在最低成本下具有期望坍落度和強(qiáng)度的一個或多個優(yōu)化的配合比設(shè)計。由于該改進(jìn)的DOC過程考慮到制造商可用的實際原材料輸入，因此它與通常不能解決不同制造廠之間或不同批次之間原材料輸入的變化的標(biāo)準(zhǔn)化表相比，能更好地優(yōu)化混凝土拌合料。該改進(jìn)的DOC程序理解最優(yōu)K因子和混凝土強(qiáng)度之間的動態(tài)關(guān)系，這允許它與Andersen專利中描述的原始DOC程序相比能更高效地標(biāo)識出一個或多個優(yōu)化的配合比設(shè)計。
III.基于計算機(jī)的操作環(huán)境 用于執(zhí)行該改進(jìn)的DOC程序的各實施例的操作環(huán)境可包括如下詳細(xì)討論的包括各種類型的計算機(jī)硬件的專用或通用計算機(jī)。圖4是示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明的特征的示例性計算系統(tǒng)100的示意圖。所描述的計算系統(tǒng)僅是這一合適的計算系統(tǒng)的一個示例，并且不旨在對本發(fā)明的使用范圍或功能作出任何限制。也不應(yīng)將本發(fā)明解釋為具有與圖4所示的組件的任一個或組合有關(guān)的任何依賴性或要求。
計算系統(tǒng)現(xiàn)在正越來越廣泛地采用各種各樣的形式。例如，計算系統(tǒng)可以是手持式設(shè)備、家用電器、膝上型計算機(jī)、臺式計算機(jī)、大型計算機(jī)、分布式計算系統(tǒng)、或甚至是常規(guī)上不認(rèn)為是計算系統(tǒng)的設(shè)備。在本說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語“計算系統(tǒng)”被寬泛地定義為包括包含至少一個處理器以及能夠在其上具有可由處理器執(zhí)行的計算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲器的任何設(shè)備或系統(tǒng)(或其組合)。存儲器可采取任何形式，并且可取決于計算系統(tǒng)的特性和形式。計算系統(tǒng)可分布在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上，并且可包括多個構(gòu)成計算系統(tǒng)。
參考圖4，在其最基本的配置中，計算系統(tǒng)100通常包括至少一個處理單元102和存儲器104。存儲器104可以是系統(tǒng)存儲器，它可以是易失性、非易失性或兩者的組合。易失性存儲器的示例包括隨機(jī)存取存儲器(RAM)。非易失性存儲器的示例包括只讀存儲器(ROM)、閃存等。術(shù)語“存儲器”此處也可用于指諸如物理存儲介質(zhì)等非易失性大容量存儲。這種存儲可以是可移動或不可移動的，并且可包括但不限于PCMCIA卡、磁盤和光盤、磁帶等。
如此處所使用的，術(shù)語“模塊”或“組件”可以指在計算系統(tǒng)上執(zhí)行的軟件對象或例程。此處所描述的不同組件、模塊、引擎和服務(wù)可被實現(xiàn)為在計算系統(tǒng)上執(zhí)行(例如，作為單獨(dú)的線程)的對象或進(jìn)程。盡管此處所描述的系統(tǒng)和方法可用軟件來實現(xiàn)，但是采用硬件以及軟件和硬件的組合的實現(xiàn)也是可能的，并且也被構(gòu)想在內(nèi)。
在以下描述中，參考由一個或多個計算系統(tǒng)執(zhí)行的動作來描述本發(fā)明的各實施例。如果這些動作是用軟件來實現(xiàn)的，則執(zhí)行該動作的相關(guān)聯(lián)計算系統(tǒng)的一個或多個處理器響應(yīng)于執(zhí)行了計算機(jī)可執(zhí)行指令來指示該計算系統(tǒng)的操作。這一操作的一個示例涉及數(shù)據(jù)操縱。計算機(jī)可執(zhí)行指令(以及所操縱的數(shù)據(jù))可被儲存在計算系統(tǒng)100的存儲器104中或在其中實例化。
計算系統(tǒng)100還可包含允許計算系統(tǒng)100例如通過網(wǎng)絡(luò)110與其它計算系統(tǒng)通信的通信信道108。通信信道108是通信介質(zhì)的示例。通信介質(zhì)通常以諸如載波或其它傳輸機(jī)制等已調(diào)制數(shù)據(jù)信號來具體化計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其它數(shù)據(jù)，并且可包括任何信息傳送介質(zhì)。作為示例而非局限，通信介質(zhì)包括諸如有線網(wǎng)絡(luò)和直接連線連接的有線介質(zhì)，以及諸如聲學(xué)、無線電、紅外和其它無線介質(zhì)的無線介質(zhì)。如此處使用的術(shù)語計算機(jī)可讀介質(zhì)包括存儲介質(zhì)和有形通信介質(zhì)(即，可臨時儲存可執(zhí)行指令，但不是電子信號本身的發(fā)送和接收設(shè)備)兩者。
本發(fā)明范圍內(nèi)的實施例還包括用于承載或其上儲存有計算機(jī)可執(zhí)行指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)可讀介質(zhì)。這種計算機(jī)可讀介質(zhì)可以是可由通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)訪問的任何可用介質(zhì)。作為示例而非局限，這種計算機(jī)可讀介質(zhì)可包括物理存儲和/或存儲器介質(zhì)，諸如RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲、磁盤存儲或其它磁存儲設(shè)備、或可用于承載或儲存計算機(jī)可執(zhí)行指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的期望程序代碼裝置并可由通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)訪問的任何其它介質(zhì)。當(dāng)信息通過網(wǎng)絡(luò)或另一通信連接(無論是硬連線、無線還是硬連線或無線的組合)被傳輸或提供給計算機(jī)時，該計算機(jī)適當(dāng)?shù)貙⒃撨B接視為計算機(jī)可讀介質(zhì)。由此，任何這樣的連接被適當(dāng)?shù)胤Q為計算機(jī)可讀介質(zhì)。以上的組合也應(yīng)被包括在計算機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。
計算機(jī)可執(zhí)行指令包括例如使得通用計算機(jī)、專用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備執(zhí)行特定的一個或一組功能的指令和數(shù)據(jù)。盡管以對結(jié)構(gòu)特征和/或方法動作專用的語言描述了本主題，但是應(yīng)該理解，所附權(quán)利要求書中定義的主題不一定限于本文所描述的具體特征或動作。相反，本文所描述的具體特征和動作是作為實現(xiàn)權(quán)利要求書的示例形式來公開的。
IV.示例性設(shè)計優(yōu)化過程的綜述 根據(jù)一個當(dāng)前較佳的實施例，根據(jù)本發(fā)明的計算機(jī)實現(xiàn)的設(shè)計優(yōu)化過程可利用Andersen等人的美國專利第5,527,387號(“Andersen專利”)中公開的特征中的至少某一些。一個重要的差別是本發(fā)明解決了Feret公式中利用的K因子不是真正的常數(shù)，而是隨著混凝土的抗壓強(qiáng)度呈對數(shù)地變化這一事實。換言之，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)增加優(yōu)化的拌合料中水凝水泥的濃度(與過度水泥灌漿形成對比)會增加其有效性或粘合效率。K因子隨混凝土強(qiáng)度變化的概念先前并不是已知的，并且因此并沒有在Andersen專利中意識到，也沒有結(jié)合在原始的DOC程序中(盡管原始的DOC程序如所設(shè)計和預(yù)期的那樣工作)。
當(dāng)實現(xiàn)該改進(jìn)的DOC過程時，F(xiàn)eret公式中用來確定設(shè)計強(qiáng)度的設(shè)計K因子是基于必須由制造商確保的混凝土的特定最小坍落度和強(qiáng)度來選擇的。在許多其它方面，該改進(jìn)的DOC過程可用類似于Andersen專利中公開的原始DOC程序的方式來實現(xiàn)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，利用任何一組或一系列已知算法來設(shè)計一個或多個混凝土配合比設(shè)計是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的，只要在根據(jù)Feret公式計算強(qiáng)度時所使用的設(shè)計K因子隨期望或目標(biāo)強(qiáng)度的改變而變化(例如，隨混凝土強(qiáng)度呈對數(shù)地增加)。
圖5是示意性地示出或略述可根據(jù)本發(fā)明的一個實施例執(zhí)行的各個步驟的流程圖。這些步驟類似于Andersen專利中所公開的步驟，不同之處在于圖5中所示的過程在計算由該改進(jìn)的DOC過程生成的每一假設(shè)混凝土配合比設(shè)計的設(shè)計強(qiáng)度時基于特定的最小強(qiáng)度和坍落度要求來選擇然后利用設(shè)計K因子。由此，盡管在圖5中所示的過程步驟和Andersen專利中公開的步驟之間存在相似性，但是如本文所實施的圖5的過程在現(xiàn)有技術(shù)中并不是已知的。這十二個步驟概括如下 步驟1確定具有水泥和一種或多種類型的骨料的干混凝土拌合料的最大堆積密度和相應(yīng)的混合物； 步驟2利用對應(yīng)于期望或設(shè)計強(qiáng)度的K因子來確定在特定的細(xì)—粗骨料之比下最接近最大堆積密度并具有期望強(qiáng)度、坍落度和粘聚性的初始最優(yōu)混凝土拌合料； 步驟3利用對應(yīng)于設(shè)計強(qiáng)度的K因子來設(shè)計各種最優(yōu)拌合料并比較在定義的細(xì)—粗骨料之比下每一最優(yōu)拌合料的單位成本以確定相對于成本的總體最優(yōu)拌合料； 步驟4-7分別計算個別地組合包括粉煤灰、硅粉、減水劑或填料的不同摻合料的效應(yīng)以標(biāo)識出一個或多個最優(yōu)混凝土拌合料； 步驟8確定對包括細(xì)骨料、水泥、粗骨料、拌合用水以及從粉煤灰、硅粉和減水劑中選擇的兩種或多種摻合料的拌合料具有期望特性和最小成本的最優(yōu)拌合料； 步驟9修改所得的拌合料以確保它反映出適當(dāng)?shù)募託鈩舛纫员憔哂羞m當(dāng)?shù)目諝夂浚? 步驟10利用校正因子來進(jìn)一步優(yōu)化前述步驟的結(jié)果并確保適當(dāng)?shù)奶涠龋? 步驟11在必要時調(diào)整孔隙度以確保所選的拌合料對其預(yù)期用途具有足夠的耐久性；以及 步驟12準(zhǔn)確地確定產(chǎn)生期望混凝土產(chǎn)量所需的拌合料的各種成分的體積和重量。
現(xiàn)在將更具體地描述以上列出并在圖5中描繪的前述步驟。
A.步驟1確定最大堆積密度 步驟1包括對給定的一組原材料(即，水泥和一種或多種類型的骨料)確定干混凝土拌合料的最大堆積密度。用于確定最大化顆粒堆積密度、水凝水泥與一種或多種類型的骨料之比的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第18列，第1行-第25列，第5行中有陳述。包括測量技術(shù)和數(shù)學(xué)算法在內(nèi)的用于確定每一原材料輸入的顆粒尺寸和堆積密度的各種方法在Andersen專利的本節(jié)中有描述。Andersen專利的第18列，第1行-第25列，第5行的討論描述了可用于執(zhí)行步驟1的示例性動作。
最初，按照其各自的平均直徑尺寸(d′)和自然堆積密度

來定義骨料和水泥成分的每個。這些值可以根據(jù)試驗來確定，并且可用于計算理論混凝土混合物的理論堆積密度。平均直徑尺寸是使用已知方法來確定的，諸如通過根據(jù)由下式描述的Rosin-Rammler-Sperling-Bennett分布繪出每一材料的顆粒尺寸分布來確定 R(D)＝exp{-(d/d′)″} 其中d是顆粒直徑，R(D)是該直徑小于d的累積概率，d′是其中R(d′)＝0.368對應(yīng)于該篩眼孔徑上36.8％的殘留的直徑，n是通過繪出殘留在篩上的顆粒的百分比相對于篩眼孔徑的關(guān)系來定義的線的斜率。
每一類型材料的堆積密度

是通過將該材料填入直徑至少為該材料的最大顆粒直徑的10倍的圓柱體中來確定的。然后將該圓柱體對著一硬表面輕拍直到該材料被完全壓緊。通過讀出該圓柱體中壓緊的材料的高度以及材料重量，根據(jù)以下公式計算堆積密度
其中，WM＝材料重量， SGM＝材料的比重 VM＝材料的體積 以此方式，不僅顆粒體積被量化，而且該量化是根據(jù)顆粒形態(tài)、比表面積和其它比表面特性來進(jìn)行的。
包括水泥、一種類型的細(xì)骨料以及一種類型的粗骨料的常規(guī)的三成分拌合料的最大堆積密度是通過遞增地改變該拌合料中每一成分的體積并計算相應(yīng)的堆積密度來確定的。然后在三角形堆積密度圖上繪出各種堆積密度以確定哪一混合物具有最大堆積密度。作為示例，圖6A是對于水泥、石英砂(0-2mm)和碎花崗巖(8-16mm)的三組分拌合料的堆積密度圖。該圖的(A)側(cè)定義了細(xì)骨料(砂)的體積百分比；(B)側(cè)定義了水泥的體積百分比；而低側(cè)即(C)側(cè)定義了粗骨料(碎花崗巖)的體積百分比。三角形內(nèi)的值表示成分的各種百分比體積拌合料下的堆積密度。該圖可用以下方式來閱讀 子步驟1(a)從該三角形內(nèi)選擇一期望的堆積密度。作為示例，在圖6B上選擇點(diǎn)“Z”，它表示對所定義的拌合料的最大堆積密度。
子步驟1(b)通過從點(diǎn)“Z”到三角形的(B)側(cè)畫出水平線20來確定獲得在點(diǎn)“Z”的該堆積密度所需的混凝土拌合料中使用的水泥的百分比體積。由線20和三角形的(B)側(cè)相交之處定義的值是獲得期望的堆積密度所需的水泥的百分比體積。在圖6B的示例中，該百分比體積的水泥是大約10％。
子步驟1(c)通過畫出與三角形的(B)側(cè)平行的線22來確定該拌合料中細(xì)骨料的百分比體積，該線22從點(diǎn)“Z”起始并與三角形的(A)側(cè)相交。由線22與(A)側(cè)相交之處定義的值是獲得期望的堆積密度所需的細(xì)骨料的百分比體積。在該示例中，細(xì)骨料的百分比體積是大約30％。
子步驟1(d)由于拌合料的百分比體積必須和為100％，因此它在邏輯上遵循如果拌合料是10％的水泥和30％的細(xì)骨料，則粗骨料的百分比體積必須為60％。然而，該值也可通過畫出與(A)側(cè)平行的線24而從堆積密度圖中確定，該線24從點(diǎn)“Z”處起始并與(C)側(cè)相交。線24與(C)側(cè)的交點(diǎn)處的值對應(yīng)于粗骨料的百分比體積。如圖6B所示的，該值最終為大約60％。使用該方法，可對該圖上的任何堆積密度確定混合物，或者使用相反的操作，可對任何期望的混合物確定堆積密度。
該圖中的堆積密度值是從結(jié)合校正因子使用的Toufar、Klose和Born模型(以下稱為“Toufar模型”)估算的。Toufar模型是用于計算二組分拌合料的堆積密度的公式 其中，r1＝較小顆粒的體積 r2＝較大顆粒的體積 d1＝較小顆粒的直徑 d2＝較大顆粒的直徑

＝較小顆粒的堆積密度，以及

＝較大顆粒的堆積密度 也可使用其它模型來計算二組分拌合料的堆積密度。適用的模型的示例有Johansen，V.和Andersen，P.J.的“Particle Packing and Concrete Properties(顆粒堆積和混凝土特性)”118-122，Materials Science of Concrete(混凝土材料科學(xué))II(美國陶瓷協(xié)會公司(The American Ceramic Society，Inc.)，1991)中討論的Aim模型和Larrard模型。關(guān)于堆積密度的其它討論，包括使用偽顆粒以利用針對三組分拌合料的Toufar模型來確定堆積密度，這在Andersen專利中有陳述。
在一個替換實施例中，使用已知方法對每一成分確定平均顆粒尺寸d′，但是并非實際測量堆積密度

而是假定每一成分的堆積密度

為0.5、0.55或0.6，因為固體顆粒通常具有范圍從0.5到0.6的顆粒堆積密度。然后可使用以下討論的示例性步驟來執(zhí)行該優(yōu)化程序，附帶條件是由于真實的堆積密度和假定的堆積密度之間的變化，實際坍落度可能從理論或預(yù)測坍落度變化。結(jié)果，在該過程的結(jié)束或接近結(jié)束時執(zhí)行對坍落度的最終校正步驟(例如，作為以下討論的步驟10的一部分)。由于坍落度可以在制備混凝土拌合料時測得，因此與強(qiáng)度不同，坍落度校正并不耗時。如圖7所例示的坍落度校正曲線可通過制備具有較高和較低坍落度的兩種混凝土拌合料、針對這兩種混凝土拌合料的相應(yīng)的水的體積百分比濃度繪出高和低坍落度(例如，5cm和15cm)、然后在這兩點(diǎn)之間畫出一條直線來準(zhǔn)備。與任何期望坍落度相關(guān)的水體積在該曲線上示出(例如，由虛線指示的相關(guān))。具有期望坍落度的最終的配合比設(shè)計可通過利用該坍落度曲線上所示的對應(yīng)于期望坍落度的水的量來制備。
作為該改進(jìn)的DOC程序的一部分，對每一固體成分測得的平均顆粒尺寸d′以及每一固體成分的堆積密度(不論是測量的還是估計的)被輸入到計算系統(tǒng)中。這些值影響稍后為所創(chuàng)建的多個配合比設(shè)計的每一個確定的特性。顆粒尺寸和顆粒堆積密度允許計算機(jī)系統(tǒng)借助一個或多個相互關(guān)連的算法來假設(shè)性地“測試”基于作為設(shè)計優(yōu)化過程的一部分創(chuàng)建的配合比設(shè)計的每一虛擬混凝土混合物的所得特性。
B.步驟2特性優(yōu)化 步驟2涉及確定最接近步驟1中所確定的最大堆積密度并在特定的細(xì)—粗骨料之比下具有期望強(qiáng)度、坍落度和可任選的粘聚性的初始混凝土拌合料。用于標(biāo)識相對于強(qiáng)度、坍落度和可任選的粘聚性優(yōu)化的混凝土拌合料的過程的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第25列，第8行-第29列，第10行中有陳述。術(shù)語“粘聚性”指的是混凝土混合物抵抗離析和表面泌漿的傾向。包括用于相對于強(qiáng)度、坍落度和可任選的粘聚性來優(yōu)化混凝土拌合料的數(shù)學(xué)算法在內(nèi)的各種方法在Andersen專利的本節(jié)中有描述。在Andersen專利的第25列，第8行-第29列，第10行中的討論描述了可用于執(zhí)行步驟2的示例性動作。
在子步驟2(a)，如步驟1中所討論的，通過首先在堆積密度圖上定位最大堆積密度和相應(yīng)的體積組成，選擇足夠接近最大堆積密度以在沒有離析或表面泌漿的情況下優(yōu)化混凝土特性的初始拌合料。在最大堆積密度處的相應(yīng)水泥、細(xì)骨料和粗骨料的體積分別由變量VC(MP)、VF(MP)和VCA(MP)來定義，這三個變量相加為1.0。接著，保持水泥體積恒定，同時將細(xì)骨料的體積增加被定義為粘聚性安全因子的量，并且將粗骨料的體積減少相同的量。因此，該拌合料在堆積密度圖上水平向左移動。對應(yīng)的拌合料被定義為初始拌合料。
該初始拌合料中的成分的體積(V)由以下公式定義 VC＝VC(MP) VF＝VF(MP)+CF VCA＝VCA(MP)-CF 其中，變量CF表示粘聚性安全因子，且一般為約0.05。該粘聚性安全因子確保拌合料具有充足的細(xì)骨料以制造不會離析或表面泌漿的粘聚性拌合料。堆積密度圖上在初始拌合料右側(cè)的拌合料通常會離析或表面泌漿。取決于混凝土的類型，該粘聚性安全因子可在約0到約0.15的范圍內(nèi)變化。較低強(qiáng)度的混凝土通常需要達(dá)約0.15的較高的粘聚性因子，而較高強(qiáng)度的混凝土需要小于約0.5的較低的粘聚性因子。
初始拌合料的細(xì)—粗骨料之比是由從堆積密度圖的頂點(diǎn)起始延伸通過初始拌合料的位置并到達(dá)粗骨料線的偽顆粒線來定義的(圖6C；比較圖6A-6B)。以下子步驟是作為如何沿該定義的偽顆粒線來確定最優(yōu)混凝土拌合料的示例來提出的。
在子步驟2(b)，如步驟1中所描述地確定初始混凝土拌合料的成分的堆積密度。
在子步驟2(c)，確定提供具有預(yù)定的期望坍落度的初始混凝土拌合料所需的拌合用水的量。確定該水量是一個兩步過程。首先，使用以下式確定提供具有1cm的坍落度的拌合料所需的水量 其中，

＝如子步驟2(b)中所定義的拌合料的堆積密度，以及 W1＝對該拌合料賦予1cm的坍落度所需的水的體積。W1的值是該拌合料中固體的體積的分?jǐn)?shù)。
一旦對1cm的坍落度計算了W1，使用Popovic公式計算期望坍落度所需的水量如下 其中，W1＝如上定義的對1.0cm的坍落度所需的水的體積， W2＝對該拌合料賦予期望坍落度所需的水的體積， S1＝1.0，表示1.0cm的坍落度(發(fā)明人實際發(fā)現(xiàn)校正指數(shù)是0.085)，以及 S2＝以厘米表示的期望坍落度。
在子步驟2(d)，使用來自子步驟2(a)-2(c)的結(jié)果，利用Feret公式計算所得拌合料的28天抗壓強(qiáng)度 其中，σ＝以Mpa表示的混凝土拌合料的理論28天抗壓強(qiáng)度， VC＝拌合料中水泥的體積， W2＝步驟2(c)中定義的賦予該拌合料期望坍落度所需的水的體積， K＝Feret常數(shù)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它是如圖1-3中所示地隨著抗壓強(qiáng)度σ而變化的，以及 VA＝拌合料中空氣的體積，由以下公式來定義 其中，AIR是估計的拌合料中空氣的百分比體積。拌合料中空氣的體積基于所使用的拌合機(jī)的類型、拌合料中細(xì)骨料的體積、以及與該拌合料相組合的摻合料的類型而變化。空氣的百分比體積可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員來估計，并且對于大于10cm的坍落度一般在約1％到2％之間，而對于小于10cm的坍落度一般在約2％到4％之間。
在子步驟2(e)，將所得的理論抗壓強(qiáng)度σ與期望強(qiáng)度進(jìn)行比較。如果拌合料的理論強(qiáng)度小于期望強(qiáng)度，則通過用新的拌合料和相應(yīng)的新堆積密度替換初始拌合料來重復(fù)子步驟2(b)-2(e)。該新拌合料的混合物是通過增加或減少水泥的體積以獲得期望強(qiáng)度來獲得的。對獲得期望強(qiáng)度所需的水泥的體積的估計是通過將期望強(qiáng)度輸入到Feret公式中并根據(jù)以下式對相應(yīng)的水泥體積求解來確定的 其中，VC(N)＝新拌合料中水泥的體積， W2＝在初始或先前拌合料中獲得期望坍落度所需的水的體積， ％AIR＝估計的拌合料中空氣的百分比體積， K＝Feret常數(shù)，隨混凝土強(qiáng)度變化，以及 σD＝以Mpa表示的期望強(qiáng)度。
由于對于新的拌合料水泥體積改變，因此細(xì)骨料和粗骨料的體積必須被歸一化，使得細(xì)骨料、粗骨料和水泥的體積之和為1.0。然而，細(xì)—粗骨料之比保持恒定。因此，新拌合料中細(xì)骨料和粗骨料的體積由以下式來定義 VF(N)＝rF·(1-VC(N)) VCA(N)＝rCA·(1-VC(N)) 其中，rF和rCA分別是細(xì)骨料和粗骨料的比率，并且對每一偽顆粒線是恒定的。該比率由以下式定義 rF＝VF/(VF+VCA) rCA＝VCA/(VF+VCA) 該新的拌合料對應(yīng)于堆積密度圖上由子步驟2(a)中描述的偽顆粒線與從由以上公式(16)確定的新的水泥體積延伸的水平線的交點(diǎn)所定義的位置。當(dāng)水泥體積改變時，其在偽顆粒線上向上或向下移動。子步驟2(b)-2(d)被連續(xù)重復(fù)，直到拌合料的理論強(qiáng)度等于期望強(qiáng)度，并且對所定義的細(xì)—粗骨料之比該所得拌合料使用最少量的水泥和水而具有期望的坍落度和強(qiáng)度。通常，在十次迭代之內(nèi)可找到期望的拌合料。
C.步驟3成本優(yōu)化 步驟3涉及比較在定義的細(xì)—粗骨料之比下各種最優(yōu)拌合料的單位成本以確定在低成本方面同樣被優(yōu)化的一個或多個總體優(yōu)化的拌合料。用于標(biāo)識對于成本被優(yōu)化、同時還具有期望強(qiáng)度和坍落度的混凝土拌合料的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第29列，第13行-第30列，第42行中有陳述，這構(gòu)成了用于執(zhí)行步驟3的示例性動作。
根據(jù)一個實施例，這可通過首先計算在步驟2中確定的初始最優(yōu)拌合料的單位成本來實現(xiàn)。然后對由新的細(xì)—粗骨料之比定義的第二最優(yōu)拌合料確定最優(yōu)組成和所得的單位價格。該新的細(xì)—粗骨料之比是通過將粗骨料的百分比體積減少1％，并相應(yīng)地增加細(xì)骨料的百分比體積來獲得的。然后將該第二最優(yōu)拌合料的單位價格與初始拌合料的單位價格進(jìn)行比較。如果初始拌合料的價格小于第二拌合料的價格，則初始拌合料的組成是最經(jīng)濟(jì)的，并且該過程結(jié)束。如果第二拌合料小于初始拌合料的價格，則再次改變細(xì)—粗骨料之比以獲得第三最優(yōu)拌合料。然后重復(fù)成本比較直到獲得了最不昂貴的拌合料。
步驟1-3的組合提供了用于設(shè)計具有期望強(qiáng)度和坍落度的水泥、水和骨料的拌合料的示例性方法。添加到拌合料的水的量可被最小化以最大化強(qiáng)度。細(xì)骨料、粗骨料和水泥的比例可被優(yōu)化以最小化拌合料的成本。此外，使用上述過程，具有期望特性的拌合料可獨(dú)立于給料變化而一致且準(zhǔn)確地生產(chǎn)。步驟1-3也可用于確定最高耐久性的拌合料。如稍后在步驟11中所討論的，具有最高耐久性的拌合料被定義為具有最低可能總孔隙度的拌合料。這是因為一般而言，當(dāng)孔隙度增加時，拌合料的耐久性減小。研究已確定拌合料的孔隙度隨著堆積密度的增加而減小。由此，最接近最大堆積密度的拌合料被預(yù)測為一般具有最高耐久性。
步驟4-7通過可任選地計算在混凝土拌合料內(nèi)組合諸如粉煤灰、硅粉、減水劑或填料等不同摻合料的各個效果來提供附加的優(yōu)化可能性。
D.步驟4確定粉煤灰的效果 用于標(biāo)識包括粉煤灰的最優(yōu)混凝土拌合料的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第30列，第44行-第33列，第63行中有陳述。Andersen專利的本節(jié)包括與對粉煤灰的使用有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法以及對應(yīng)于步驟4的示例性動作。
一般而言，該過程包括首先重復(fù)步驟1和2以確定對定義的細(xì)—粗骨料之比具有期望強(qiáng)度和坍落度特性的最優(yōu)拌合料(不帶摻合料)?；谒米顑?yōu)拌合料的組成，遞增地用粉煤灰替換一百分比體積的水泥。當(dāng)粉煤灰的百分比體積增加時，計算每一拌合料的單位價格并將其與前一拌合料相比較以確定對所定義的細(xì)—粗骨料之比最不昂貴的拌合料。
然后，通過在堆積密度圖上向左移動1％來改變細(xì)—粗骨料之比。然后重復(fù)上述過程以確定具有該新的細(xì)—粗骨料之比的使用粉煤灰的最不昂貴的拌合料。然后將在不同細(xì)—粗骨料之比下最優(yōu)拌合料的單位價格進(jìn)行比較以確定最不昂貴的拌合料。該過程繼續(xù)在堆積密度圖上向左移動，直到獲得了具有粉煤灰以及期望特性的總體最優(yōu)拌合料。解決粉煤灰對坍落度的效應(yīng)的一個示例性算法涉及以下經(jīng)修改的Popovic公式 其中，WFA是因粉煤灰引起的產(chǎn)生具有期望坍落度的拌合料所需的水的體積的減少，并由以下式確定 其中，W1＝如上定義的標(biāo)準(zhǔn)拌合料中對1.0cm的坍落度所需的拌合用水的體積，以及 ％FA＝粉煤灰和水泥的組合中粉煤灰的體積百分比 然后可使用W2的值，利用解決了粉煤灰的Feret公式的修改版本來計算28天強(qiáng)度，如 其中K2是對于粉煤灰的常數(shù)，并且通常范圍在0.3到0.6之間。
E.步驟5確定硅粉的效應(yīng) 用于標(biāo)識包括硅粉(也稱為煅制二氧化硅(fumed silica))的最優(yōu)混凝土拌合料的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第33列，第65行-第35列，第40行中有陳述。Andersen專利的本節(jié)包括與對硅粉的使用有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法以及對應(yīng)于步驟5的示例性動作。
使用硅粉的最優(yōu)拌合料可用步驟4中確定適當(dāng)?shù)姆勖夯伊繒r所使用的相同的方式來確定。然而，對于所需的水量和所得的強(qiáng)度的公式是不同的。與粉煤灰形成對比，硅粉對于給定坍落度需要更多的水，但是硅粉向水泥拌合料引入了更大的強(qiáng)度。對于堆積密度圖，硅粉的體積也被認(rèn)為是拌合料中水泥體積的一部分。如有所需，可使用偽顆粒來表示水泥和硅粉的組合。解決煅制氧化硅對于坍落度的效應(yīng)的一個示例性算法涉及以下經(jīng)修改的Popovic公式 其中，WSF是因硅粉引起的產(chǎn)生具有期望坍落度的拌合料所需的水的體積的增加，并由以下式確定 其中，％SF＝硅粉和水泥的組合中硅粉的百分比體積。
然后可使用W2的值，利用考慮了煅制氧化硅的Feret公式的經(jīng)修改的版本來計算28天強(qiáng)度，如 其中，K3＝描述與相同的水泥體積可比的每體積硅粉的強(qiáng)度改良。通常，該值在1.5到4之間，2是較佳的值。實際值可對于給定硅粉通過試驗來確定。
F.步驟6確定減水劑的效應(yīng) 用于標(biāo)識包括減水劑的最優(yōu)混凝土拌合料的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen等人的專利的第35列，第45行-第37列，第55行中有陳述。Andersen專利的本節(jié)包括與對減水劑的使用有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法和對應(yīng)于步驟6的示例性動作。
假定僅將減水劑添加到標(biāo)準(zhǔn)混凝土拌合料中，則用于獲取最優(yōu)拌合料的過程與對步驟4使用以獲得利用粉煤灰的最優(yōu)拌合料的過程相同。唯一的差別是用于確定所需的拌合用水量和所得的強(qiáng)度的公式被修改。該過程包括對第一細(xì)—粗骨料之比確定最優(yōu)拌合料。然后將遞增量的減水劑添加到拌合料。計算這些拌合料的單位成本并進(jìn)行比較以確定在初始的細(xì)—粗骨料之比下具有減水劑的最優(yōu)拌合料。然后改變細(xì)—粗骨料之比并重復(fù)該過程。通過比較每一細(xì)—粗骨料之比下的最優(yōu)拌合料的單位成本，可確定使用減水劑的總體最優(yōu)拌合料。
基于標(biāo)準(zhǔn)減水劑的參數(shù)，通過以下式確定產(chǎn)生具有期望坍落度的、包括減水劑的拌合料所需的水的百分比體積 其中，WWR是因減水劑引起的產(chǎn)生具有期望坍落度的拌合料所需的水的體積的減少，并由以下式確定 其中，W1＝如上定義的對1.0cm的坍落度所需的拌合用水的體積，以及 ％WR＝拌合料中的減水劑占水泥重量的百分比數(shù)量 然后，可使用W2的值來利用Feret公式來計算28天強(qiáng)度。由于減水劑并不獨(dú)立地對混凝土強(qiáng)度發(fā)生影響，因此可使用步驟2中所使用的相同的公式來計算28天強(qiáng)度并估計獲得期望強(qiáng)度所需的水泥的體積。由于對期望坍落度所需的水的量通過使用減水劑來減少，因此拌合料中水與水泥之比減小，由此增大了所得拌合料的強(qiáng)度。因此，可減少水泥的量，直到定義了擁有期望強(qiáng)度和坍落度并具有初始的0.1％減水劑的拌合料。然后執(zhí)行成本比較，并且如果具有減水劑的拌合料更廉價，則向拌合料添加另外0.1％的減水劑。然后根據(jù)步驟4中對粉煤灰所描述的格式再次重復(fù)以上過程，直到確定了包括減水劑的最優(yōu)拌合料。
G.步驟7確定填料的效應(yīng) 用于標(biāo)識包括填料(例如，細(xì)石屑)的最優(yōu)混凝土拌合料的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen等人的專利中第37列，第57行-第38列，第59行中有陳述。Andersen專利的本節(jié)包括與對填料的使用有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法以及對應(yīng)于步驟7的示例性動作。
填料一般沒有水泥質(zhì)特性，因此不會直接對所得混凝土的強(qiáng)度發(fā)生影響。然而，類似于粉煤灰，填料與水泥相比減少了獲得期望坍落度所需的拌合用水的量，因此可能會間接地影響所得混凝土的坍落度和強(qiáng)度。作為示例而非局限，填料可包括被碾碎以具有類似于粉煤灰的顆粒尺寸(直徑小于100μm)的碳酸鈣、白云石、花崗巖、玄武巖以及礦石。獲得期望坍落度所需的水的量的減少是某些填料的近似球形的形狀以及缺少水凝性的結(jié)果。解決填料對坍落度的影響的一個示例性算法涉及以下經(jīng)修改的Popovic公式 其中，WF是因填料引起的產(chǎn)生具有期望坍落度的拌合料所需的水的體積的減少，并由以下式確定 其中，％FIL＝填料和水泥的組合中填料的百分比體積。
W2的值然后可用于計算28天強(qiáng)度。由于填料不獨(dú)立地對混凝土的強(qiáng)度發(fā)生影響，因此可使用步驟2中所使用的相同的公式來計算28天強(qiáng)度并估計獲得期望強(qiáng)度所需的水泥的體積。
H.步驟8組合的設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng) 用于確定向混凝土配合比設(shè)計添加兩種或多種摻合料(例如，粉煤灰、硅粉和減水劑中的兩種或多種)的組合效應(yīng)的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第38列，第61行-第43列，第13行中有陳述。Andersen等人的專利的本節(jié)包括與標(biāo)識利用多種摻合料的最優(yōu)混凝土拌合料有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法以及對應(yīng)于步驟8的動作。
一旦理解了如何優(yōu)化結(jié)合水泥、細(xì)骨料、粗骨料和水使用單種摻合料的混凝土拌合料的過程，就可將各種過程組合成一使用嵌入式“循環(huán)”的系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許確定具有可選擇摻合料組合的最優(yōu)拌合料，其中摻合料包括粉煤灰、硅粉和減水劑。該過程本質(zhì)上解決了在利用兩種或多種摻合料時對坍落度、強(qiáng)度、成本和其它期望因素的影響。在一方面，可利用以下示例性的經(jīng)修改的Feret公式，它解決了水泥漿內(nèi)兩種或多種摻合料(例如，粉煤灰和硅粉)及其對強(qiáng)度的影響 其中， VSF＝％SF·(VT/100) VFA＝％FA·(VT/100) VC＝VT-VSF-VFA 其中，VT＝拌合料中水泥、硅粉和粉煤灰的總體積。其它變量與如先前在步驟4和5中定義的一樣。
以下公式定義了對包括粉煤灰和硅粉的拌合料賦予期望坍落度所需的水的量 其中，WSF和WFA與如步驟4和5中所定義的一樣。
該優(yōu)化過程的邏輯可在步驟8中使用，如在圖8A和8B所示的邏輯流程圖以及圖8C中所示的邏輯樹所描繪的那樣。圖8A-8C示意性地示出了對應(yīng)于步驟8的示例性動作。在很多方面，該過程類似于先前的步驟，不同之處在于粉煤灰和硅粉僅替換了水凝水泥的一部分。結(jié)果，在該步驟中無需改變細(xì)—粗骨料之比。所改變的是水泥、骨料、粉煤灰和硅粉的各種比例以確定對成本優(yōu)化并包括粉煤灰、硅粉和減水劑中的兩種或多種的配合比設(shè)計。
如果期望強(qiáng)度不等于所計算的強(qiáng)度，則可分別從以下公式計算水泥、粉煤灰和硅粉的新體積的估計值 其中所有變量都與如上在步驟4和5中定義的一樣。
最后，如對于步驟6所討論的，減水劑的添加僅在確定對拌合料賦予期望坍落度所需的水的量時考慮。因此，不管是否要將減水劑添加到水泥和粉煤灰、水泥和硅粉的組合或水泥、粉煤灰和硅粉的混合物中，以上定義的公式僅通過減去因添加減水劑而引起的對期望坍落度所需的水的量的減少來改變。
例如，含有水泥、粉煤灰、硅粉、減水劑、細(xì)骨料和粗骨料的拌合料中對期望坍落度所需的水的量可通過以下公式來確定 其中，WFA、WSF和WWR的值分別與如步驟4、5和6中定義的一樣。
還應(yīng)當(dāng)注意，可通過向該迭代過程簡單地添加另一循環(huán)來向該優(yōu)化過程添加其它火山灰或摻合料的影響。類似地，也可向上述系統(tǒng)添加填料，但是由于填料即使曾經(jīng)有也很少被添加到包括其它摻合料的拌合料中，因此結(jié)果將是相同的。
I.步驟9使用加氣劑的改性 步驟9涉及在有必要時可任選地使用加氣劑來改性混凝土拌合料以確保混凝土混合物具有適當(dāng)?shù)目諝夂?。用于在必要或需要時采用加氣劑的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第43列，第15行-第44列，第13行中有陳述。Andersen專利的本節(jié)包括對應(yīng)于步驟9的示例性動作。
與以上討論的摻合料不同，加氣劑不被建模到優(yōu)化過程中，因此必須在完成之后進(jìn)行校正。加氣劑是通過降低水的表面張力來穩(wěn)定拌合過程中形成的氣泡的摻合料。加氣劑形成了足夠牢固以包含并穩(wěn)定氣泡的擋水膜。與自然出現(xiàn)的氣泡不同，通過使用加氣劑形成的氣泡極小，并且具有范圍從約10到約1000μm的直徑。增加混凝土中夾雜空氣空隙的百分比體積的好處是硬化的混凝土在潮濕條件下的改進(jìn)的抗凍性和抗融性以及未硬化混凝土拌合料的改進(jìn)的可用性。
一旦實際生產(chǎn)了最優(yōu)拌合料，則可確定該拌合料中實際的空氣含量。如果在完成優(yōu)化過程之后對給定坍落度的空氣含量與子步驟2(c)中使用的假定空氣含量相比太低或太高，則可使用對空氣含量的校正值來重新計算該優(yōu)化過程，或者可用適當(dāng)量的加氣劑來重新形成拌合料?？諝夂恳部筛鶕?jù)以下步驟10中所討論的來建模。如同減水劑，拌合料中的加氣劑的百分比體積通常很小，使得該加氣劑本身不會被考慮為影響拌合料的體積。然而，所得的被結(jié)合到拌合料中的空氣的量在確定拌合料的強(qiáng)度時被考慮在內(nèi)。
J.步驟10系統(tǒng)校正因子 步驟10標(biāo)識并實現(xiàn)一系統(tǒng)校正因子以確保最終的混凝土混合物具有期望的坍落度。用于在必要時校正坍落度的一個示例性實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第44列，第17行-第45列，第32行中有陳述。Andersen等人的專利的本節(jié)包括與校正坍落度有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法以及對應(yīng)于步驟10的示例性動作。
一旦完成了步驟8的迭代過程，可使用線性回歸分析來提高系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確度。這可通過繪出理論上確定的獲得期望坍落度所需的拌合用水的量相對于獲得期望坍落度所需的實際拌合用水量的曲線來實現(xiàn)。然后定義繪出的值之間的關(guān)系并將其結(jié)合到Popovic公式中以提高獲得期望坍落度所需的理論水量的準(zhǔn)確度。實際上，以上過程包括以下子步驟 子步驟10(a)確定步驟8中定義的最優(yōu)拌合料中獲得期望坍落度所需的理論水量。該量對應(yīng)于從Popovic公式解出的W2的值，并且是用于確定最優(yōu)拌合料的所得28天強(qiáng)度的量。
子步驟10(b)在物理上將理論水量與步驟8的最優(yōu)混凝土拌合料相組合。接著，根據(jù)試驗確定該拌合料的實際坍落度和空氣含量。作為結(jié)合到優(yōu)化過程中的逼近的結(jié)果，在坍落度和空氣的實際值與坍落度和空氣的理論值之間通常存在差異。
子步驟10(c)使用Popovic公式來解出賦予所定義的拌合料子步驟10(b)中所確定的實際坍落度所需的水量W2。子步驟10(b)和10(c)現(xiàn)在分別給出了對特定拌合料賦予特定坍落度所需的實際和理論水量。
子步驟10(d)對不同的期望坍落度重復(fù)步驟10(a)-10(c)。這些步驟應(yīng)當(dāng)至少重復(fù)三次，重復(fù)的步驟的次數(shù)越多，最終結(jié)果的準(zhǔn)確度就提高得越多。這提供了對應(yīng)于獲得期望坍落度所需的實際和理論水量的兩組值。
子步驟10(e)繪出步驟10(d)的值，其中特定坍落度所需的實際水量在y軸上，而特定坍落度所需的理論水量在x軸上。研究表明這一曲線將揭示出一種線性關(guān)系。
子步驟10(f)用以下形式定義步驟10(e)的線性關(guān)系 W2c＝(W2·m)+b 其中W2c＝對所定義的坍落度的實際水量(在使用時，該值表示對定義的坍落度的經(jīng)校正的理論水量)， W2＝對定義的坍落度的理論水量， m＝步驟10(e)中的曲線的斜率，以及 b＝y(tǒng)截距。
子步驟10(g)繪出對每一拌合料根據(jù)試驗確定的空氣含量值與對相應(yīng)的拌合料根據(jù)試驗確定的坍落度值之間的關(guān)系的曲線。用以下形式定義該相關(guān) AIRACT＝(SLUMP·m)+b 其中，AIRACT＝基于相應(yīng)坍落度的拌合料中的空氣體積， SLUMP＝給定拌合料的坍落度， m＝實際坍落度與相應(yīng)空氣含量之間的關(guān)系曲線的斜率，以及 b＝該斜率的y截距。
子步驟10(h)然后將子步驟10(f)的公式結(jié)合到設(shè)計優(yōu)化過程中，使得在從Popovic公式解出期望坍落度所需的理論拌合用水量之后，所得的W2的值被輸入到以上對子步驟10(f)所描述的等式中。然后解出W2c以提供獲得期望坍落度所需的水量的經(jīng)改進(jìn)的或校正的值。然后將期望坍落度結(jié)合到子步驟10(g)中描述的等式中以獲得該拌合料中的空氣體積。然后在Feret公式中使用所得的空氣體積和經(jīng)校正的水體積以解出拌合料的強(qiáng)度。然后，該優(yōu)化過程如先前所討論的那樣繼續(xù)。這樣，可將坍落度估計到±2cm內(nèi)。
K.步驟11確保足夠的耐久性 步驟11確?；炷粱旌衔飳τ谄漕A(yù)期的使用具有足夠的耐久性。用于在必要或期望時確保足夠的耐久性的一個當(dāng)前較佳的實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第45列，第34-60行中有陳述。Andersen等人的專利的本節(jié)包括了與影響耐久性的孔隙度有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法并描述了對應(yīng)于步驟11的步驟。
以上優(yōu)化過程也可用于確保所選的混凝土混合物對其預(yù)期的使用具有足夠的耐久性。耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)在延長的一段時間內(nèi)維持其完整性的能力，并且在本專利中按照孔隙度來度量。具有高孔隙度的拌合料通常具有過高的水或細(xì)骨料濃度，且因此具有低耐久性。拌合料的總孔隙度可通過以下公式來確定，其中假定已經(jīng)發(fā)生了80％的水泥水凝
其中，WW＝每立方米混凝土的水重量， WC＝每立方米混凝土的水泥重量，以及 ％AIR＝基于拌合料中固體的體積的拌合料中的空氣百分比體積。
以上公式因此可用于坍落度和強(qiáng)度以確保拌合料具有期望的特性。即，一旦發(fā)現(xiàn)拌合料具有足夠的強(qiáng)度和坍落度，則可計算總孔隙度以確定它是否滿足期望的孔隙度等級。如果孔隙度過高，則可增加水泥的百分比體積，由此減小該結(jié)構(gòu)的孔隙度并確保它具有足夠的耐久性。
L.步驟12優(yōu)化產(chǎn)量 最后，步驟12涉及確定生產(chǎn)期望產(chǎn)量的混凝土混合物所需的最優(yōu)混凝土拌合料的各種成分的量。用于從該最優(yōu)混凝土拌合料準(zhǔn)確地生產(chǎn)期望數(shù)量的混凝土的一個當(dāng)前較佳的實施例的詳細(xì)描述在Andersen專利的第45列，第63行-第46列，第52行中有陳述。Andersen等人的專利的本節(jié)包括與確定原材料量以確保期望產(chǎn)量有關(guān)的示例性數(shù)學(xué)算法，并且還包括對應(yīng)于步驟12的動作。
建議的拌合料的體積通常是通過將每一成分的重量除以其各自的密度以獲得每一成分的體積來計算的。然后將每一成分的體積加在一起以獲得所得拌合料的總體積。然而，該過程并未考慮顆粒的堆積密度小于1.0，因此沒有考慮到拌合的顆粒之間剩下的空隙空間。結(jié)果，拌合料的實際體積大于所計算的體積。
用于優(yōu)化產(chǎn)量的過程需要將每一成分的體積(如通過先前討論的優(yōu)化過程所確定的)除以該拌合料的總體積，然后將對應(yīng)的分?jǐn)?shù)乘以該拌合料的期望體積。這些計算確定了應(yīng)被添加以產(chǎn)生期望體積的拌合料的每一成分的實際體積。進(jìn)而，可將成分的體積乘以其各自的比重以確定應(yīng)被添加到拌合料以獲得期望的混凝土產(chǎn)量的每一成分的重量。
作為示例，生產(chǎn)100立方米的所定義的混凝土拌合料所需的水泥的體積可通過以下公式來確定 水泥體積＝(VC/VT)·100 其中，VC＝該優(yōu)化過程的步驟10中確定的拌合料中水泥的體積，并且被表示為該拌合料中的固體的分?jǐn)?shù)，固體(即，水泥、細(xì)骨料、粗骨料以及相關(guān)時的粉煤灰和硅粉)之和為1.0， VT＝步驟8中定義的優(yōu)化的拌合料的總體積，并且通過將拌合料中水的體積W加上固體體積(總和為1.0)并將該和除以拌合料中的空氣體積來獲得。
因此，總體積由以下公式來表示 其中，拌合料中的空氣百分比％AIR可通過試拌根據(jù)經(jīng)驗來確定。對拌合料中的每一成分使用以上公式，可準(zhǔn)確地確定生產(chǎn)具有期望產(chǎn)量的拌合料所需的每一成分的體積。
V.計算機(jī)實現(xiàn)的迭代設(shè)計優(yōu)化子例程或進(jìn)程 根據(jù)本發(fā)明的另一方面或?qū)嵤├?，根?jù)圖9所示的流程圖提供了一種計算機(jī)實現(xiàn)的迭代優(yōu)化過程，它可單獨(dú)使用或與由第1V節(jié)中描述的步驟1-12所例示的一般化過程的任何部分結(jié)合使用。該過程包括以下步驟 1.提供具有特定特性的各批水凝水泥和骨料； 2.選擇用于最終混凝土混合物的目標(biāo)坍落度和強(qiáng)度； 3.測量平均顆粒尺寸并測量或估計包括水凝水泥和每一種骨料(例如，細(xì)、中和粗骨料)在內(nèi)的固體成分的堆積密度； 4.設(shè)計具有一濃度比的固體成分的干混凝土拌合料； 5.計算所設(shè)計的干混凝土拌合料的顆粒堆積密度； 6.計算產(chǎn)生所設(shè)計的具有目標(biāo)坍落度的水泥質(zhì)拌合料的水量； 7.使用Feret公式或其變形，利用沿代表系統(tǒng)輸入的K因子曲線的不同K因子中基于目標(biāo)強(qiáng)度(例如，最終設(shè)計的混凝土拌合料的特定最小期望或設(shè)計抗壓強(qiáng)度)選擇的一特定的設(shè)計K因子，計算所設(shè)計的水泥質(zhì)拌合料的強(qiáng)度； 8.計算所設(shè)計的水泥拌合料的計算強(qiáng)度和目標(biāo)強(qiáng)度之差；以及 9.更改固體成分的濃度比以產(chǎn)生一種或多種另外的所設(shè)計的干混凝土拌合料，然后重復(fù)步驟5到8，直到一個或多個所設(shè)計的水凝拌合料的計算強(qiáng)度等于目標(biāo)強(qiáng)度或者與其的偏差或在其可接受范圍內(nèi)。
該過程中使用的設(shè)計K因子理想地與對應(yīng)于理想目標(biāo)強(qiáng)度的理論或“真實”K因子相同。然而，設(shè)計K因子可能偏離理論K因子以確保特定的最小混凝土強(qiáng)度。偏離量提供了一安全余量以解決可能作為原材料特性的變化和/或處理中的變化的結(jié)果而出現(xiàn)的設(shè)計強(qiáng)度與實際強(qiáng)度之間的變化。提供根據(jù)本發(fā)明的更好優(yōu)化的配合比設(shè)計與不良的、未優(yōu)化的配合比設(shè)計相比顯著減小了設(shè)計強(qiáng)度和實際強(qiáng)度之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差。如在本發(fā)明別處討論的對處理設(shè)備的改進(jìn)和/或調(diào)整可進(jìn)一步減小設(shè)計和實際強(qiáng)度之間的偏差。最小化和/或監(jiān)控并解決原材料中的變化可進(jìn)一步減小設(shè)計和實際強(qiáng)度之間的偏差。
VI.從若干設(shè)計優(yōu)化的假設(shè)配合比設(shè)計中標(biāo)識最佳優(yōu)化的配合比設(shè)計 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的用于設(shè)計若干/假設(shè)優(yōu)化的配合比設(shè)計然后標(biāo)識最佳優(yōu)化的配合比設(shè)計的示例性過程的流程圖。圖10所示的過程演示了對基于期望或目標(biāo)強(qiáng)度選擇的正確設(shè)計K因子的使用。可使用利用Feret公式或其變形的任何期望的計算機(jī)實現(xiàn)的設(shè)計優(yōu)化過程，包括本文所公開的任何過程來利用該過程。圖10所示的設(shè)計優(yōu)化包括以下步驟 1.對混凝土混合物選擇特定的最小期望或目標(biāo)強(qiáng)度； 2.基于該期望或目標(biāo)強(qiáng)度選擇設(shè)計K因子，它可等于對應(yīng)于該強(qiáng)度的理論K因子或偏離該理論K因子； 3.使用設(shè)計K因子來設(shè)計具有理論上等于期望或目標(biāo)強(qiáng)度的設(shè)計強(qiáng)度的多個理論上優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計； 4.基于理論上優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計制備混凝土測試樣本； 5.測量混凝土測試樣本的實際強(qiáng)度； 6.比較每一理論上優(yōu)化的配合比設(shè)計的實際強(qiáng)度與期望或目標(biāo)強(qiáng)度之差；以及 7.如果實際強(qiáng)度不在相對于期望強(qiáng)度的可接受偏差范圍之內(nèi)，則設(shè)計一個或多個另外的混凝土配合比設(shè)計，直到一個或多個另外的混凝土配合比設(shè)計的期望強(qiáng)度在與期望強(qiáng)度的可接受偏差范圍之內(nèi)。
實際強(qiáng)度和期望強(qiáng)度之間的可接受偏差范圍可取決于該混凝土制造商期望的確信度等級來選擇。在可接受偏差范圍之外的實際強(qiáng)度通常指示被超裕度設(shè)計的混凝土拌合料。相反，落入可接受偏差范圍之內(nèi)的實際強(qiáng)度指示較好優(yōu)化的配合比設(shè)計。
VII.制造優(yōu)化的混凝土混合物 圖11是示出用于使用此處所述的發(fā)明性設(shè)計優(yōu)化過程來制造最優(yōu)混凝土混合物設(shè)計的示例性過程的流程圖。該制造過程包括以下步驟 1.提供使用對應(yīng)于要制造的混凝土的特定的最小期望強(qiáng)度的設(shè)計K因子來確定的最優(yōu)混凝土配合比設(shè)計； 2.確定該混凝土混合物的每一固體成分的適當(dāng)?shù)牧?，以提供確保最小化所需量同時最小化生產(chǎn)過剩和浪費(fèi)的優(yōu)化產(chǎn)量； 3.測量用于制造該混凝土混合物的固體成分的濕氣含量； 4.考慮固體成分內(nèi)的任何濕氣，將添加到該混凝土混合物的每一固體成分稱重到約±2.0％的準(zhǔn)確度，更佳地約±1.0％的準(zhǔn)確度，最佳地約0.5％的準(zhǔn)確度； 5.考慮固體成分內(nèi)的任何濕氣，確定配料水的量，該配料水在與固體成分混合時會產(chǎn)生具有期望坍落度的混凝土混合物(例如，根據(jù)配合比設(shè)計)；以及 6.混合各成分以產(chǎn)生其中實際強(qiáng)度和坍落度與期望強(qiáng)度和坍落度密切相關(guān)的混凝土混合物。
根據(jù)一個實施例，從制造混凝土混合物之時開始直到它被運(yùn)送到施工地點(diǎn)并在那里使用之時控制水的濃度以防止混凝土強(qiáng)度降低可能是有利的。現(xiàn)在將給出關(guān)于優(yōu)化拌合過程和控制水濃度的附加信息。
A.控制添加到混凝土的成分的量 為了獲得其中實際強(qiáng)度密切對應(yīng)于優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的期望或理論強(qiáng)度的混凝土混合物，較佳的是對添加到該混凝土混合物的每一成分的量進(jìn)行仔細(xì)的稱重或測量。根據(jù)一個實施例，每一成分較佳地被稱重到約±2.0％的準(zhǔn)確度，更佳地約±1.0％的準(zhǔn)確度，最佳地約±0.5％的準(zhǔn)確度?？捎糜谠谏鲜鰠?shù)內(nèi)對添加到混凝土運(yùn)送/拌合車的各種成分進(jìn)行準(zhǔn)確稱重的設(shè)備的一個示例是Alkon命令批量稱重/配料系統(tǒng)(Alkon Command Batch Weigh-up & Batching System)。然而，可以理解，利用本領(lǐng)域中已知的或開發(fā)的能夠在期望的準(zhǔn)確度等級內(nèi)對添加到混凝土拌合車的成分的量進(jìn)行準(zhǔn)確稱重或測量的任何其它設(shè)備是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的。
B.解決固體成分的濕氣含量的變化 根據(jù)一個實施例，解決固體成分(即，骨料)的濕氣含量的變化是有利的，該濕氣含量會顯著影響所得混凝土混合物的強(qiáng)度和坍落度。由于濕氣增加了骨料的重量，因此無法解決并校正該濕氣會導(dǎo)致使用比根據(jù)優(yōu)化的配合比設(shè)計所需的少的量的一種或多種骨料。提供比由可任選的設(shè)計K因子確定的少的量的一種或多種骨料會間接地影響所得的混凝土混合物的強(qiáng)度(例如，通過增加水量，這增加了水與水泥之比)。另外，減少骨料的量可增將相對的水凝水泥量增加到超過被確定為最優(yōu)的量。除了減小強(qiáng)度之外，不解決過多的水也會增加總體配料水含量，這會將坍落度增加到超過被確定為最優(yōu)的坍落度。
為解決濕氣，可使用傳感器來感測固體成分的濕氣含量。本領(lǐng)域中已知的或開發(fā)的任何濕氣傳感器可用于監(jiān)控該含量。濕氣傳感器的一個示例是微波傳感器，它將微波輻射傳播到給定體積的材料(例如，細(xì)、中或粗骨料)中，然后測量可能存在的任何水對微波能量的吸收。由于水會大量吸收微波能量，因此由給定體積的骨料吸收的微波能量的量與該骨料內(nèi)的濕氣的量相關(guān)。關(guān)于濕氣含量的信息可用于確定(例如，由計算機(jī))必須稱出多少額外的水來提供正確量的骨料，和/或應(yīng)當(dāng)向拌合料添加多少附加的水來維持正確的坍落度和/或水與水泥之比。一般而言，由于一般較大的表面積以及將濕氣吸收到孔隙內(nèi)的能力，較小的骨料對濕氣的變化更為敏感。
C.使用摻合料代替水來增大坍落度 與控制添加到混凝土拌合器/運(yùn)送車的成分的初始量同等或比其重要的是從將成分添加到水泥拌合鼓筒之時到將該混合物運(yùn)送到施工地點(diǎn)并在那里使用之時之間仔細(xì)地控制配料水的濃度。為了維持滿足或超過特定最小強(qiáng)度的強(qiáng)度，一旦將各成分正確地配料并拌合在一起，就只能將極少的水添加到該混凝土混合物或不添加任何水。
在可能期望在施工地點(diǎn)更改混凝土混合物的坍落度的情況下，應(yīng)當(dāng)只利用用于增大或減小坍落度的合適的化學(xué)摻合料。例如，在期望增大坍落度的情況下，可利用本領(lǐng)域中已知的各種增塑劑、超級增塑劑或高效減水劑之一。在期望減小坍落度的情況下，可利用本領(lǐng)域中公知的已知流變改性劑或水結(jié)合劑中的任一種。添加到混凝土混合物的這些摻合料的量應(yīng)被仔細(xì)控制以運(yùn)送具有期望的坍落度和強(qiáng)度特性的混凝土混合物。
D.特別設(shè)計的混凝土拌合車 在當(dāng)前的實踐中，混凝土中的坍落度改性通常是在施工地點(diǎn)由混凝土運(yùn)送車司機(jī)額外添加水來執(zhí)行的。這是確保期望強(qiáng)度的最差方式，因為混凝土運(yùn)送車司機(jī)通常對于將水添加到混凝土的有害效應(yīng)了解最少。在大多數(shù)情況下，司機(jī)進(jìn)行觀察和感覺而非使用坍落度筒。這一實踐是十分常見的，使得混凝土制造商被迫必須對其混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行較大余量的超裕度設(shè)計。
為了防止在混凝土離開混凝土制造場所之后混凝土運(yùn)送車司機(jī)故意或無意地將水添加到混凝土混合物，利用特別設(shè)計的混凝土拌合車是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的，該拌合車包括包含用于如施工地點(diǎn)所需地進(jìn)行坍落度調(diào)整的一種或多種摻合料的箱或容器。例如，本領(lǐng)域中已知的增塑劑、超級增塑劑或高效減水劑可被包含在一個或多個容器中。另外，該混凝土拌合車可包括準(zhǔn)確地測量鼓筒內(nèi)的混凝土拌合料的坍落度的裝置。如果有必要或期望增加混凝土拌合料的坍落度，則可從特殊的箱或容器中將預(yù)定量的坍落度增加摻合料注入到鼓筒中以將坍落度提升到期望的值。
單獨(dú)的容器或箱還可包括能夠以其它方式(例如，增加粘聚性、減小坍落度、增加凝固時間或減慢凝固時間)更改混凝土組成的摻合料。由于這些摻合料通常不會影響強(qiáng)度，因此可更容易地維持期望的最小強(qiáng)度，由此進(jìn)一步減小了實際和期望強(qiáng)度(以及實際和設(shè)計K因子)之間的偏差。
混凝土運(yùn)送車通常配備有在現(xiàn)場添加水的水箱。有些運(yùn)送車還配備有對摻合料進(jìn)行計量的摻合料箱。本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解了摻合料如何影響坍落度之后，可容易地設(shè)計出能夠如到達(dá)期望所需地對特定量的坍落度更改摻合料進(jìn)行計量以用適當(dāng)方式更改坍落度的混凝土運(yùn)送車。由此，僅需對現(xiàn)有混凝土運(yùn)送車的微小修改。這一設(shè)備包括用于對在現(xiàn)場向混凝土混合物添加的期望量的摻合料進(jìn)行計量的裝置。
E.在不實質(zhì)上更改抗壓強(qiáng)度的情況下調(diào)整優(yōu)化的配合比設(shè)計的坍落度的簡化的重新設(shè)計過程 在某些情況下，可能期望對已經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計進(jìn)行快速重新設(shè)計以在不實質(zhì)上改變抗壓強(qiáng)度的情況下調(diào)整坍落度。這可在不例如使用上述詳細(xì)的12步設(shè)計優(yōu)化過程而創(chuàng)建一個全新的優(yōu)化的配合比設(shè)計的情況下來完成。為維持相同的必要強(qiáng)度，同時改變坍落度，維持漿的相同的水與水泥之比。僅更改漿的體積以調(diào)整濕水泥質(zhì)拌合料的坍落度。一般而言，添加更多漿將增加坍落度，而添加更少漿將減小坍落度。由此，調(diào)整水泥漿與骨料的總體比例以改變坍落度。由于漿的水與水泥之比保持相同，因此強(qiáng)度在理論上將基本保持相同。在某些情況下，細(xì)—粗骨料之比可保持相同。在其它情況下，可取決于因改變水泥漿與骨料的總體比例而引起的對其它特性(例如，粘聚性、耐久性等等)的影響來在某種程度上更改該比例。
圖12示出了說明用于對當(dāng)前優(yōu)化的配合比設(shè)計進(jìn)行簡化的重新設(shè)計以調(diào)整坍落度的示例性方法的流程圖。改變水泥漿的總濃度對于坍落度的影響可如下確定使用上述坍落度公式中的任一個，并解決取決于與初始配合比設(shè)計相比水泥漿的量是增加還是減少來增加或減少的水含量。添加更多的水泥漿增加了坍落度，因為它增加了水與固體成分的總體濃度。相反，減少水泥漿的量減小了坍落度，因為它減小了水與固體成分的總體濃度。
根據(jù)一個實施例，該過程是由計算機(jī)來控制的，并且涉及監(jiān)控各批次之間的坍落度變化，該變化可能由骨料尺寸和/或濕氣變化引起。當(dāng)檢測到坍落度變化時，一種計算機(jī)實現(xiàn)的設(shè)計過程涉及調(diào)整水量以修正坍落度、改變水泥量以維持相同的水與水泥之比(并因此維持相同的強(qiáng)度)、以及按需更改骨料的相對濃度以維持適當(dāng)量的粘聚性。一般而言，增加細(xì)骨料與粗骨料之比增大了粘聚性，但是可減小坍落度。水泥漿的減少可能要求增加細(xì)骨料以維持粘聚性。相反，水泥漿的增加可能要求減少細(xì)骨料以增大坍落度，同時避免過度水泥灌漿的有害效應(yīng)并更好地優(yōu)化成本。
在某些情況下，可能選擇不必被理想優(yōu)化但是恰當(dāng)?shù)募?xì)—粗骨料之比(例如，通常在40∶60到60∶40份細(xì)—粗骨料的范圍內(nèi))。在這一比例內(nèi)，粘聚性和離析沒有很多可變性，這在被放置到施工地點(diǎn)時可極大地影響混凝土性能。為保證最小確保強(qiáng)度，設(shè)計具有產(chǎn)生期望強(qiáng)度的水與水泥之比的水泥漿(例如，在水泥漿是最脆弱的成分的情況下)。調(diào)整水泥漿與骨料之比以產(chǎn)生期望坍落度。盡管該方法沒有將混凝土優(yōu)化到相同程度的準(zhǔn)確度，但它可在許多情況下采用(例如，較小工程，其中相對較小的超裕度設(shè)計成本可能不能證明如本文所描述的充分發(fā)展的優(yōu)化過程是恰當(dāng)?shù)?。
VIII.對現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計 圖13是示出用于利用最近發(fā)現(xiàn)的有關(guān)Feret公式中使用的K因子隨混凝土強(qiáng)度的變化而變化(即，隨強(qiáng)度增加呈對數(shù)地變化)以及如何變化的知識來對現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計的示例性方法的流程圖。圖13所示的該示例性重新設(shè)計過程包括以下步驟 1.標(biāo)識具有預(yù)測(或設(shè)計)強(qiáng)度的現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計； 2.從現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計制備混凝土測試樣本； 3.測量混凝土測試樣本的實際強(qiáng)度并確定該實際強(qiáng)度偏離設(shè)計強(qiáng)度多少(可任選)； 4.基于該設(shè)計強(qiáng)度以及從現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計制造的混凝土測試樣本內(nèi)各成分的比例來確定現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子； 5.將現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子與對應(yīng)于現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的設(shè)計或預(yù)測強(qiáng)度的“真實”或最優(yōu)K因子進(jìn)行比較； 6.基于比現(xiàn)有配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子更接近最優(yōu)K因子的預(yù)測(或設(shè)計)強(qiáng)度(例如，基于圖1-3所示的或?qū)τ诮o定的一組原材料輸入恰當(dāng)?shù)腒因子線之一來選擇)來標(biāo)識經(jīng)修正的設(shè)計K因子；可任選地通過測試制造商的一個或多個正確制備的混凝土混合物的實際強(qiáng)度并繪出實際K因子與實際強(qiáng)度的關(guān)系曲線來構(gòu)造用于該混凝土廠的K因子；以及 7.使用經(jīng)修正的設(shè)計K因子來設(shè)計產(chǎn)生具有與現(xiàn)有配合比設(shè)計相比更一致地對應(yīng)于預(yù)測(或設(shè)計)強(qiáng)度的實際強(qiáng)度的混凝土混合物的新的混凝土配合比設(shè)計。
在未優(yōu)化的、不良的現(xiàn)有配合比設(shè)計的情況下，基于現(xiàn)有配合比設(shè)計的設(shè)計或預(yù)測強(qiáng)度的表面設(shè)計K因子與基于設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)或理論K因子之差可以遠(yuǎn)大于經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計中的差別。通過重新平衡各種成分的相對濃度以產(chǎn)生更優(yōu)化的配合比設(shè)計(即，以便更高效地利用水凝水泥和其它成分)，將顯著減小實際強(qiáng)度和設(shè)計強(qiáng)度之間的偏差。結(jié)果，確保特定的最小強(qiáng)度所需的經(jīng)修正的設(shè)計K因子與現(xiàn)有的未優(yōu)化的配合比設(shè)計相比將更密切地對應(yīng)于最優(yōu)或理論K因子。此外，比較表面設(shè)計K因子和最優(yōu)K因子之差是使希望實現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)計優(yōu)化過程的人們能夠診斷現(xiàn)有的配合比設(shè)計是否被超裕度設(shè)計以及超裕度設(shè)計的程度的診斷工具。如別處所討論的，設(shè)計和最優(yōu)K因子之間的偏差可通過仔細(xì)地解決固體成分的尺寸和濕氣含量的變化和/或升級和/或調(diào)整制造過程和設(shè)備來實現(xiàn)。
IX.升級現(xiàn)有的混凝土廠 圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的用于升級現(xiàn)有的混凝土制造廠的一個示例性實施例的流程圖。圖14所示的過程利用了關(guān)于K因子隨混凝土強(qiáng)度的變化而呈對數(shù)地變化以及如何變化的發(fā)現(xiàn)。用于升級現(xiàn)有的混凝土制造廠的過程包括以下步驟 1.使用具有預(yù)測強(qiáng)度的一個或多個現(xiàn)有配合比設(shè)計來制造一個或多個混凝土混合物； 2.基于每一混凝土混合物的設(shè)計強(qiáng)度和成分比例對一個或多個混凝土混合物中的每一個確定表面設(shè)計K因子； 3.基于每一現(xiàn)有配合比設(shè)計的預(yù)測或期望強(qiáng)度來標(biāo)識與現(xiàn)有配合比設(shè)計相比更密切地對應(yīng)于用于設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)或真實K因子的經(jīng)修正的設(shè)計K因子；以及 4.使用用于每一現(xiàn)有配合比設(shè)計的經(jīng)修正的設(shè)計K因子來設(shè)計分別產(chǎn)生具有與一個或多個現(xiàn)有配合比設(shè)計相比更一致地對應(yīng)于預(yù)測或設(shè)計強(qiáng)度的實際強(qiáng)度的護(hù)混合物的一個或多個經(jīng)修正的混凝土配合比設(shè)計。
由于每一制造廠具有其自己的獨(dú)特的一組原材料和/或處理輸入(即，沒有兩個廠使用完全相同的原材料并擁有以完全相同的方式校準(zhǔn)和/或操作的完全相同的設(shè)備)，因此可以理解，每一制造廠生成具有給定制造廠特有的唯一方面的混凝土混合物。換言之，即使兩個制造廠使用相同的標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計(即，處方)，則由每個廠運(yùn)送的混凝土將同樣對每個廠是獨(dú)特的。這意味著利用該改進(jìn)的DOC程序修改和優(yōu)化的現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計將產(chǎn)生新的混凝土混合物，其本身從在任何時刻在世界上任何地方都從未被制造過這一方面而言是獨(dú)特的。由此，使用從實現(xiàn)該改進(jìn)的DOC過程所得的優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造的改進(jìn)的混凝土混合物本身是獨(dú)特的，因此在所有先前制造的混凝土中也是新穎的。
經(jīng)證明所制造的每一混凝土混合物具有其自己的獨(dú)特的標(biāo)志性設(shè)計K因子，并且還具有可通過測試該混合物的實際強(qiáng)度來確定的實際K因子。這在實現(xiàn)該改進(jìn)的DOC過程之前和之后都是如此。然而，在實現(xiàn)該改進(jìn)的DOC過程之后，對于制造廠的優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計和實際的標(biāo)志性K因子將超過使用該改進(jìn)的DOC過程重新設(shè)計的現(xiàn)有混凝土混合物的設(shè)計和實際的標(biāo)志性K因子。通過知道給定制造廠的現(xiàn)有的和優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計和/或標(biāo)志性K因子并對其進(jìn)行比較，可容易地確定由該制造廠生產(chǎn)的特定混凝土混合物是使用現(xiàn)有的配合比設(shè)計還是利用該改進(jìn)的DOC過程設(shè)計的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造的。由此，標(biāo)志性K因子可被用作區(qū)分在建筑工程中是使用超裕度設(shè)計的還是經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物(即，確定混凝土制造商在設(shè)計其混凝土混合物時是否使用了該改進(jìn)的DOC過程)的診斷工具。
升級現(xiàn)有混凝土制造廠的實際影響之一是提供基于該混凝土制造廠實際使用的原材料而被特別優(yōu)化的配合比設(shè)計。情況通常是制造廠使用利用對特定制造廠不可用的原材料制成的標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計。實際上，制造廠通常為單個企業(yè)所擁有，該企業(yè)提供用于每一制造廠的標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計而不考慮原材料輸入的變化。結(jié)果，較大的系統(tǒng)誤差被嵌入到標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計中，該誤差不能通過簡單地提供改進(jìn)的配料設(shè)備來解決或校正。換言之，即使每次可理想地測量各成分并對其進(jìn)行配料，配合比設(shè)計也必須解決各制造廠之間原材料輸入的變化。消除這一系統(tǒng)誤差的唯一方式是提供被特別定制以解決特定制造廠用于在給定時刻制造混凝土所使用的特定原材料的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計。
關(guān)于K因子如何隨混凝土強(qiáng)度變化而變化的知識可被用作標(biāo)識制造商的配料過程中可能需要修改的這些方面的診斷工具。如此處所討論的，該改進(jìn)的DOC過程可用于標(biāo)識實現(xiàn)期望坍落度需要多少漿，其中的K因子指定了獲得特定強(qiáng)度所需的水與水泥之比。如果對特定工廠優(yōu)化了顆粒堆積，則花費(fèi)資本資源來優(yōu)化計量設(shè)備并沒有什么好處。增強(qiáng)對固體成分進(jìn)行準(zhǔn)確稱重和配料的能力在已經(jīng)優(yōu)化或幾乎優(yōu)化了顆粒堆積的情況下不會產(chǎn)生多少好處。如果骨料稱重中的變化沒有顯著影響坍落度，則即使骨料沒有被稱重到一高的準(zhǔn)確度，它也不會顯著影響強(qiáng)度。
另一方面，在需要比經(jīng)優(yōu)化的顆粒堆積系統(tǒng)多得多的水泥漿來實現(xiàn)期望的坍落度的情況下，這表明對骨料進(jìn)行準(zhǔn)確得多的稱重以實現(xiàn)優(yōu)化顆粒堆積將產(chǎn)生顯著的益處。換言之，如果對細(xì)和粗骨料的更準(zhǔn)確測量最小化或消除了坍落度變化并且還減小或消除了實現(xiàn)期望坍落度所需的過度水泥灌漿，則對更準(zhǔn)確稱重設(shè)備的投資將是非常有益且值得的。
除了對添加到一批混凝土的各種成分進(jìn)行準(zhǔn)確稱重之外，解決骨料的濕氣含量的變化在濕氣變化成問題的情況下也將產(chǎn)生較大的益處。濕氣變化不僅影響需要多少骨料，并且還極大地影響該混凝土混合物中包含多少水，由此很大程度影響了水與水泥之比以及坍落度。解決所有水輸入極大地提高了一致地提供具有期望坍落度和強(qiáng)度的混凝土的能力，使得對濕氣傳感材料的資本投資被證明是合理的。
X.重新設(shè)計或替換現(xiàn)有配合比設(shè)計的設(shè)計優(yōu)化過程的示例 以下示例演示了本文公開的改進(jìn)的DOC過程修改、重新設(shè)計和/或替換當(dāng)前在行業(yè)中使用的現(xiàn)有配合比設(shè)計來產(chǎn)生對于成本更好地優(yōu)化、同時維持期望的特性(例如，坍落度和強(qiáng)度)的改進(jìn)的混凝土拌合料的能力。相同的過程也可對于實際上目前所知且在混凝土行業(yè)中使用的任何已知的配合比設(shè)計來實現(xiàn)，以相對于強(qiáng)度和成本來優(yōu)化這些混合物同時維持其它期望的特性。
本發(fā)明的設(shè)計優(yōu)化方法用于在美國各處的各混凝土制造廠中改進(jìn)配合比設(shè)計，從而表明了本發(fā)明方法的全球適用性。示例1-4涉及根據(jù)該改進(jìn)的DOC過程制造的四個經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計，以改進(jìn)并替換當(dāng)前或先前由第一制造廠利用標(biāo)準(zhǔn)化配合比設(shè)計來使用的12個標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計。其余的比較示例中的標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計與在示例1-4中相同，但是由同一制造商擁有的其它工廠來使用的。鑒于此，在不同工廠制造混凝土的成本由于因位置和來源所引起的原材料成本的差別而不同。由于骨料的質(zhì)量在各工廠之間不同，因此該設(shè)計優(yōu)化過程對于每一制造廠產(chǎn)生不同的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計，以解決原材料輸入的這種差異。以此方式，該經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計對于每一工廠使用的特定原材料被更好地定制。
標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有配合比設(shè)計是“比較示例”，并且應(yīng)當(dāng)根據(jù)被創(chuàng)建來取代它們的相應(yīng)的優(yōu)化配合比設(shè)計來標(biāo)號(例如，示例1的優(yōu)化配合比設(shè)計對應(yīng)于比較示例1a-1c的配合比設(shè)計，并被設(shè)計成取代這些配合比設(shè)計)。示例1-4 示例1-4示出了使用本文所描述的改進(jìn)的DOC過程來制備的四種經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。示例1-4的四種配合比設(shè)計可取代現(xiàn)有的混凝土制造廠利用的12種現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計。示例1-4的每一配合比設(shè)計對應(yīng)于確保被運(yùn)動到顧客處時具有最小抗壓強(qiáng)度、指定坍落度和夾雜空氣百分比的相似類型的一組三種現(xiàn)有配合比設(shè)計。該混凝土制造廠的現(xiàn)有配合比設(shè)計、其成分、成本(2006年4月7日修正)以及表面設(shè)計K因子將以四組三種混凝土配合比設(shè)計來呈現(xiàn)，每一組具有相似的特性或特征。 比較示例1a-1c 比較示例1a-1c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例2a-2c 比較示例2a-2c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及大量的夾雜空氣(5％)。

比較示例3a-3c 比較示例3a-3c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例4a-4c 比較示例4a-4c的三種配合比設(shè)計局具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和大量的夾雜空氣(5％)。

以下根據(jù)示例1-4的優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計是根據(jù)該改進(jìn)的DOC過程來制成的，并且旨在取代比較示例1a-4c的12種配合比設(shè)計。每一優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了類似屬性的三種配合比設(shè)計(例如，示例1的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代比較示例1a-1c的現(xiàn)有配合比設(shè)計)。該優(yōu)化過程假定對砂和巖石分別為1.5％和2.5％的百分比吸收，并且分別為4.57％和3.18％的百分比濕氣。

許多混凝土制造廠具有過量的相似類型的配合比設(shè)計以試圖滿足顧客需求。示例1-4的每一改進(jìn)的配合比設(shè)計能夠取代相似類型的三種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計，因為它滿足所有三種配合比設(shè)計的準(zhǔn)則同時還具有降低的成本。減少滿足顧客需求所需的配合比設(shè)計的數(shù)目表示對混凝土制造廠的額外的成本節(jié)省，因為它簡化了總體制造過程。
絕對成本節(jié)省范圍從較低的每碼$2.04(示例1相對于比較示例1a)到較高的每碼$10.76(示例4相對于比較示例4c)?；谥圃鞆S銷售的每一配合比設(shè)計的百分比，比較示例1a-4c的現(xiàn)有配合比設(shè)計的加權(quán)平均成本是每碼$43.46(如2006年4月7日的)?；谥圃焐痰?2種現(xiàn)有配合比設(shè)計的現(xiàn)有銷售百分比，使用四種優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造混凝土的加權(quán)平均成本在每種成分相同的材料成本下為每碼$36.76。因此，假定制造商要用示例1-4的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來替換比較示例1a-4c的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計并繼續(xù)如以前那樣制造相同的混凝土分布，則對制造廠的平均總成本節(jié)省是每碼$6.60。
$6.60這一數(shù)量是在考慮并解決了運(yùn)作制造廠的所有固定和可變成本之后由典型的混凝土制造商獲得的每碼$1-2的典型利潤的幾倍。因此，該改進(jìn)的設(shè)計優(yōu)化過程能夠顯著改善制造商使用的基于十幾年來的測試和使用被認(rèn)為是最優(yōu)的現(xiàn)有配合比設(shè)計，并且將利潤增加了幾倍。這是令人驚奇且預(yù)料不到的結(jié)果，這證明了本發(fā)明的改進(jìn)的DOC過程所提供的對現(xiàn)有混凝土制造的貢獻(xiàn)。雖然Andersen專利的原始DOC程序具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它很難在現(xiàn)實世界中很容易地實現(xiàn)以用具體且可驗證的方式來診斷并改善現(xiàn)有的混凝土配合比設(shè)計以便以降低的成本產(chǎn)生確然改進(jìn)的結(jié)果。此處所描述的改進(jìn)對于提供可如示例1-4中所示的那樣容易實現(xiàn)的優(yōu)化過程是必要的。
示例5-8 示例5-8示出了使用本文所描述的改進(jìn)的DOC過程來制備的四種經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。示例5-8的四種配合比設(shè)計可替換現(xiàn)有混凝土制造廠的12種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計，這12種設(shè)計使用了與比較示例1a-4c中相同的12種配合比設(shè)計，但是使用一組不同的原材料來制造混凝土。示例5-8的每一配合比設(shè)計對應(yīng)于當(dāng)被運(yùn)送到顧客處時確保最小抗壓強(qiáng)度、指定坍落度和夾雜空氣百分比的一組相似類型的三種現(xiàn)有配合比設(shè)計。混凝土制造廠的現(xiàn)有配合比設(shè)計、其成分、成本(2005年10月27日修正)以及表面設(shè)計K因子將以四組三種混凝土配合比設(shè)計來呈現(xiàn)，每一組具有相似的特性或特征。 比較示例5a-5c 比較示例5a-5c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例6a-6c 比較示例6a-6c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和大量夾雜空氣(5％)。

比較示例7a-7c 比較示例7a-7c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例8a-8c 比較示例8a-8c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及大量夾雜空氣(5％)。

以下根據(jù)示例5-8的經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計是根據(jù)該改進(jìn)的DOC過程來制成的，并且旨在替換比較示例5a-8c的12種配合比設(shè)計。每一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了類似屬性的三種配合比設(shè)計(例如，示例5的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了比較示例5a-5c的現(xiàn)有配合比設(shè)計)。該優(yōu)化過程假定對砂和巖石分別為1.9％和2.3％的百分比吸收，以及分別為4.57％和3.18％的百分比濕氣。

示例5-8的每一改進(jìn)的配合比設(shè)計能夠取代相似類型的三種現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計，因為它滿足了所有三種配合比設(shè)計的準(zhǔn)則同時還具有降低的成本。減少的配合比設(shè)計的數(shù)目是額外的成本節(jié)省，因為它簡化了總體制造過程。
絕對成本節(jié)省范圍從較低的每碼$2.04(示例5相對于比較示例5a)到較高的每碼$10.32(示例8相對于比較示例8c)。基于制造廠銷售的每一配合比設(shè)計的百分比，比較示例5a-8c的現(xiàn)有配合比設(shè)計的加權(quán)平均成本是每碼$34.27(如2005年10月27日的)?；谥圃焐痰?2種現(xiàn)有配合比設(shè)計的現(xiàn)有銷售百分比，使用四種優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造混凝土的加權(quán)平均成本在每種成分相同的材料成本下為每碼$28.09。因此，假定制造商要用示例5-8的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來替換比較示例5a-8c的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計并繼續(xù)如以前那樣制造相同的混凝土分布，則對制造廠的平均總成本節(jié)省是每碼$6.18。 示例9-12 示例9-12示出了使用本文所描述的改進(jìn)的DOC過程來制備的四種經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。示例9-12的四種配合比設(shè)計可替換現(xiàn)有混凝土制造廠的12種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計，這12種設(shè)計使用了與比較示例1a-4c中相同的12種配合比設(shè)計，但是使用一組不同的原材料來制造混凝土。示例9-12的每一配合比設(shè)計對應(yīng)于當(dāng)被運(yùn)送到顧客處時確保最小抗壓強(qiáng)度、指定坍落度和夾雜空氣百分比的一組相似類型的三種現(xiàn)有配合比設(shè)計?；炷林圃鞆S的現(xiàn)有配合比設(shè)計、其成分、成本(2005年10月27日修訂)以及表面設(shè)計K因子將以四組三種混凝土配合比設(shè)計來呈現(xiàn)，每一組具有相似的特性或特征。比較示例9a-9c 比較示例9a-9c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例10a-10c 比較示例10a-10c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和大量夾雜空氣(5％)。

比較示例11a-11c 比較示例11a-11c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例12a-12c 比較示例12a-12c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及大量夾雜空氣(5％)。

以下根據(jù)示例9-12的經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計是根據(jù)該改進(jìn)的DOC過程來制成的，并且旨在替換比較示例9a-12c的12種配合比設(shè)計。每一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了類似屬性的三種配合比設(shè)計(例如，示例9的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了比較示例9a-9c的現(xiàn)有配合比設(shè)計)。該優(yōu)化過程假定對砂和巖石分別為1.9％和1.8％的百分比吸收，以及分別為4.57％和3.18％的百分比濕氣。

示例9-12的每一改進(jìn)的配合比設(shè)計能夠取代相似類型的三種現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計，因為它滿足了所有三種配合比設(shè)計的準(zhǔn)則同時還具有降低的成本。減少的配合比設(shè)計的數(shù)目是額外的成本節(jié)省，因為它簡化了總體制造過程。
絕對成本節(jié)省范圍從較低的每碼$2.04(示例9相對于比較示例9a)到較高的每碼$10.96(示例12相對于比較示例12c)?；谥圃鞆S銷售的每一配合比設(shè)計的百分比，比較示例9a-12c的現(xiàn)有配合比設(shè)計的加權(quán)平均成本是每碼$41.24(如2005年10月27日的)。基于制造商的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計的現(xiàn)有銷售百分比，使用四種優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造混凝土的加權(quán)平均成本在每種成分相同的材料成本下為每碼$34.59。因此，假定制造商要用示例9-12的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來替換比較示例9a-12c的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計并繼續(xù)如以前那樣制造相同的混凝土分布，則對制造廠的平均總成本節(jié)省是每碼$6.66。
示例13-16 示例13-16示出了使用本文所描述的改進(jìn)的DOC過程來制備的四種經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。示例13-16的四種配合比設(shè)計可替換現(xiàn)有混凝土制造廠的12種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計，這12種設(shè)計使用了與比較示例1a-4c中相同的12種配合比設(shè)計，但是使用一組不同的原材料來制造混凝土。示例13-16的每一配合比設(shè)計對應(yīng)于當(dāng)被運(yùn)送到顧客處時確保最小抗壓強(qiáng)度、指定坍落度和夾雜空氣百分比的一組相似類型的三種現(xiàn)有配合比設(shè)計。混凝土制造廠的現(xiàn)有配合比設(shè)計、其成分、成本(2005年10月27日修訂)以及表面設(shè)計K因子將以四組三種混凝土配合比設(shè)計來呈現(xiàn)，每一組具有相似的特性或特征。比較示例13a-13c 比較示例13a-13c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例14a-14c 比較示例14a-14c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和大量夾雜空氣(5％)。

比較示例15a-15c 比較示例15a-15c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例16a-16c 比較示例16a-16c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及大量夾雜空氣(5％)。

以下根據(jù)示例13-16的經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計是根據(jù)該改進(jìn)的DOC過程來制成的，并且旨在替換比較示例13a-16c的12種配合比設(shè)計。每一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了類似屬性的三種配合比設(shè)計(例如，示例13的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了比較示例13a-13c的現(xiàn)有配合比設(shè)計)。該優(yōu)化過程假定對砂和細(xì)礫分別為1.9％和2.6％的百分比吸收，以及分別為4.57％和3.18％的百分比濕氣。

示例13-16的每一改進(jìn)的配合比設(shè)計能夠取代相似類型的三種現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計，因為它滿足了所有三種配合比設(shè)計的準(zhǔn)則同時還具有降低的成本。減少的配合比設(shè)計的數(shù)目是額外的成本節(jié)省，因為它簡化了總體制造過程。
絕對成本節(jié)省范圍從較低的每碼$1.39(示例13相對于比較示例13a)到較高的每碼$10.53(示例16相對于比較示例16c)?；谥圃鞆S銷售的每一配合比設(shè)計的百分比，比較示例13a-16c的現(xiàn)有配合比設(shè)計的加權(quán)平均成本是每碼$41.18(如2005年10月27日的)。基于制造商的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計的現(xiàn)有銷售百分比，使用四種優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造混凝土的加權(quán)平均成本在每種成分相同的材料成本下為每碼$35.04。因此，假定制造商要用示例13-16的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來替換比較示例13a-16c的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計并繼續(xù)如以前那樣制造相同的混凝土分布，則對制造廠的平均總成本節(jié)省是每碼$6.14。
示例17-20 示例17-20示出了使用本文所描述的改進(jìn)的DOC過程來制備的四種經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計。示例17-20的四種配合比設(shè)計可替換現(xiàn)有混凝土制造廠的12種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計，這12種設(shè)計使用了與比較示例1a-4c中相同的12種配合比設(shè)計，但是使用一組不同的原材料來制造混凝土。示例17-20的每一配合比設(shè)計對應(yīng)于當(dāng)被運(yùn)送到顧客處時確保最小抗壓強(qiáng)度、指定坍落度和夾雜空氣百分比的一組相似類型的三種現(xiàn)有配合比設(shè)計?；炷林圃鞆S的現(xiàn)有配合比設(shè)計、其成分、成本(2005年10月27日修正)以及表面設(shè)計K因子將以四組三種混凝土配合比設(shè)計來呈現(xiàn)，每一組具有相似的特性或特征。
比較示例17a-17c 比較示例17a-17c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例18a-18c 比較示例18a-18c的三種配合比設(shè)計具有3000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度和大量夾雜空氣(5％)。

比較示例19a-19c 比較示例19a-19c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及最小夾雜空氣(1.5％)。

比較示例20a-20c 比較示例20a-20c的三種配合比設(shè)計具有4000psi的設(shè)計強(qiáng)度、4英寸的坍落度以及大量夾雜空氣(5％)。

以下根據(jù)示例17-20的經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計是根據(jù)該改進(jìn)的DOC過程來制成的，并且旨在替換比較示例17a-20c的12種配合比設(shè)計。每一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了類似屬性的三種配合比設(shè)計(例如，示例17的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計取代了比較示例17a-17c的現(xiàn)有配合比設(shè)計)。該優(yōu)化過程假定對砂和巖石分別為1.9％和3.2％的百分比吸收，以及分別為4.57％和3.18％的百分比濕氣。

示例17-20的每一改進(jìn)的配合比設(shè)計能夠取代相似類型的三種現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計，因為它滿足了所有三種配合比設(shè)計的準(zhǔn)則同時還具有降低的成本。減少的配合比設(shè)計的數(shù)目是額外的成本節(jié)省，因為它簡化了總體制造過程。
絕對成本節(jié)省范圍從較低的每碼$1.60(示例17相對于比較示例17a)到較高的每碼$10.03(示例20相對于比較示例20c)?；谥圃鞆S銷售的每一配合比設(shè)計的百分比，比較示例17a-20c的現(xiàn)有配合比設(shè)計的加權(quán)平均成本是每碼$40.39(如2005年10月27日的)?；谥圃焐痰?2種現(xiàn)有配合比設(shè)計的現(xiàn)有銷售百分比，使用四種優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造混凝土的加權(quán)平均成本在每種成分相同的材料成本下為每碼$34.64。因此，假定制造商要用示例17-20的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來替換比較示例17a-20c的12種現(xiàn)有配合比設(shè)計并繼續(xù)如以前那樣制造相同的混凝土分布，則對制造廠的平均總成本節(jié)省是每碼$5.75。
接著兩個示例是用于自流平(self-leveling)混凝土的新優(yōu)化的配合比設(shè)計。根據(jù)示例21和22的配合比設(shè)計制造的自流平混凝土的特征在于具有足夠高的坍落度，使得它可單獨(dú)因重力而無需做功來變水平，并且還具有足夠的粘聚性，使得它不會明顯地離析(即，由于重力而離析成較重和較輕的成分)。
示例21 以下用于自流平混凝土混合物的配合比設(shè)計是使用本文所公開的改進(jìn)的DOC過程來設(shè)計的。這種混合物的特征在于夾雜了空氣并且當(dāng)在固化之前處于潮濕條件下時具有大于8英寸的坍落度，并且在7天的固化之后具有4000psi的最小抗壓強(qiáng)度。所有重量是SSD。
注對4″的坍落度在工廠添加Glenium；對最小5％的空氣在工廠調(diào)整Daravair；如有必要則在現(xiàn)場添加加速劑并且之后立即在現(xiàn)場以額外的Glenium 3030來調(diào)整坍落度。
示例22 以下用于自流平混凝土混合物的配合比設(shè)計是使用本文所公開的改進(jìn)的DOC過程來設(shè)計的。這種混合物的特征在于夾雜了空氣并且當(dāng)在固化之前處于潮濕條件下時具有8英寸的坍落度，并且在7天固化之后具有4000psi的最小抗壓強(qiáng)度。所有重量是SSD。
注在工廠以配料水來添加Rheomac；對最小5％空氣在工廠調(diào)整Daravair；以Glenium 3030來現(xiàn)場調(diào)整坍落度。
本發(fā)明可以用其它具體形式來實施而不脫離其精神或本質(zhì)特征。所描述的實施例在所有方面都被認(rèn)為是說明性而非限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書而非以上描述來指示。落入權(quán)利要求書的等效技術(shù)方案的意義和范圍之內(nèi)的所有改變都包含在其范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于對一組給定原材料設(shè)計在比未優(yōu)化的配合比設(shè)計低的成本下具有期望強(qiáng)度和坍落度的優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的計算機(jī)實現(xiàn)的方法，所述方法包括
將與多種固體成分的顆粒尺寸和顆粒堆積密度有關(guān)的數(shù)據(jù)輸入到計算系統(tǒng)中；
將目標(biāo)強(qiáng)度和坍落度輸入到所述計算系統(tǒng)中；
將所選擇的用于確定由所述計算系統(tǒng)生成的多個混凝土配合比設(shè)計中的每一個的預(yù)測強(qiáng)度的設(shè)計K因子輸入到所述計算系統(tǒng)中，所述設(shè)計K因子是基于所述目標(biāo)強(qiáng)度從隨混凝土強(qiáng)度變化的多個不同K因子中選擇的；
所述計算系統(tǒng)設(shè)計具有變化的原材料量的多個混凝土配合比設(shè)計；
所述計算系統(tǒng)基于所選擇的設(shè)計K因子來確定每一混凝土配合比設(shè)計的預(yù)測強(qiáng)度；
所述計算系統(tǒng)確定每一混凝土配合比設(shè)計的預(yù)測坍落度；以及
所述計算系統(tǒng)將每一混凝土配合比設(shè)計的所述預(yù)測強(qiáng)度和坍落度與所述目標(biāo)強(qiáng)度和坍落度進(jìn)行比較，以標(biāo)識與所述多個配合比設(shè)計中的其它設(shè)計相比相對于強(qiáng)度和坍落度被更好地優(yōu)化的一個或多個混凝土配合比設(shè)計。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括
將與原材料成本有關(guān)的數(shù)據(jù)輸入到所述計算系統(tǒng)中；以及
所述計算系統(tǒng)標(biāo)識與所述多個混凝土配合比設(shè)計中的其它設(shè)計相比具有較低成本的一個或多個配合比設(shè)計。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所選擇的設(shè)計K因子解決了包括胺增強(qiáng)劑對混凝土強(qiáng)度的影響。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所選擇的設(shè)計K因子解決了包括粉煤灰或硅粉中的至少一個對混凝土強(qiáng)度的影響。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所選擇的設(shè)計K因子解決了使用特定拌合設(shè)備對混凝土強(qiáng)度的影響。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括
基于所選的混凝土配合比設(shè)計來制備混凝土測試樣本；
確定所述混凝土測試樣本的強(qiáng)度；以及
所述計算系統(tǒng)生成一新混凝土配合比設(shè)計，所述新混凝土配合比設(shè)計產(chǎn)生具有與所選的混凝土配合比設(shè)計相比更密切地相關(guān)到所述目標(biāo)強(qiáng)度的強(qiáng)度的混凝土混合物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括
基于所選的混凝土配合比設(shè)計制備混凝土測試樣本；
確定所述混凝土測試樣本的坍落度；以及
所述計算系統(tǒng)生成一新混凝土配合比設(shè)計，所述新混凝土配合比設(shè)計產(chǎn)生具有與所選擇的混凝土配合比設(shè)計相比更密切地相關(guān)到所述目標(biāo)坍落度的坍落度的混凝土混合物。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括
標(biāo)識由制造廠用于制造混凝土混合物的現(xiàn)有配合比設(shè)計；
基于使用所述現(xiàn)有配合比設(shè)計制造的混凝土混合物內(nèi)的設(shè)計強(qiáng)度以及各成分的比例來確定所述現(xiàn)有配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子；以及
所述計算系統(tǒng)根據(jù)權(quán)利要求1來設(shè)計具有大于所述現(xiàn)有配合比設(shè)計的表面設(shè)計K因子的設(shè)計K因子的一個或多個新配合比設(shè)計。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括
升級和/或重新校準(zhǔn)所述制造廠在制造混凝土?xí)r使用的設(shè)備，使得由所述制造廠使用所升級和/或重新校準(zhǔn)的設(shè)備制造的混凝土具有與在升級和/或重新校準(zhǔn)之前的先前的設(shè)備相比更密切地與設(shè)計強(qiáng)度相關(guān)的實際強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括
對于產(chǎn)生具有坍落度、強(qiáng)度以及水泥漿與骨料之比的混凝土混合物的給定混凝土配合比設(shè)計，所述計算系統(tǒng)通過更改所述水泥漿與骨料之比來設(shè)計具有經(jīng)修改的坍落度、但強(qiáng)度基本相似的經(jīng)修改的配合比設(shè)計。
11.一種使用根據(jù)如權(quán)利要求1-10中任一項所述的方法優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計來制造混凝土混合物的方法，所述混凝土混合物具有實質(zhì)上被優(yōu)化的原材料比例。
12.一種根據(jù)如權(quán)利要求11所述的方法制造的、具有實質(zhì)上經(jīng)優(yōu)化的原材料比例的混凝土混合物，其特征在于，所述混凝土混合物具有與使用一組給定原材料制造的較少優(yōu)化的混凝土混合物的表面設(shè)計K因子相比更為獨(dú)特的標(biāo)志性設(shè)計K因子。
13.一種根據(jù)如權(quán)利要求11所述的方法制造的、具有實質(zhì)上經(jīng)優(yōu)化的原材料比例的混凝土混合物，其特征在于，所述混凝土混合物具有與帶有相似強(qiáng)度但從一組不同原材料制造的混凝土的K因子相比對所述一組給定原材料獨(dú)特的標(biāo)志性K因子。
14.在用于對混凝土混合物進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的計算系統(tǒng)中，一種用于對一組給定原材料設(shè)計在比未優(yōu)化的配合比設(shè)計低的成本下具有期望強(qiáng)度和坍落度的優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的方法，所述方法包括
由所述計算系統(tǒng)接收與多種固體成分的顆粒尺寸和顆粒堆積密度有關(guān)的數(shù)據(jù)；
由所述計算系統(tǒng)接收目標(biāo)強(qiáng)度和坍落度；
由所述計算系統(tǒng)接收用于確定由所述計算系統(tǒng)生成的多個混凝土配合比設(shè)計的每一個的預(yù)測強(qiáng)度的所選擇的設(shè)計K因子，所述設(shè)計K因子是基于所述目標(biāo)強(qiáng)度從隨混凝土強(qiáng)度而變化的多個不同的K因子中選擇的；
所述計算系統(tǒng)設(shè)計具有變化的原材料量的多個混凝土配合比設(shè)計；
所述計算系統(tǒng)基于所選擇的設(shè)計K因子來確定每一混凝土配合比設(shè)計的預(yù)測強(qiáng)度；
所述計算系統(tǒng)確定每一混凝土配合比設(shè)計的預(yù)測坍落度；以及
所述計算系統(tǒng)將每一混凝土配合比設(shè)計的所述預(yù)測強(qiáng)度和坍落度與所述目標(biāo)強(qiáng)度和坍落度進(jìn)行比較，以標(biāo)識與所述多個配合比設(shè)計中的其它設(shè)計相比相對于強(qiáng)度和坍落度被更好地優(yōu)化的一個或多個混凝土配合比設(shè)計。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括
所述計算系統(tǒng)接收與原材料成本有關(guān)的數(shù)據(jù)；以及
所述計算系統(tǒng)標(biāo)識與多個假設(shè)配合比設(shè)計中的其它設(shè)計相比具有更低成本的一個或多個配合比設(shè)計。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所選擇的設(shè)計K因子解決了包括胺增強(qiáng)劑、粉煤灰或硅粉中的至少一個和/或使用特定拌合設(shè)備對混凝土強(qiáng)度的影響。
17.一種包含用于實現(xiàn)如權(quán)利要求14-16中的任一項所述的方法的可執(zhí)行指令的計算機(jī)程序產(chǎn)品。
18.一種用于對現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計以產(chǎn)生在與所述現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計相比更低的成本下確保特定最小強(qiáng)度和坍落度的更好優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的計算機(jī)實現(xiàn)的方法，所述方法包括
標(biāo)識具有初始成分比例、設(shè)計強(qiáng)度以及基于強(qiáng)度變化的表面設(shè)計K因子的現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計；以及
所述計算系統(tǒng)使用高于所述現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計的表面K因子、并更密切地對應(yīng)于與所述設(shè)計強(qiáng)度相對應(yīng)并基于其來選擇的最優(yōu)K因子的經(jīng)修正的設(shè)計K因子，來設(shè)計具有經(jīng)修正的成分比例的經(jīng)修正的混凝土配合比設(shè)計。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，使用所述經(jīng)修正的混凝土配合比設(shè)計來制造的混凝土混合物具有與使用所述現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計制造的混凝土混合物相比更一致地對應(yīng)于所述設(shè)計強(qiáng)度的實際強(qiáng)度。
20.一種使用根據(jù)如權(quán)利要求18所述的方法重新設(shè)計的混凝土配合比設(shè)計來制造混凝土混合物的方法，所述混凝土混合物具有與使用所述現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計制造的混凝土混合物相比被更好地優(yōu)化的原材料比例，以在與使用所述現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計制造的混凝土混合物相比更低的成本下具有所述特定最小強(qiáng)度和坍落度。
21.一種根據(jù)如權(quán)利要求20所述的方法制造的混凝土混合物。
22.如權(quán)利要求21所述的混凝土混合物，其特征在于，所述混凝土混合物具有高于使用所述現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計來制造的混凝土混合物的表面設(shè)計K因子、并與對應(yīng)于所述設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)K因子更密切相關(guān)的標(biāo)志性設(shè)計K因子。
23.在從一組給定的原材料和/或處理變量制造混凝土的混凝土制造廠中，一種包括由所述制造廠制造的經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的物質(zhì)混合物，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物具有通過將水凝水泥、骨料、水和一個或多個可任選成分的經(jīng)優(yōu)化的組合拌合在一起而實現(xiàn)的最小坍落度和強(qiáng)度，所述經(jīng)優(yōu)化的組合是使用一優(yōu)化過程來確定的，在所述優(yōu)化過程中，使用在Feret強(qiáng)度公式中使用的、對應(yīng)于所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計強(qiáng)度的、并從對于所述一組給定原材料和/或處理變量的基于強(qiáng)度變化的多個K因子中選擇的設(shè)計K因子，對先前由所述制造廠使用的現(xiàn)有配合比設(shè)計進(jìn)行重新設(shè)計和優(yōu)化，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計K因子是將所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物從使用所述現(xiàn)有配合比設(shè)計制造的較少優(yōu)化的混凝土混合物中區(qū)分出來的標(biāo)志。
24.如權(quán)利要求23所述的物質(zhì)混合物，其特征在于，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物與由具有其自己的一組獨(dú)特的原材料和/或處理變量的任何其它制造廠制造的混凝土混合物相比是獨(dú)特。
25.在從一組獨(dú)特的原材料和/或處理變量制造混凝土的混凝土制造廠中，一種包括由所述制造廠制造的經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的物質(zhì)混合物，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物具有通過將水凝水泥、骨料、水和一個或多個可任選成分的經(jīng)優(yōu)化的組合拌合在一起而實現(xiàn)的最小坍落度和強(qiáng)度，所述經(jīng)優(yōu)化的組合是使用一優(yōu)化過程來確定的，在所述優(yōu)化過程中，利用在Feret強(qiáng)度公式中使用的、對應(yīng)于所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計強(qiáng)度的、并從基于強(qiáng)度變化并對應(yīng)于所述一組獨(dú)特的原材料和/或處理變量的多個K因子中選擇的設(shè)計K因子，來設(shè)計一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的設(shè)計K因子是將所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物從使用與所述制造廠采用的所述一組獨(dú)特的原材料和/或處理變量不同的原材料和處理變量來制造的任何其它混凝土混合物中區(qū)分出來的標(biāo)志。
26.在制造具有不同設(shè)計強(qiáng)度的多種不同混凝土混合物的現(xiàn)有混凝土制造廠中，一種制造具有與其各自的設(shè)計強(qiáng)度更密切相關(guān)的實際強(qiáng)度的改進(jìn)的混凝土混合物的方法，所述方法包括
標(biāo)識所述混凝土制造廠的需要更好優(yōu)化的多個現(xiàn)有混凝土配合比設(shè)計，其中所述配合比設(shè)計中的至少兩個具有不同的設(shè)計強(qiáng)度；
選擇用于設(shè)計更好優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計的多個不同的設(shè)計K因子，其中所述不同的設(shè)計K因子與不同的所選設(shè)計強(qiáng)度相關(guān)并基于其變化；
使用所述多個不同設(shè)計K因子來設(shè)計與所述現(xiàn)有配合比設(shè)計相比具有新的或經(jīng)修正的成分比例的多個新的或經(jīng)修正的混凝土配合比設(shè)計；以及
基于所述新的或經(jīng)修正的混凝土配合比設(shè)計，制造具有與先前使用所述現(xiàn)有配合比設(shè)計制造的現(xiàn)有混凝土混合物相比與其各自的設(shè)計強(qiáng)度更密切相關(guān)的實際強(qiáng)度的經(jīng)修正的混凝土混合物，
其中所述經(jīng)修正的混凝土混合物在與所述現(xiàn)有混凝土混合物相比更低的成本下確保特定的最小強(qiáng)度和坍落度。
27.如權(quán)利要求26所述的制造經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括通過在所述一個或多個混凝土混合物內(nèi)添加或更改摻合料的量來對所述經(jīng)修正的混凝土混合物中的一個或多個進(jìn)行坍落度調(diào)整。
28.如權(quán)利要求26所述的制造改進(jìn)的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括升級和/或調(diào)整所述制造廠利用的生產(chǎn)設(shè)備，使得每一成分以約±2.0％的準(zhǔn)確度來稱重或測量。
29.如權(quán)利要求26所述的制造改進(jìn)的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括監(jiān)控固體成分的濕氣含量，并基于所檢測到的所述固體成分中濕氣含量的變化來更改用于制造混凝土混合物的所測量的固體成分量以及所添加的配料水量。
30.如權(quán)利要求26所述的制造改進(jìn)的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括使用混凝土拌合車來運(yùn)送混凝土混合物，所述混凝土拌合車包括包含更改坍落度的摻合料的容器；以及計量所選量的摻合料到承載所述混凝土混合物的拌合鼓筒中以按期望方式來更改坍落度。
31.一種根據(jù)如權(quán)利要求26-30中的任一項所述的方法來制造的混凝土混合物。
32.在具有一組給定原材料成分的混凝土制造廠中，一種制造經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的方法，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物具有與從所述一組給定原材料成分制造的較少優(yōu)化的混凝土混合物相比更密切地反映其預(yù)測或設(shè)計強(qiáng)度的實際強(qiáng)度，所述方法包括
提供多個經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計具有利用不同設(shè)計K因子來設(shè)計的不同設(shè)計強(qiáng)度，其中每一不同的設(shè)計K因子至少部分地基于其各自的設(shè)計強(qiáng)度來選擇；以及
基于所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計來制造多個經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物，每一經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物具有經(jīng)優(yōu)化的成分比例，以具有與從所述一組給定原材料成分制造的較少優(yōu)化的混凝土混合物相比更密切反映其預(yù)測或設(shè)計強(qiáng)度的實際強(qiáng)度。
33.如權(quán)利要求32所述的制造經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括通過在所述一個或多個混凝土混合物內(nèi)添加或更改摻合料的量來對所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物中的一個或多個進(jìn)行坍落度調(diào)整。
34.如權(quán)利要求32所述的制造改進(jìn)的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括以約±2.0％的準(zhǔn)確度來稱重或測量每一混凝土混合物的成分。
35.如權(quán)利要求32所述的制造改進(jìn)的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括監(jiān)控固體成分的濕氣含量，并基于檢測到的所述固體成分中濕氣含量的變化來更改用于制造混凝土混合物的所測量的固體成分量和所添加的配料水量。
36.如權(quán)利要求32所述的制造改進(jìn)的混凝土混合物的方法，其特征在于，還包括使用混凝土拌合車來拌合所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物中的一個或多個，所述混凝土拌合車包括包含用于調(diào)整坍落度的摻合料的容器；以及計量所選量的摻合料到承載所述混凝土混合物的拌合鼓筒中以按期望方式更改坍落度。
37.一種根據(jù)如權(quán)利要求32-36中任一項所述的方法制造的混凝土混合物。
38.在從一組給定原材料制造混凝土的混凝土制造廠中，一種包括由所述制造廠制造的多個經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的混凝土建筑系統(tǒng)，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物中的至少兩個具有不同的設(shè)計強(qiáng)度，所述多個經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物中的每一個都具有通過將水凝水泥、骨料、水和一個或多個可任選成分的經(jīng)優(yōu)化的組合拌合在一起而實現(xiàn)的確保的最小坍落度和強(qiáng)度，所述經(jīng)優(yōu)化的組合是使用一用于設(shè)計由所述制造廠用于制造所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計的優(yōu)化過程來確定的，每一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計是使用在Feret強(qiáng)度公式內(nèi)使用的、對應(yīng)于所述經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計的設(shè)計強(qiáng)度的、并從基于強(qiáng)度變化的多個K因子中選擇的設(shè)計K因子來設(shè)計的，每一經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物具有將其從具有不同設(shè)計強(qiáng)度的所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物中的至少一個其它混合物中區(qū)分出來的標(biāo)志性設(shè)計K因子。
39.如權(quán)利要求38所述的混凝土建筑系統(tǒng)，其特征在于，每個所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的標(biāo)志性K因子將所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物與從所述一組給定原材料制造的較少優(yōu)化的混凝土混合物區(qū)分開。
40.如權(quán)利要求38所述的混凝土建筑系統(tǒng)，其特征在于，所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物的標(biāo)志性K因子將所述經(jīng)優(yōu)化的混凝土混合物從不同于所述制造廠使用的一組給定原材料的原材料制造的混凝土混合物區(qū)分開來。
41.一種在不必(i)制備混凝土測試樣本，(ii)允許其硬化，(iii)測試其實際強(qiáng)度，以及(iv)將所述測試樣本的實際強(qiáng)度與給定設(shè)計強(qiáng)度進(jìn)行比較的情況下確定具有所述給定設(shè)計強(qiáng)度和給定成分比例的現(xiàn)有混凝土混合物是否被超裕度設(shè)計的方法，所述方法包括
基于所述混凝土混合物的給定設(shè)計強(qiáng)度和所述混凝土混合物內(nèi)的給定成分比例來確定所述現(xiàn)有混凝土混合物的表面設(shè)計K因子；以及
將所述表面設(shè)計K因子與對應(yīng)于所述給定設(shè)計強(qiáng)度、并從隨變化的混凝土強(qiáng)度而變化的多個不同K因子中選擇的更好的最優(yōu)K因子進(jìn)行比較。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括通過確定所述現(xiàn)有混凝土混合物的表面設(shè)計K因子與所選擇的K因子之間的偏差來確定所述現(xiàn)有混凝土混合物被超裕度設(shè)計了多少。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括借助一優(yōu)化過程來對所述現(xiàn)有混凝土混合物進(jìn)行重新設(shè)計，所述優(yōu)化過程利用了與所述給定設(shè)計強(qiáng)度的最優(yōu)K因子更密切相關(guān)的經(jīng)修正的K因子，其中所述優(yōu)化過程產(chǎn)生具有與所述現(xiàn)有混凝土混合物相比與所述設(shè)計強(qiáng)度更密切相關(guān)的實際強(qiáng)度的經(jīng)修正的混凝土混合物。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括制造所述經(jīng)修正的混凝土混合物。
45.一種根據(jù)如權(quán)利要求44所述的方法制造的經(jīng)修正的混凝土混合物。
46.如權(quán)利要求45所述的經(jīng)修正的混凝土混合物，其特征在于，所述經(jīng)修正的混凝土混合物具有將其從所述現(xiàn)有混凝土混合物區(qū)分出來的標(biāo)志性設(shè)計K因子。
47.一種在不顯著更改強(qiáng)度的情況下修改從一組給定成分制造的混凝土混合物以調(diào)整坍落度的計算機(jī)實現(xiàn)的方法，包括
標(biāo)識根據(jù)一經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計來制造的現(xiàn)有混凝土混合物，所述經(jīng)優(yōu)化的配合比設(shè)計指定了特定的成分比例，包括水泥漿與骨料之比，以實現(xiàn)期望的強(qiáng)度和坍落度；
將與一種或多種類型的骨料的顆粒尺寸和顆粒堆積密度有關(guān)的數(shù)據(jù)輸入到計算系統(tǒng)中；以及
所述計算系統(tǒng)在與所述現(xiàn)有混凝土混合物相比不顯著更改經(jīng)修正的混凝土混合物的強(qiáng)度的情況下，設(shè)計產(chǎn)生具有期望坍落度的經(jīng)修正的混凝土混合物的、具有經(jīng)修正的水泥漿與骨料之比的經(jīng)修正的混凝土配合比設(shè)計。
48.如權(quán)利要求47所述的計算機(jī)實現(xiàn)的方法，其特征在于，所述計算系統(tǒng)還調(diào)整用于制造所述經(jīng)修正的混凝土混合物的每一成分的量，以產(chǎn)生所需量的經(jīng)修正的混凝土混合物。
49.一種根據(jù)如權(quán)利要求47或48的方法制造的混凝土混合物。
全文摘要
一種可用于以最小的成本設(shè)計具有包括期望強(qiáng)度和坍落度的經(jīng)優(yōu)化的特性的混凝土拌合料的設(shè)計優(yōu)化方法。該設(shè)計優(yōu)化方法使用能夠利用數(shù)學(xué)算法來設(shè)計和虛擬地“測試”上百萬種假設(shè)混凝土混合物的計算機(jī)實現(xiàn)的過程，該數(shù)學(xué)算法將影響強(qiáng)度、坍落度、成本和其它期望特征的多種變量相關(guān)聯(lián)。該設(shè)計優(yōu)化過程對任何一組給定原材料輸入和處理設(shè)備，利用Feret強(qiáng)度公式中隨混凝土強(qiáng)度(例如，呈對數(shù)地)變化的常數(shù)K(或K因子)。這意味著水凝水泥的粘合效率或有效性隨濃度的增加而增加，只要該混凝土保持被優(yōu)化。關(guān)于K因子如何隨粘合效率以及強(qiáng)度而變化的知識是可在多種情況下應(yīng)用的強(qiáng)大工具?；炷林圃爝^程可包括在整個制造和運(yùn)送過程中準(zhǔn)確地測量原材料以最小化預(yù)測和實際強(qiáng)度之間的變化、以及仔細(xì)地控制水的含量。
文檔編號G05B21/00GK101278245SQ200680021772
公開日2008年10月1日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者P·J·安德森, S·K·胡德森 申請人:愛水泥有限公司