一种混凝土配合比的成本优化模型和成本优化方法

摘要

本发明的混凝土配合比的成本优化模型和成本优化方法属于建筑施工技术领域，该模型为梯形，梯形的上底和下底之间连接有与梯形的中位线垂直的用量调整线，用量调整线和中位线将梯形分隔成四个区域，从右下角开始，沿逆时针方向，四个区域分别代表碎石的用量、砂的用量、矿物掺合料的用量和水泥的用量。本发明通过调整混凝土中各原材料用量比例，实现在保障混凝土质量的前提下实现成本最优化。该方法充分考虑了混凝土配合比的比表面积理论、胶骨比、砂率等，突破了经验束缚，具有较强的科学严谨性。可根据混凝土各原材料的价格最大限度的实现混凝土配合比成本优化求。该方法为混凝土拌和站进行成本优化提供了规范化的程式，便于大规模推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，具体为一种混凝土配合比的成本优化模型和成本优化方法。

背景技术

混凝土作为当前主要的建筑材料，其成本对建筑的施工成本具有重大影响。在保证混凝土质量的前提下，如何进行混凝土成本的优化，是行业内一个长期以来存在的难题。但是目前主要是通过经验手段提高碎石的用量、降低水泥用量，并没有比较成熟规范的成本优化方法，来精确优化混凝土成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混凝土配合比的成本优化模型和成本优化方法，以解决上述技术问题。

为此，本发明提供一种混凝土配合比的成本优化模型，该成本优化模型为梯形，梯形的上底和下底之间连接有与梯形的中位线垂直的用量调整线，所述用量调整线和中位线将梯形分隔成四个区域，从右下角开始，沿逆时针方向，四个区域分别代表碎石的用量、砂的用量、矿物掺合料的用量和水泥的用量。

另外，本发明还提供了一种混凝土配合比的成本优化方法，包括以下步骤：

S1、根据已有的符合规范要求的混凝土配合比，确定混凝土中碎石的用量、砂的用量、水泥的用量、矿物掺合料的用量、胶骨比和初始砂率；

S2、建立如上所述的混凝土配合比的成本优化模型；

S3、保持混凝土的水胶比为固定值，将用量调整线向左移动、或将用量调整线向左移动后并将用量调整线绕用量调整线与中位线的交点转动，确定碎石的用量、砂的用量、水泥的用量、矿物掺合料的用量、胶骨比和调整后砂率；

S4、确定成本优化后的混凝土配合比。

优选地，S3中如果砂的单价＞碎石的单价、或者碎石的单价＞砂的单价并且(水泥的单价-矿物掺和料的单价)＞(碎石的单价-砂的单价)，将用量调整线先向左移动，然后将用量调整线绕用量调整线与中位线的交点顺时针转动。

优选地，S3中如果碎石的单价＞砂的单价，并且(水泥单价-矿物掺和料单价)＝(碎石单价-砂单价)，将用量调整线向左移动。

优选地，S3中如果碎石的单价＞砂的单价，并且(水泥单价-矿物掺和料单价)＜(碎石单价-砂单价)，将用量调整线先向左移动，然后将用量调整线绕用量调整线与中位线的交点逆时针转动。

优选地，如果S4中确定的混凝土配合比中水泥用量低于最低水泥用量要求时，应将规范要求的最低水泥用量作为水泥的用量，反推砂率，并确定成本优化后的混凝土配合比，具体包括如下步骤：

S41、将规范要求的最低水泥用量作为水泥的用量，计算S3中调整后的水泥的用量与规范要求的最低水泥用量的差值x，得到砂的用量的增加值x；

S42、计算S3中调整后的砂的用量与S41中砂的用量的增加值x的差值，得到按照规范要求的最低水泥用量的砂的用量；

S43、确定成本优化后的混凝土配合比。

优选地，S3中，将用量调整线绕用量调整线与中位线的交点转动时，对于C15-C30混凝土来说，砂率的变化不超过0.02；对于C35-C50混凝土来说，砂率的变化不超过0.01。

优选地，S3中将用量调整线向左移动时，胶骨比的变化不超过0.01，砂率的变化范围在0.005以内。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：

(1)本发明设计了一种混凝土配合比的成本优化模型，并根据该成本优化模型设计了一种混凝土配合比的成本优化方法，通过调整混凝土中各原材料用量比例，实现在保障混凝土质量的前提下，达到成本最优化的目标。该方法充分考虑了混凝土配合比的比表面积理论、胶骨比、砂率等参数，突破了经验束缚、具有较强的科学严谨性。

(2)本发明设计的混凝土配合比的成本优化方法，可根据混凝土各原材料的价格，最大限度的满足混凝土配合比成本优化的要求。该方法为混凝土拌和站进行成本优化提供了规范化的程式，便于大规模推广应用。

附图说明

图1为混凝土配合比的成本优化模型的示意图。

图2为混凝土配合比的成本优化方法的流程示意图。

图3为实施例一中用量调整线向左移动的示意图。

图4为实施例二中用量调整线先向左移动，然后逆时针转动的示意图。

图5为实施例三或实施例四中用量调整线先向左移动，然后顺时针转动的示意图。

附图标注：1-用量调整线、2-中位线、3-上底、4-下底。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相同的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在保证混凝土质量的前提下，如何进行混凝土成本的优化，是行业内一个长期以来存在的难题。本发明给出一种混凝土配合比成本优化方法，通过调整混凝土中各原材料用量比例，实现在保障混凝土质量的前提下，达到成本最优化的目标。

为此，本发明公开了一种混凝土配合比的成本优化模型。如图1所示，该成本优化模型为梯形，梯形的上底3和下底4之间连接有与梯形的中位线2垂直的用量调整线1，用量调整线1和中位线2将梯形分隔成四个区域，从右下角开始，沿逆时针方向，四个区域分别代表碎石的用量、砂的用量、矿物掺合料的用量和水泥的用量。

该成本优化模型仅考虑碎石、砂、矿物掺合料、水泥四种主要成分的用量。用量调整线1的左侧为胶材，包括矿物掺合料、水泥两种材料，其价格相对较高。用量调整线1的右侧为骨料，包括碎石和砂两种材料，其价格相对较低。成本优化模型通过用量调整线1的运动，实现对四种成分用量的调整，进而调整混凝土整体成本。用量调整线1在运动时，四种成分的总量不变。此外，为了保障混凝土质量，应保持被调整混凝土的水胶比不变。

如图2所示，基于上述混凝土配合比的成本优化模型，本发明还公开了一种混凝土配合比的成本优化方法，包括以下步骤：

S1、根据已有的符合规范要求的混凝土配合比，确定混凝土中碎石的用量、砂的用量、水泥的用量、矿物掺合料的用量、胶骨比和初始砂率；

S2、建立如上的混凝土配合比的成本优化模型；

S3、保持混凝土的水胶比为固定值，将用量调整线1向左移动、或将用量调整线1向左移动后并将用量调整线1绕用量调整线1与中位线2的交点转动，确定碎石的用量、砂的用量、水泥的用量、矿物掺合料的用量、胶骨比和调整后砂率；

S4、确定成本优化后的混凝土配合比。

具体地，S3中如果砂的单价＞碎石的单价、或者碎石的单价＞砂的单价并且(水泥的单价-矿物掺和料的单价)＞(碎石的单价-砂的单价)，将用量调整线1先向左移动，然后将用量调整线1绕用量调整线1与中位线2的交点顺时针转动。

S3中如果碎石的单价＞砂的单价，并且(水泥单价-矿物掺和料单价)＝(碎石单价-砂单价)，将用量调整线1向左移动。

S3中如果碎石的单价＞砂的单价，并且(水泥单价-矿物掺和料单价)＜(碎石单价-砂单价)，将用量调整线1先向左移动，然后将用量调整线1绕用量调整线1与中位线2的交点逆时针转动。

如果S4中确定的混凝土配合比中水泥用量低于最低水泥用量要求时，应将规范要求的最低水泥用量作为水泥的用量，反推砂率，并确定成本优化后的混凝土配合比。反推过程具体包括如下步骤：

S41、将规范要求的最低水泥用量作为水泥的用量，计算S3中调整后的水泥的用量与规范要求的最低水泥用量的差值x，得到砂的用量的增加值x。因为用量调整线1是绕用量调整线1与中位线2的交点顺时针转动的，所以水泥用量的变化与砂用量的变化、碎石用量的变化是相等的。

S42、计算S3中调整后的砂的用量与S41中砂的用量的增加值x的差值，得到按照规范要求的最低水泥用量的砂的用量。砂率＝(S3得到的砂用量-x)/(S3得到的砂、碎石总量)。

S43、确定成本优化后的混凝土配合比。

本发明公开的成本优化模型主要有两个限制性因素：1胶骨比；2砂率。两个限制性因素的允许变化范围，见表1。

表1.两种限制性因素的允许变化范围

如表1所示，C15-C55混凝土胶骨比变化均不超过0.01；C15-C30混凝土砂率变化应不大于0.02,C35-C50混凝土砂率变化应不大于0.01，C55混凝土不建议进行砂率调整。

此外，本发明公开的成本优化中，当调整幅度越大时，混凝土质量的保证率越低。当满足表1的允许范围时，混凝土质量的保证率为96％。在实际操作中，可根据实际情况，对实际成本优化的限制参数在表1区间内灵活取值。如胶骨比降低量可取0.002、0.004，只要小于0.01即可。

实施例一

如图3所示，如果碎石的单价＞砂的单价，并且(水泥单价-矿物掺和料单价)＝(碎石单价-砂单价)，将用量调整线1向左移动。这种情况下，将用量调整线1向左移动时，胶骨比的降低不超过0.01，砂率基本保持不变，砂率的变化范围在0.005以内。

这种方式实质上是对混凝土配合比中的胶骨比的调整，降低左侧高价材料用量，提升右侧低价材料用量。

当用量调整线1向左平移时，四种材料的变化量是完全相等的，即，水泥用量减少量＝矿物掺合料减少量＝砂增加量＝碎石增加量。此变化的实质为：由于初始砂用量＜初始碎石用量，初始水泥用量＞初始矿物掺合料用量，所以砂用量的增加比例＞碎石用量的增加比例，水泥用量的减少比例＜矿物掺合料用量的减少比例。因为在混凝土材料中，水泥比表面积＞矿物掺合料比表面积＞砂比表面积＞碎石比表面积。所以这种等量变化能够较大程度的弥补因材料变化引起的潜在的混凝土质量损失，符合混凝土配合比设计的比表面积理论。

另外通过此调整之后，混凝土配合比中的砂率将微弱增大。

如果S4中确定的混凝土配合比中水泥用量低于最低水泥用量要求时，应将规范要求的最低水泥用量作为水泥的用量，反推砂率，并确定成本优化后的混凝土配合比。反推过程具体包括如下步骤：

S41、将规范要求的最低水泥用量作为水泥的用量，计算S3中调整后的水泥的用量与规范要求的最低水泥用量的差值x，得到砂的用量的增加值x。因为用量调整线1是绕用量调整线1与中位线2的交点顺时针转动的，所以水泥用量的变化与砂用量的变化、碎石用量的变化是相等的。

S42、计算S3中调整后的砂的用量与S41中砂的用量的增加值x的差值，得到按照规范要求的最低水泥用量的砂的用量。砂率＝(S3得到的砂用量-x)/(S3得到的砂、碎石总量)。

S43、确定成本优化后的混凝土配合比。

具体以已知的C30混凝土为例，其配合比为水泥：矿物掺合料(粉煤灰)：砂：碎石：水＝267：101：817：1053：149。该配合比水胶比为0.4，胶骨比为0.2，砂率为0.44。成本优化如下：

1、四种组分的总用量＝267+101+817+1053＝2238kg。

2、令胶骨比＝0.2-0.01＝0.19，则骨料总量＝1880kg，胶材总量＝358kg。每种材料变化量＝(1880-817-1053)/2＝5kg。可得到，水泥用量＝262kg，粉煤灰用量＝96kg，碎石用量＝1058kg，砂用量＝822kg。

3、得到成本优化后的C30混凝土配合比。

水泥：粉煤灰：砂：碎石＝262：96：822：1058。

实施例二

如图4所示，碎石的单价＞砂的单价，并且(水泥单价-矿物掺和料单价)＜(碎石单价-砂单价)，将用量调整线1先向左移动，然后将用量调整线1绕用量调整线1与中位线2的交点逆时针转动。

如成本优化后，混凝土配合比不符合最低水泥用量要求，则应按照最低水泥用量S3调整后的砂率进行反推。根据基本数学原理可知，反推结果，必然是符合表1要求的。具体反推方法与实施例一相同。

具体以已知的C30混凝土为例，其配合比为水泥：矿物掺合料(粉煤灰)：砂：碎石：水＝267：101：817：1053：149。该配合比水胶比为0.4，胶骨比为0.2，砂率为0.44。成本优化如下：

1、四种组分的总用量＝267+101+817+1053＝2238kg。

2、令胶骨比＝0.2-0.01＝0.19，则骨料总量＝1880kg，胶材总量＝358kg。每种材料变化量＝(1880-817-1053)/2＝5kg。可得到，水泥用量＝262kg，粉煤灰用量＝96kg，碎石用量＝1058kg，砂用量＝822kg。

3、将用量调整线1逆时针转动，将砂率调整为0.44+0.02＝0.46。

骨料总量为1880kg，砂率为0.46，可得砂用量＝865kg，碎石用量1015kg。

各材料变化量为1058-1015＝43kg。由此得到粉煤灰用量＝53kg，水泥用量为305kg。

4、得到成本优化后的C30混凝土配合比。

水泥：粉煤灰：砂：碎石＝305：53：865：1015。

实施例三

如图5所示，如果碎石的单价＞砂的单价并且(水泥的单价-矿物掺和料的单价)＞(碎石的单价-砂的单价)，将用量调整线1先向左移动，然后将用量调整线1绕用量调整线1与中位线2的交点顺时针转动。

如成本优化后，混凝土配合比不符合最低水泥用量要求，则应按照最低水泥用量S3调整后的砂率进行反推。根据基本数学原理可知，反推结果，必然是符合表1要求的。具体反推方法与实施例一相同。

具体以已知的C30混凝土为例，其配合比为水泥：矿物掺合料(粉煤灰)：砂：碎石：水＝267：101：817：1053：149。该配合比水胶比为0.4，胶骨比为0.2，砂率为0.44。成本优化如下：

1、四种组分的总用量＝267+101+817+1053＝2238kg。

2、令胶骨比＝0.2-0.01＝0.19，则骨料总量＝1880kg，胶材总量＝358kg。每种材料变化量＝(1880-817-1053)/2＝5kg。可得到，水泥用量＝262kg，粉煤灰用量＝96kg，碎石用量＝1058kg，砂用量＝822kg。

3、将用量调整线1顺时针转动，将砂率调整为0.44-0.02＝0.42。

骨料总量为1880kg，砂率为0.42，可得砂用量＝790kg，碎石用量1090kg。

各材料变化量为1090-1058＝32kg。由此得到粉煤灰用量＝128kg，水泥用量为230kg。

4、得到成本优化后的C30混凝土配合比。

水泥：粉煤灰：砂：碎石＝230：128：790：1090。

实施例四

如图5所示，如果砂的单价＞碎石的单价，将用量调整线1先向左移动，然后将用量调整线1绕用量调整线1与中位线2的交点顺时针转动。如成本优化后，混凝土配合比不符合最低水泥用量要求，则应按照最低水泥用量S3调整后的砂率进行反推。根据基本数学原理可知，反推结果，必然是符合表1要求的。具体反推方法与实施例一相同。

具体以已知的C30混凝土为例，其配合比为水泥：矿物掺合料(粉煤灰)：砂：碎石：水＝267：101：817：1053：149。该配合比水胶比为0.4，胶骨比为0.2，砂率为0.44。成本优化如下：

1、四种组分的总用量＝267+101+817+1053＝2238kg。

2、令胶骨比＝0.2-0.01＝0.19，则骨料总量＝1880kg，胶材总量＝358kg。每种材料变化量＝(1880-817-1053)/2＝5kg。可得到，水泥用量＝262kg，粉煤灰用量＝96kg，碎石用量＝1058kg，砂用量＝822kg。

3、将用量调整线1顺时针转动，将砂率调整为0.44-0.02＝0.42。

骨料总量为1880kg，砂率为0.42，可得砂用量＝790kg，碎石用量1090kg。

各材料变化量为1090-1058＝32kg。由此得到粉煤灰用量＝128kg，水泥用量为230kg。

4、得到成本优化后的C30混凝土配合比。

水泥：粉煤灰：砂：碎石＝230：128：790：1090。

至此，已经详细描述了本公开。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。