水利水電工程混凝土材料成本優(yōu)化研究

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0引言近年來，我國洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，且面臨水資源短缺、水污染和水土流失等一系列水問題。為有效解決這些問題，我國大力開展水利水電工程。水利水電工程的建設(shè)不僅直接關(guān)系到我國國民經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展，而且關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。只有不斷提高水利水電工程的施工質(zhì)量、優(yōu)化其施工成本，才能確保水利水電工程最大化發(fā)揮效用。混凝土材料在水利水電工程建設(shè)中扮演著重要的角色，對其各方面進(jìn)行分析可以有效促進(jìn)水利水電工程成本的優(yōu)化。

1常見典型混凝土的特點(diǎn)

1.1硅粉混凝土

相比于普通混凝土，硅粉混凝土具有較高的強(qiáng)度和耐久性，但其水泥用量較大、水膠比小且不易泌水，容易發(fā)生塑性收縮，具有早期干縮率大，體積易變形等缺點(diǎn)。硅粉混凝土在施工中常常會(huì)發(fā)生早期開裂問題。為彌補(bǔ)硅粉混凝土存在的缺陷，可以考慮在配合比設(shè)計(jì)階段，用粉煤灰和高效減水劑等活性礦物料來代替部分水泥，在滿足各項(xiàng)要求的前提下，盡可能減少水泥的用量。此外，還可以通過降低混凝土絕熱升溫，以減輕溫度控制的負(fù)擔(dān)，降低混凝土開裂的幾率。粉煤灰和高效減水劑的加入，可以顯著提高硅粉混凝土的流動(dòng)性和和易性，從而使其達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2聚丙烯纖維混凝土

聚丙烯纖維混凝土不僅可以有效防止混凝土澆筑后期的硬化，而且可以有效減少由于水分散失會(huì)泌水等而引起的混凝土開裂和塑性收縮問題，還可以減少混凝土硬化后期極易產(chǎn)生的裂縫與由溫度變化所造成的微裂紋，具有改善混凝土抗凍、防滲和耐久性等性能的特點(diǎn)。另外，在聚丙烯纖維混凝土中，大量纖維隨機(jī)分布于混凝土結(jié)構(gòu)中，使得混凝土結(jié)構(gòu)的韌性、強(qiáng)度和抗變形能力等都得到了顯著的提高。同時(shí)，其還具有較高的粘稠性，可有效改善噴射混凝土的性能。聚丙烯纖維混凝土所具有的良好性價(jià)比使得其得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土近年來在水利水電工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它具有較高的初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。在混凝土中加入適量的鋼纖維，可以有效改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能，也可以改變混凝土的破壞形態(tài)。鋼纖維混凝土的摻量及質(zhì)量具有明確的規(guī)定，在生產(chǎn)過程中，必須嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

2混凝土材料在水利水電工程施工中存在的問題

2.1拌合問題

混凝土在拌合階段，混合料的質(zhì)量對混凝土的質(zhì)量具有巨大的影響。其中水泥和骨料是影響混凝土質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵原料。在實(shí)際施工當(dāng)中，很多施工單位為追求利益最大化，而購買價(jià)格相對低廉的混凝土混合料。這些價(jià)格相對低廉的混合料往往在質(zhì)量方面具有很大的不確定性，質(zhì)量難以得到有效的保證，且強(qiáng)度通常也難以滿足施工要求。同時(shí)，在水泥等混合料缺乏有效的防水措施情況下，混凝土的質(zhì)量就會(huì)降低。此外，一些施工單位對骨料顆粒的大小沒有進(jìn)行嚴(yán)格的控制，也沒有按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將其分級，從而嚴(yán)重影響了混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量。

2.2施工問題

混凝土在施工過程中，主要包含澆筑、拆模和養(yǎng)護(hù)等過程，其各個(gè)施工環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)性程度，對混凝土施工的總體質(zhì)量具有重要的影響。水利水電工程的建設(shè)依據(jù)不同的施工地點(diǎn)和施工要求而存在多種類型的構(gòu)造，且不同的構(gòu)造具有不同的功能，混凝土的施工質(zhì)量和施工工藝等都決定著水利水電工程的最終質(zhì)量。由于水利水電工程包括很多分工程，且很多分工程必須同時(shí)施工，這就造成了混凝土作業(yè)面的狹窄性，加之混凝土機(jī)械化水平不高等因素影響，使得混凝土施工質(zhì)量存在嚴(yán)重的波動(dòng)性。

3水利水電工程混凝土材料施工特點(diǎn)

根據(jù)水利水電工程的施工特點(diǎn)，在要求混凝土結(jié)構(gòu)必須具備一定強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮其所處的位置，以對其防滲水、抗震、防凍和耐久性等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。一般情況下，水利水電工程施工規(guī)模都比較大、工期長，并且在其施工過程中，針對不同位置的混凝土結(jié)構(gòu)也具有不同的要求，所以應(yīng)特別重視大規(guī)?；炷潦┕み^程中產(chǎn)生的各種問題。裂縫和凍害作為混凝土施工中最常出現(xiàn)的兩種問題，施工單位應(yīng)對其給予高度的重視，并采取有效措施防止其在大規(guī)模混凝土施工中出現(xiàn)?；炷两Y(jié)構(gòu)的施工會(huì)貫穿整個(gè)工程的始終。在某些情況下，為趕施工進(jìn)度，常會(huì)發(fā)生混凝土施工與其他工程交叉施工的現(xiàn)象，但仍需要花費(fèi)較長的時(shí)間。在水利水電工程實(shí)際施工中，由于受諸多因素影響而導(dǎo)致工程間斷是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，這就要求混凝土必須具有相應(yīng)的強(qiáng)度，并進(jìn)行科學(xué)的耐久性設(shè)計(jì)。

4水利水電工程混凝土材料施工技術(shù)

在水利水電工程建設(shè)當(dāng)中，混凝土的拌合、運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)等都屬于混凝土施工技術(shù)的范疇。混凝土在施工之前，必須要進(jìn)行充分、均勻的攪拌，這是保證其質(zhì)量的一個(gè)重要步驟。在科技日益發(fā)達(dá)的今天，混凝土的拌合已由傳統(tǒng)的人工攪拌轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械攪拌。這不僅大大提高了混凝土攪拌的均勻性和充分性，提高了混凝土的品質(zhì)和拌合效率，而且大幅減少了勞動(dòng)力的投入?；炷猎谶\(yùn)輸過程中，要求運(yùn)輸工具必須具有良好的密實(shí)性，且不能同時(shí)裝入多種混凝土原料，以避免運(yùn)輸過程中造成材料浪費(fèi)。當(dāng)拌合好的混凝土運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場以后，應(yīng)馬上進(jìn)行施工，以避免混凝土出現(xiàn)硬化現(xiàn)象或是長期不施工現(xiàn)象，從而保證混凝土的施工質(zhì)量。混凝土在施工過程中，要求施工人員必須明確混凝土的澆筑位置，并且在澆筑前還要確保澆筑位置既沒有障礙物又是平整的。澆筑混凝土?xí)r必須要使用專業(yè)的壓實(shí)設(shè)備，以確保混凝土的壓實(shí)效果可以達(dá)到施工要求，澆筑作業(yè)完成后需對混凝土進(jìn)行一段時(shí)期的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)必須達(dá)到相關(guān)規(guī)范規(guī)定的期限。在保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間的同時(shí)，確保養(yǎng)護(hù)充分到位，以為混凝土的施工質(zhì)量提供可靠的保障。

5水利水電工程混凝土材料成本優(yōu)化方法

混凝土材料具有明顯的地方性特點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)性與當(dāng)?shù)亍?dāng)時(shí)材料價(jià)格和經(jīng)濟(jì)水平具有極為緊密的聯(lián)系，會(huì)隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和材料的市場價(jià)格變化而變化。這說明了混凝土材料沒有通用的優(yōu)化配合比，即對混凝土材料成本優(yōu)化的分析應(yīng)是針對當(dāng)?shù)亍?dāng)時(shí)混凝土材料的市場價(jià)格而進(jìn)行的。

5.1構(gòu)建成本優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

混凝土材料成本優(yōu)化隸屬于數(shù)學(xué)的范疇內(nèi)，因此構(gòu)建成本優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以幫助水利水電工程混凝土材料的成本得到有效的優(yōu)化。混凝土的自密實(shí)性是衡量混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。自密實(shí)混凝土可以提高拌合物的工作性能，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如顯著提高混凝土的質(zhì)量，包括混凝土的耐久性、密實(shí)性和力學(xué)性能等；充分利用工業(yè)廢料，有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境；大幅降低人工勞動(dòng)力強(qiáng)度，節(jié)省人力資源投入；有效節(jié)約電能；減少環(huán)境噪音，改善工作環(huán)境，提高建筑安全性等。自密實(shí)混凝土不僅本身具有許多優(yōu)點(diǎn)，而且在經(jīng)濟(jì)性方面也占有諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾方面。其一，節(jié)約勞動(dòng)力，節(jié)省電力和機(jī)械消耗。其二，高自動(dòng)化水平，縮短工期，加快施工進(jìn)度，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其三，在特殊條件下，可以解決現(xiàn)澆混凝土的施工難題，提高混凝土的耐久性和結(jié)構(gòu)可靠度，從而提高混凝土的施工質(zhì)量，減少后期維修費(fèi)用。水利水電工程中混凝土材料的成本優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為min（fx），s.t.g（jx）≤0（j=1，2，……）其中，（fx）為目的函數(shù)，即混凝土的成本，g（jx）為各種約束條件，即滿足混凝土材料工作性、力學(xué)性能及其他方面要求。利用這一函數(shù)可以在水利水電工程施工中得出混凝土材料優(yōu)化后的成本。為了驗(yàn)證上述方法的可行性，本文以長沙市混凝土2013年市場價(jià)格與當(dāng)前湖南省水利水電工程造價(jià)計(jì)算方法為例，采用上述通用成本優(yōu)化算法計(jì)算自密實(shí)混凝土材料成本以及施工工程的最終成本，并與沒有采用這種方法的材料成本和最終成本進(jìn)行對比分析。計(jì)算結(jié)果如下：采用通用成本優(yōu)化方法得出的自密實(shí)混凝土材料成本為30.68萬元，較之正常預(yù)算節(jié)約5.25萬元；采用通用成本優(yōu)化算法得出的工程最終預(yù)算成本為416.3萬元，與正常成本預(yù)算462.6萬元，減少了46.3萬元。這一實(shí)例說明，本文提出的通用成本優(yōu)化程序具有可行性。

5.2采用成本優(yōu)化通用程序

除了構(gòu)建數(shù)學(xué)模型之外，還可以利用數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代化信息技術(shù)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等來編制成本優(yōu)化通用程序。在成本優(yōu)化通用程序編制過程中，應(yīng)確保混凝土材料的價(jià)格、基本物理性質(zhì)可以隨著市場的變化而進(jìn)行及時(shí)更改，以使優(yōu)化具有良好的通用性。為了提高成本優(yōu)化通用程序的性能，需要對其進(jìn)行多次的試驗(yàn)，并采用有關(guān)方法對混凝土材料參數(shù)合理范圍和強(qiáng)度影響公式進(jìn)行確定，從而將混凝土材料參數(shù)設(shè)置到成本優(yōu)化通用程序當(dāng)中。對水利水電工程混凝土材料使用成本優(yōu)化通用程序，可以有效優(yōu)化其成本。

5.3提高混凝土材料施工技術(shù)

在水利水電工程施工過程中，混凝土材料的施工技術(shù)對其成本具有一定的影響。因此，提高水利水電工程混凝土材料的施工技術(shù)可以有效降低成本，對成本優(yōu)化起到一定的促進(jìn)作用。施工單位應(yīng)借鑒國外先進(jìn)成功經(jīng)驗(yàn)，積極引進(jìn)先進(jìn)施工技術(shù)和施工設(shè)備，并將現(xiàn)代化的信息技術(shù)融入其中。同時(shí)，積極引進(jìn)專業(yè)的、技能型人才對現(xiàn)有施工技術(shù)進(jìn)行改革與創(chuàng)新。

6總結(jié)

本文主要介紹了混凝土原料特性及常見典型混凝土特點(diǎn)，分析了水利水電工程混凝土材料施工特點(diǎn)與技術(shù)，以及在施工中存在的問題，提出了水利水電工程混凝土材料成本優(yōu)化的方法，并通過有關(guān)實(shí)例來說明成本優(yōu)化方法的可行性。通過文章的論述可知，混凝土材料的選擇、施工特點(diǎn)和技術(shù)等各方面都會(huì)影響到水利水電工程的施工成本。因此，要想水利水電工程施工成本得到有效的優(yōu)化，對混凝土材料的研究是必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。根據(jù)水利水電工程施工情況，合理選擇混凝土材料，提高混凝土施工技術(shù)，最終達(dá)到優(yōu)化成本的目的。

作者：儲(chǔ)正剛 單位：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院