基于遗传算法的泵送高强抗裂混凝土优化设计及其流动性数值分析方法

High strength concrete is widely used in high-rise buildings, long span bridges and other projects, and its main construction method is pumping construction. However, because of lower water to binder ratio, higher cementitious material content and sand rate, the properties of high strength concrete has many problems, such as large viscosity, poor fluidity and so on, which leads to the difficulty of pumping. At the same time, the interaction mechanism among the concrete material composition - rheological mechanism - pump property is not clear. A lot of time-consuming experiments must be done to solve the problems of long distance pumping through the trial-and-error method. In addition, the shrinkage and cracking of high strength concrete are serious, which can lead to poor durability of concrete structures. In view of the urgent problems mentioned above, this project first proposed the optimal design method of concrete materials based on the genetic algorithms to optimize and improve the three key properties of flowability, cracking resistance and high strength; Secondly, the flowability analysis model of fresh concrete is established by the method of CFD-DEM fluid solid coupling analysis. The rheological mechanism and the pumping analysis method of fresh concrete are put forward. It is of great theoretical value and practical significance to explain and predict the fluidity and pumping ability of different types of pump concrete.

高强混凝土在高层建筑、大跨径桥梁等工程中广泛应用，其主要施工方式为泵送施工。然而高强混凝土由于水胶比低、胶凝材料及砂率高等特点，存在着粘度大、流动性差等问题，导致泵送困难；同时混凝土的材料组成—流变机制—可泵性之间作用机理尚不明确，常规采用试错法通过大量费时费力的试验解决长距离泵送问题。同时，高强混凝土收缩大、容易开裂，导致混凝土结构耐久性不良。针对上述亟待解决的问题，本项目首先提出采用遗传算法优化设计混凝土材料组成，实现流动性、强度和抗裂性三个关键性能指标的协同优化与综合性能的提升；其次，采用CFD-DEM流固耦合方法建立新拌混凝土流变性与可泵性分析模型，阐释与预测不同类型泵送混凝土的流变性与可泵性变化机理，成果具有重要的理论价值和工程实践意义。

高强混凝土在高层建筑、大跨径桥梁等工程中广泛应用，其主要施工方式为泵送施工。然而高强混凝土由于水胶比低、胶凝材料及砂率高等特点，存在着粘度大、流动性差等问题，导致泵送困难；混凝土的材料组成—流变机制—可泵性之间作用机理尚不明确，常规采用试错法通过大量费时费力的试验解决长距离泵送问题。此外，高强混凝土收缩大、容易开裂，导致混凝土结构耐久性不良。针对上述亟待解决的问题，本项目首先提出采用遗传算法优化设计混凝土材料组成，实现流动性、强度和抗裂性三个关键性能指标的协同优化与综合性能的提升；其次，采用多种数值模拟方法建立了新拌混凝土流变性与可泵性分析模型；最后，通过试验及理论分析阐明了不同类型泵送混凝土的流变性、可泵性、硬化性能及微结构的变化机理，成果具有重要的理论价值和工程实践意义。具体成果如下：（1）根据混凝土流动性能、强度以及抗裂性能与混凝土配合比的关系，建立了混凝土性能与组份之间的数学模型，基于遗传算法提出了高强高抗裂泵送混凝土配合比设计新方法。（2）通过对比盘管试验和超高层泵送试验泵送前后混凝土的流变性能与泵送性能，分析了高泵压作用对混凝土流动性能的影响规律；基于CFD、DEM和LBM数值模拟方法分析了混凝土泵送过程，明晰了泵送混凝土的压力损失规律。（3）结合现场超高层泵送试验、室内试验及微观实验，探明了泵送前后普通混凝土和高强混凝土工作性能、硬化性能及微观结构的演变规律，建立了普通混凝土与高强混凝土的可泵性评价及质量控制方法。.课题成果为：发表论文22篇，其中SCI/EI收录14篇（SCI收录13篇，EI收录1篇）。申请发明专利4项，授权2项；参与获得湖北省科技进步二等奖1项；培养研究生5名。