本发明涉及水硬水泥组合物，由这种组合物制成的产品，以及加工处理这种水硬水泥组合物和产品的方法。更具体的说，本发明涉及通过材料科学的方法，从微结构角度设计和使用各种材料，尽量降低制造成本，而优化水泥材料的工作性能和设计性能的系统和方法。本发明还涉及在特定的制造方法中，能对应于原材料的变化，使加工参数作适当变化，从而可重现地生产出使用性能和设计性能一致的产品的系统和方法。 水硬水泥材料在约二千年前由罗马人首先用作建筑灰浆（即现在典型的水泥，水和砂的混合物）和混凝土（即现在典型的水泥，水，以及砂和/或石子之类粒料的混合物）中的粘结剂。这种关于水硬水泥材料的知识后来失传了，而在1829年由J.Aspin在英国重新发现。自1829年以来，混凝土有了广泛的应用，因为它比较便宜而且可以容易地在宽广范围的条件下使用。重要的是，制造通常的混凝土产品只需很少的训练和专用设备，因而混凝土的通用性更提高了。在一百多年来作为建筑结构的主要材料以外，混凝土还用于现代社会每一重要组成部分地基础结构中，如管道，人行道，街沿，桥梁，公路，支架，地基，和堤坝。
以水硬水泥为基质的材料是将水泥和水混合成水泥浆而形成的。典型的水泥浆中水与水泥之比约在0.1-1的范围。在本说明书和权利要求书中所用术语“水泥浆”表示一种水与水泥的流体混合物。一般来说，在水泥浆中，水合反应在加入水以后就开始了，但并未完成。当水加入到水硬水泥中时，水泥中的合成熟料矿物质与水发生化学反应，形成一种称为“CSH”一凝胶或水合硅酸钙的新的配合物相结构。该反应的结果，是水和水泥的混合物凝固，并固化而将粒料粘结在一起形成灰浆或混凝土。
水硬水泥组合物的最重要用途之一是用在混凝土中。在本说明书和权利要求书中所用术语“混凝土”是泛指一种无机复合材料，它包含水泥浆作为主要粘结剂，并在“近于”环境条件下形成其各种性质。（混凝土与无机陶瓷材料的区别在于它并非加热至数百度通过烧结过程而结合，而是一种水合粘结的材料）。混凝土是一种坚硬，强固的建筑材料，是将水-水泥混合物与一种或多种粒料（包括砂，砾石，其它地质材料，金属和/或金属合金）混合而构成。
对于现代高技术水泥来说（例如英-法隧道中或丹麦的Great Belt Link Connection所用的），在混凝土混合物中可含有多达12-15种的不同组份。这些组份，例如可包括三种砂，三种粗粒料，一种特别设计的水泥，煤灰，雾化二氧化硅，二种增塑剂/用水减降剂掺和物，加气剂，加速剂，阻滞剂和水。在所有这些组份之外，影响所得产品性质的其它变量还有加工处理技术和设备。
一般来说，水泥材料最重要的两个设计判据是（a）新拌混凝土的流变学流动性，和（b）混凝土硬化过程开始后28天测得的抗压强度。测量混凝土流动性的典型方法，是用新拌混凝土浇注一个30cm高的锥形筒壳。然后取去筒壳，留下成为锥形的新拌混凝土，独立地置放着。混凝土陷落或坍落的垂直距离，就对应于混凝土的流动性。混凝土的抗压强度则典型地由固化28天的混凝土柱体加载毁坏而确定。强度以psi（磅/平方英寸）或MPa（兆帕）为单位。
其它设计判据如渗透性，氯化物扩散度（对钢筋腐蚀有重要影响，因而对整个结构的耐久性有重要影响），热爆裂，干燥收缩，塑性收缩，耐硫酸盐性能，碱与二氧化硅的反应，以及微缺陷的数目等，都对混凝土的强度和耐久性有直接影响。上列判据中，有许多是混凝土孔隙度的函数。微缺陷通常是由泛浆和离析现象引起的，而这些现象是与设计不良的混凝土相联系的。（“泛浆”是指水徙移至混凝土表面以及集中在表面上或粗粒料之下的现象。“离析”是混凝土没有内部聚合力，因而灰浆与粗粒料分离开来的现象）。
使混凝土在应用上无处不在的同样一些特性（即成本低，使用方便，原材料来源宽广），也使得混凝土未被充分研究，其潜力未被充分开发和探索。迄今为止，在设计混合物时留有过大的安全余量要比试图去了解各不同组份的相互关系和作用简单得多。因此，以水泥为基质的材料的工程性质也是有局限性的。
积累了数十年的经验，混凝土生产工艺已根据各种水泥混合物的经验结果发展成一个由指导方针，规则和准则组成的体系。这些指导方针试图提高具有所需品质的混凝土的一致性。在美国，混凝土设计中普遍接受的标准是一些经验公式，它们是由美国混凝土学会（“ACI”）211委员会建立，并在ACI211.1-81“关于选择正常的，特重的和大块混凝土比例的方法的建议”中提出的。其它国家则采用稍有不同的标准，所得的公式基本相似，也有同样的缺点。
这些经验标准向“现成混料厂”、“预混凝厂”或“建筑工地”的混凝土制造者提供在混凝土混合物中，为了获得预定的工作性能（主要是流动特性和强度特性），所应使用的水泥，砂（某一特定种类的），粗粒料（某一特定种类的）和水的推荐用量。遗憾的是，由于材料，环境和应用情况的复杂性和多变性，水泥基材料迄今还始终是以试验·改错为基础的本地性行业，而不是建立在科学与技术基础之上的。
按照ACI211标准设计混凝土混合物的典型方法，是首先选择一种具有所要求的理论坍落度和强度的推荐的配料设计。然后混合并拌好混凝土，测定其实际坍落度。由于砂、粗粒料和水泥的大小、形状、类型和范围等变量的作用，以及混合过程与环境的影响，实际的坍落度往往并不对应于理论坍落度。因此，就用不同数量的水作为补充配料，直至得到具有所要求坍落度的配料。
随后将所得的混凝土灌入筒壳内固化28天。然后对所得混凝土柱加载，测定其实际抗压强度。如果实际强度不对应于所要求的强度，则根据前一混合物的实际强度，用一种具有较低或较高理论强度的推荐配料设计重复上述过程。容易看到，这样的过程可能非常费时而且往往是成本很高的。
这种现有技术的方法有一些缺点。最值得注意的，是该方法未考虑各组份的多变性，因而必须制作各种试验混合物以保证得到所需的坍落度和强度。试验混合物会引起相当长的延迟，因为至少需要固化28天。而且，因为要制备和试验混合物，以及因测试而引起的延误，费用也很可观。再者，即使某种得到的混合物满足坍落度和强度要求，也不能保证它是成本最低的混合物。补充的试验可能会表明，通过改变砂，粗粒料和水泥的大小，范围和比例，可以得到一种成本更低而具有相同甚至更接近于所要求的坍落和强度特性的混合物。最后，对于一组给定的材料，一旦得到了一种可接受的配料设计，由于原材料固有的不同，维持性能（即坍落度和强度）的一致性也是非常困难的（如果不是不可能的话）。
另一种设计方法是，通过加入和改变不同的组份（包括掺和物），在一开始制备出多种混凝土混合物。上述掺和物可包括煤灰，雾化二氧化硅，用水减降剂，火山灰，填料和加气剂，它们会影响混凝土的坍落度和强度。这些混合物是从围绕具有要求的理论坍落度和强度的某一推荐配料设计的各种混合物中选取的。但是，对具有13种组份的混凝土混合物在10种不同实验水平作改变，其组合总数会达到1013。真是费力的任务。
已经有人写出了一些计算机程序（例如，Dallas，Texas的Shieldstone & Associate Inc.所写的），这些程序针对这些挑战试图积聚并编选出巨大的关于配料设计的数据库，以便在给定某一组原料时确定一种最佳配料设计。概括来说，Shieldstone系统试图使已知混凝土配料的颗粒大小分布与可得到的原料相匹配，从而设计出具有相似性能的配料。但是，由于在给定地点可用于配料设计的各组份的类型几乎是无限多的，因此这些程序没有取得多大成功，也很少被人应用。
例如，混合物中所用的粗粒料虽然一般不多于三种，但是各种类型的粗粒料的实际大小和表面结构（它们本身都会影响混凝土的性能），都可有几乎无限多种变化。因此，对于一个具有某组可得到的原料的人来说，很难使它与根据不同原料制得的混合物的经验结果相匹配。当可得到的组份的数目增大时，问题将更复杂。此外，以前一混合物的经验结果作为新混合物的基础，并未改善新的混合物，也不能保证新混合物是最好或最经济的。
因此，想使用过去的常规测试和经验表格，来有把握地并精确地确定一种多组份混合物中的类型和比例，以得到使每批所生产的混凝土都具有要求的强度和坍落度而且成本最低的配料设计。基本上是不可能的（如果不是完全不切实际的话）。即使得到了一种具有要求的强度和坍落度的混合物，也还有耐久性的问题。如果加入足够的水和水泥，几乎任一种粒料组合都可得到所要求的强度和坍落度。但是，随着水加入量的增加，所得到的混凝土结构的耐久性减低。因此，使用上述方法并不能保证选出的混合物是最耐久的。
也已有人试图为混凝土混合物的某些特点和性能建立模型。例如，Bolomey方程和Feret方程就试图分别模拟混凝土和灰浆的28天强度。相似地，Larrard方程试图将颗粒填充情况对含有水泥、煤灰和雾化二氧化硅的混合物强度的影响关联起来，而Popovic公式则试图将一种混合物中的水含量与该混合物的坍落度或加工性能关联起来。
由于若干原因，这些方程在混凝土行业中并未被广泛接受和应用。首先，并且是最重要的，这些方程之间并未建立起相互关系。因此，虽然这些方程式可能在估计某一特定性质时是有用的，但它们在独立地设计能精确地优化所有性能的混合物方面是没有多大用处的。其次，实验研究发现，由上述各方程得到的理论结果与实际得到的实验值之间存在偏离。最后，这些方程只是设计来用于含砂、水泥和粗粒料的标准混合物的，并未考虑混合物中的空气隙或加入填料、煤灰、雾化二氧化硅和其它火山灰等现代掺和物的影响。
在现成混料厂中，往往不具备在使用前测试混合物的昂贵装置，因而与混凝土混合物相关的各问题就混合在一起。由于难以控制新拌“未硬结”混凝土在浇注前较长时间内（有时在混拌后长达10小时）的流动性和流动性的丧失，大部分混凝土是在比较靠近工地的现成混料厂生产的。于是，在这些厂里的实际操作者，对于估价混凝土材料的“外观和手感”，比通过科学方法来设计混凝土，所受的训练更多一些。
绝大部分现成混料厂中的做法，是在计算机控制的系统中采用固定的比例（即已确定的设计配料）将这些可变的材料组合起来，以得到一种具有预定特性的固化混凝土。但是，在生产性能一致并可预知的混凝土时，主要的历史性困难之一，是所用的组成材料随日而变，甚至随批而变、随地点而变。结果会得到性能不一致的混凝土材料，材料性能的标准偏差很高。
因此，混凝土行业迄今只能凭借超标准设计，来补偿对控制生产一致性的无能。一种标准混凝土混合物，可根据各试验柱体的最低28天强度，给出其理论设计强度。实际强度与理论设计强度会根据被试验的柱体数目以及测试结果之间的标准偏差，而显著地变化。相反，生产的混凝土性能越一致，混凝土设计所需的超标准程度就越小。
超标准设计与低劣的初始设计结合起来，对制造者和整个社会来说，其代价都比最初看起来的更大。当确定了某一批混凝土的设计标准和工作标准后，制造者不能只简单地制备出平均来看满足每一判据的产品。制造者必须设计出这样一种产品，假定全部材料都同时处在其可变范围内最差的一端，它仍能满足最低的标准。
例如，所能得到的水泥的品质和级别，可能在A（最差）至B（最好）的范围内变化。同样，每种类型粒料的品质和级别可在C至D范围内变化。而砂的品质可在E至F范围内变化。甚至水和其它掺和物的品质也将在给定的范围内变化;但是一般来说，其重要性将不如水泥、砂和粗粒料的变化。
任一种给定的水泥，砂或粒料的变化范围可以很大，因为要获得品质和尺寸一致范围狭的原材料是比较昂贵的。人们发现，在设计混凝土材料时显著地超标准，要比从质量受控制的、有保证的、一致的原材料出发更为经济。
因此，当加工混凝土时，制造者必须在任一给定时刻都假定，砂的品质是“A”级（最坏的），粒料的品质是“C”级（最坏的），而水泥的品质是“E”级（最坏的）。立即可明显看出，实际使用的材料类型和数量，必然与为获得希望的结果所需的材料类型和数量大不相同。
结果是可能需制出一种成本较高，而抗压强度比要求的高数千psi的产品。但是，在任一给定时刻，所产生的产品可以在仅仅合要求至超过标准50%之间。在高度竞争性的市场中，最好的结果是得到低的（如果不是不存在的话）利润率，而最坏的结果则是诱使人们去“走捷径”，制出低劣的、过些日子就会损坏的产品。
超标准设计做法也反映在各种组份的比例上。这就是说，预先确定的配料在混合物中一般都有过量的砂，以保证得到不会泛浆或离析的有粘聚性的混合物。但是，加入过量的砂，会得到孔隙度更大，耐久性较差的混合物。混合物中一般也包含较需要量多的水泥（从而提高了价格），以保证产品具有足够强度。
此外，即使现成混料厂的操作者在设计其产品时显著地超标准，操作者也永远无法肯定该种材料会满足所要求的性能标准。这不仅是因为材料的多变性，而且是因为操作者使用了标准的配料设计（或配方）去获得一组给定的性能参数。这些配方是经验性的，是基于平均的、历史的经验的，它们仍然对任何给定产品的性能留下疑问。操作者永远无法肯定所用的材料是否与开发标准配料设计时所用的材料完全相同或者是否将给出同样的性能。
在混凝土工业日常工作中遇到的还有一个问题是，由于上述材料性质的变化，卡车驾驶员常会采取某种行动，根据情况去改变或“改正”混凝土的加工性或流动特性，使它与在现成混料厂装入卡车时的混凝土不同。据估计，在美国运送的混凝土中，约有70%被卡车驾驶员改变了其规格，一般是向混凝土混合物中加水，使它“倾注”得更好或“外观”更好。结果使水对水泥的比率提高，而抗压强度降低。在其它国家里，已判定这种做法具有严重的后果，因而是不允许的。所以，现成混料厂产品处于另一不利的状况，因为对混凝土离开该厂以后会发生什么情况不能充分预知而无法控制。
从以上所述，可以理解本技术领域所需要的，是能一致地和可预知地生产均一的水泥组合物和产品的方法和制造技术，这些组合物和产品可保证符合预定的品质特性并满足预定的性能判据。
一致地和可预知地生产满足预定的设计和性能标准的水泥组合物和产品，同时尽量减少超标准设计的必要，从而尽量降低制造成本，也将是本技术领域另一显著的进步。
此外，即使使用品质和特性变动的原料（例如水泥、砂、砾石、粒料、水与掺和物），也能一致地和可预知地生产均一的水泥组合物和产品，也将是本领域的一个显著进步。
提供新颖的组合物以及制造性能可预知的水泥组合物和产品的方法，使所得的产品无需由驾驶员改变其特性或在供应地点进行改变，这也将是本领域的另一显著进步。
提供新颖的设计混凝土的方法，使水泥组合物可预知地满足所要求的强度、坍落度、和耐久性，也将是本领域的重大进步。
提供新颖的组合物以及设计混凝土的方法，使试验一改错近似方法可以取消，也将是本领域的又一重大进步。
提供新颖的组合物以及设计混凝土的方法，而且对某一具有多种组份和掺和物的混凝土的设计，将被认为既是最好的，同时又是成本效率最高的，也将是本领域的再一重大进步。
此外，提供能响应现场原材料的变化，而在“实时”改变水泥组合物和产品制造过程的新颖方法，也将是本领域的一个进步。
以下揭示这些水泥组合物，产品和方法，并提出权利要求。
本发明涉及水硬水泥组合物，产品，以及制造和加工这些水硬水泥组合物和混凝土产物的系统，这些系统可优化水泥材料的工作和设计性能，同时将制造成本降至最低。在设计混凝土配料时，不是依靠历史上所用的试验一改错的经验方法。而是采用一种材料科学的方法，这方法可提供机会把所需的品质特性和工作性能从微结构角度设计在水泥材料内。
本发明的设计优化方法包括12个不同步骤：
步骤1确定含有水泥和一种以上粒料的干混凝土混合物的最大填充密度。（“种”对应于在某一尺寸范围内的粒料。常用的混合物一般包含一种细粒料，例如砂，以及一种粗粒料，例如砾石）。把不同种类的粒料适当组合起来，一般会使混凝土混合物的填充密度提高，并可得到具有最大填充密度的混合物。
研究发现，接近于最大填充密度的混合物，能同时优化混凝土的湿性质和干性质。就是说，当一种混凝土混合物接近最大填充密度时，加工性、强度、渗透性、抗氯化物扩散性质、和耐久性等性能被优化。这是因为在最大填充密度的混合物中，为了获得所要求的加工性，只需加入极少量的水。此外，在最大填充密度点，为了产生能防止泛浆和离析的粘聚性的混凝土，所需的水泥数量最少，从而减低了混合物的成本。
为了得到最大填充密度所需的水泥和不同种类的细粒料和粗粒料的比例，可通过对原料的所有组合的填充密度进行理论计算而确定。通过比较这些填充密度，就可确定最大填充密度和各种组份对应的体积百分比。
步骤2确定初始最佳混凝土混合物，该混合物尽可能接近最大填充密度，具有足够粘聚性不会泛浆和离析，而且具有所需的强度和坍落度。优化过程的基本原则是首先确定最接近于最大填充密度且具有所需的强度、坍落度和粘聚性的初始混凝土的单位成本，然后将它与具有相同性质但细·粗粒料比不同的各种混合物的单位成本比较。通过比较在不同细·粗粒料比例下每种优化混合物的单位成本，就可确定具有所要求性能的最经济的混合物。
确定初始最佳混合物的方法是：首先选取一种混合物，它接近于具有最大填充密度因而具有最佳性能，但包含足够的砂，可产生粘聚性的基质，防止混凝土泛浆和离析。然后定出该混合物的填充密度和为了使该混合物获得所要求的坍落度而需要的水的数量。根据这信息，算出混合物的最终强度，并与所要求的强度比较。如果计算所得的强度太低或太高，就相应地增加或减少水泥的体积百分比，但保持细·粗粒料比例不变。对新的混合物重复上述过程，并继续进行到确定出一种在设定的细·粗粒料比例下，具有所要求的强度和坍落度的混合物。所得到的混合物就定义为初始最佳混合物。
步骤3比较在每种规定的细·粗粒料比例下的最佳混合物的单位成本，从而定出具有所需性能而成本最低的总体最佳混合物。这过程的最合乎逻辑的做法是：决定步骤2中定出的初始混合物的细·粗粒料比。再使细粒料的体积逐级递增而粗粒料的体积相应地递减，从而规定出新的细·粗粒料比。定出在新的细·粗粒料比例下最佳混合物的成份和成本。与以前的最佳混合物比较。如果新的最佳混合物成本较低，细·粗粒料比例继续变化，并测定和比较最佳组合物及成本。这过程继续进行，直到新的混合物比以前的混合料更昂贵（或者直到细粒料的数量达到了最大值），在这时，前一混合物就是总体最佳混合物。
步骤4-7分别计算在标准混凝土混合物中，加入煤灰、雾化二氧化硅、用水减降剂和填料等掺和剂时的影响。加入用水减降剂是为了产生具有所要求坍落度的混合物，减少所需水的数量的。煤灰和填料是作为水泥的替代物（尤其在低强度混凝土中），用以降低材料成本，并在产生具有所要求坍落度的混合物时，用以减少所需水的数量的。
煤灰、雾化二氧化硅和火山灰也具有水泥性质，可独自对混凝土的强度有所贡献的。雾化二氧化硅通常增加为了产生具有要求的坍落度的混合物所需的水的数量，而其它火山灰或者增加或者减少所需水的数量，取决于火山灰的化学成份和形态。
步骤8将以前各过程组合成一组嵌套循环，这些循环使组份递变，并算出能产生具有所需性能且成本最低的混凝土混合物的各组份的比例，包括细粒料、水泥、粗粒料、拌和用水、煤灰、雾化二氧化硅和用水减降剂等组份的比例。
步骤9讨论加气剂，以及在优化过程中怎样将它考虑在内并作出修正，以保证所得到的混凝土结构具有特定的充足的空气含量。加气剂是添加至混凝土中导致冻结/融化耐久性的。
步骤10确定用于优化过程的一个修正因子，以得到更好的坍落度估计值。一般来说，它是通过作出为了得到相同坍落度的理论用水量与实际用水量之间的关系图来完成的。由此定出这两个结果之间的关系，并归并在优化过程中，以产生更好的结果。
步骤11确定混凝土的耐久性或孔隙度，这也可以作为一个性质归入优化过程。根据耐久性来选取一种混合物，就可保证所选定的配料对其设想的用途具有足够的耐久性。
最后，步骤12揭示了怎样来精确地确定，为了获得某一所要求的精确产量或体积的最终混合物，所需的混合物各组份的体积或重量。这过程计及了颗粒填充和颗粒之间的空隙。
此外，本发明涉及能对应于原材料的变化，确定工作参数的适当修改，从而可重现地生产具有一致的工作和设计性能的材料的系统。本发明的水合水泥组合物可制备成高密度和高强度的。已经看到，按照本发明的工作参数可以控制，使新拌混凝土不发生或很少发生泛浆和离析。因此，可以用本发明的加工技术制备整个新的一类品质和耐久性更好的混凝土。
于是本发明的目的之一，是提供新颖的方法和制造技术，以便一致地和可预知地生产均一的水泥组合物和产品，这些组合物和产品保证符合预定的品质特性而且满足是预定的性能判据。
本发明的另一重要目的，是提供一致的和可预知的新颖水泥组合物和产品，它们满足预定的设计和工作判据，同时把对水泥材料在强度或体积（即产量）方面进行超标准设计的需要尽量减少，从而使制造本尽量降低。
本发明的再一个重要目的，是即使应用了具有变动的品质和特性的原料（例如水泥，砂，砾石，粒料，水和掺和物），也仍能一致地和可预知地生产这些均一的水泥组合物和产品。
本发明的一个附加的目的，是提供新颖的组合物和制造水泥组合物和产品的方法，这方法能保证所得的产品无需进行后处理以改变配料特性。
本发明的另一目的，是提供对其预期用途具有足够耐久性的水泥组合物和产品。
本发明的另一目的，是提供设计混凝土的新方法，使水泥组合物满足强度，坍落度和耐久性的特性要求。
本发明的还有一个目的，是提供设计混凝土的新的组合物和方法，使试验一改错的近似方法可以被陶汰。
本发明的再一个目的，是提供新的组合物和设计混凝土的方法，使得对某一含有多种组份和掺和物的混凝土的配料设计，可以确知是最佳的同时又是成本效益最高的。
本发明的另一重要目的，是提供能对应于现场的原材料变化，在“实时”改变水泥组合物和产品的生产过程的新方法。
这些内容以及本发明的其它目的和特点，将可从以下的说明和权利要求中看得更清楚，或者可从本发明的实践中了解。
为了说明本发明上述的和其它的优点和目的是怎样取得的，以下将参照具体实施例更具体地说明上面简单介绍过的发明，这些具体实施例是通过附图来说明的。应该理解这些附图只是说明本发明的典型实施方式，而不是限制其范围。以下就应用这些附图更具体详细地说明本发明;其中：
图1是水泥、石英砂（0-2mm）和碎花岗石（8-16mm）三元混合物的填充密度图。
图2就是图1的填充密度图，附有指示如何读取对应于图内某一密度的成份的直线。
图3是水泥、豆形砾石（3/8″）和砂三元混合物的实验填充密度与理论填充密度（用Toufar模型得到）的关系图。
图4是图3的混合物的实验填充密度与修正的理论填充密度的比较图。
图5是显示赝粒子线的填充密度图。
图6是混合物的实验强度与使用Feret方程得到的对应的理论强度的关系图。
图7是图6的混合物的实验强度与理论强度的比较图。
图8（A）-（B）是优化系统的逻辑流程图。
图9是图8（B）所示的逻辑流程图的树。
图10显示实施例1中砂和豆形砾石的修正理论填充密度与实验填充密度之间的关系。
图11显示实施例1中水泥、砂和豆形砾石的修正理论三元填充密度与实验三元填充密度之间的关系。
图12显示实施例1的混合物中实际水量与理论水量的关系。
图13显示实施例1的混合物的空气含量与坍落度之间的关系。
图14显示实施例1的混合物的实际坍落度与设计坍落度之间的关系。
图15显示实施例2的混合物中实际水量与理论水量之间的关系。
图16显示实施例2的混合物的空气含量与坍落度之间的关系。
图17显示实施例2的混合物的实际坍落度与设计坍落度之间的关系。
图18显示实施例3的混合物的实际水量与理论水量之间的关系。
图19显示实施例3的混合物的空气含量与坍落度之间的关系。
图20显示实施例3的混合物的实际坍落度与设计坍落度之间的关系。
图21显示实施例4的混合物的实际水量与理论水量之间的关系。
图22显示实施例4的混合物的空气含量与坍落度之间的关系。
图23显示实施例4的混合物的实际坍落度与设计坍落度之间的关系。
图24显示实施例6的混合物的实际水量与理论水量之间的关系。
图25显示实施例6的混合物的空气含量和坍落度之间的关系。
图26显示实施例6的混合物的实际坍落度与设计坍落度之间的关系。
图27显示实施例18的豆形砾石的填充密度。
图28显示实施例18的豆形砾石的平均直径。
图29显示实施例19中砂的填充密度。
图30显示实施例19中砂的平均直径。
图31显示实施例20中典型的1″岩石的填充密度。
图32显示实施例20中典型的1″岩石的平均直径。
图33是实施例32的三种粗粒料的填充密度图。
本发明涉及水硬的水泥组合物，产品以及制造和加工这些水硬水泥和混凝土产品的方法。更具体地，本发明涉及通过从微结构角度设计应用各种材料的材料科学方法，建立能优化水泥混合物的工作性能和设计性能，并尽可能降低制造与组份成本的系统。此外，本发明还涉及能对应于原材料的变化，决定加工参数的适当变动，从而可重现地生产具有一致的工作性能和设计性能的材料的系统。
I.一般讨论
A.微结构工程设计
如上所述，目前常规水泥和混凝土生产中的指导方针、规则和法则，是基于数十年来获得的经验结果的平均。为了补偿按照这些标准所得到的性质的变化。混凝土材料总是超标准设计，以保证最终的水泥基产品具有所要求的性质。
与此相反，本发明采用材料科学的方法，从微结构角度设计混凝土，使它具有所需的特性和品质。按照这方法，已建立了一些模型，它们与本领域已知的模型结合起来，就可产生能根据配料设计的组份，精确地决定一种混凝土混合物的强度，坍落度和耐久性的新模型。利用这些模型，就能精确地定出能够优化所需特性而且尽量降低材料成本的配料设计。此外，这些模型还能用来决定是否要加入填料、用水减降剂、加气剂、雾化二氧化硅、煤灰、其它火山灰等掺合物，并在需要加入时，决定加多少数量以优化该设计混合物。
微结构设计就是这样一种方法，它将某些所需的、预定的性质建立在水泥组合物的微结构中，以使这些性质在最终产品中反映出来。微结构设计方法也注意到成本与制造过程的变化和复杂性。换句话说，微结构设计分析方法，与传统的试验-改错、混料和测试的方法不同，它使人们能够设计并预知所需的性质，如强度，重量，坍落度/加工性，空隙度，渗透性，耐久性，成本，环境保护和制造问题。
设计一种特定产品时可使用的不同原料的数目很大，估计在50，000至80，000种之间。它们可从金属，聚合物，弹性体，陶瓷，玻璃，复合物，和水泥等完全不同的大类中选取。在一个给定的大类中，在性质，加工过程，和使用方式上有某些共同性。例如，陶瓷具有高模量而聚合物具有低模量;金属可以通过铸造和锻制成形，而复合物需要叠层或特殊的模制技术。
但是，将各种材料分隔开来有其危险性;它可能导致狭隘的专业思想（冶金学家对陶瓷一无所知）和保守思想（“我们用钢是因为我们一直就是用钢的”），这种狭隘专业思想和保守思想限制了人们考虑将水泥材料用于各种产品。但是，一旦认识到水泥材料具有如此宽广的用途，而且它是能设计的并可从微结构角度来设计，它们在许多可能产品上的应用就不可限量了。
本发明采用从微结构角度设计混凝土的策略，来发展其性能高度地受控的新颖水泥材料。这方法是基于材料科学的，材料科学是一门学科或一种科学方法，它专门研究原材料、加工过程、微结构和工作性能之间的关系，如表I所示。
表I
原材料
↓
加工过程
↓
微结构
↓
工作性能
该理论是以理解各种施用于所需原材料上的加工方法对微结构的影响以及对最终产品性质的影响为基础的。理解这些关系，就能有选择地改善材料和加工技术，生产出具有所需工作性能的产品。
这种“材料科学”方法已经在很多种材料上展示过了，包括钢，聚合物，复合物，半导体，以及近年来的超导体。对于所有这些差异很大的材料，材料科学的方法都导致新一代高性能材料的产生。通过材料科学，可以对加工、微结构、与性质之间的关系建立模型，从而根据科学的理解，而不是根据试验-改错的结果，设计出具有优化的性能和成本的一种特定的产品。
把材料科学方法应用于混凝土是一种挑战，这是因为水泥基材料固有的复杂性。控制和优化混凝土的微结构与性能的各种关系是互相影响并难以确定的。水泥水合时有几百种化学反应发生，而原材料、加工技术、处理、固化过程等会有很大变化，这二种复杂情况结合起来，就使得混凝土行业在过去认为，混凝土不是具有足够可预知性的可以控制的产品，因而不能应用材料科学方法。历史上，研究者已记载了混凝土微结构和性能的多变性。普遍接受的结论是建立模型的工作没有多大价值，如果不是不可能的话。
混凝土有一个方面一直是最难把它置入材料科学学科里的，这就是“湿”状态（早期）与“硬化”状态（成熟或固化状态）之间的关系，以及它们的优化。例如，最佳坍落度和加工性所要求的配比与高强度和低渗透性所要求的配比不同。材料性能之间（装卸和浇灌过程中的性能相对于固化以后的性能）这一表观的矛盾，一直被看作是不可调和的矛盾，要求工艺人员与工程师作出最好的“妥协”。
由于这些原因，水泥基材料的科学技术迄今尚未与实践相连系，本行业也未采取完整的方法去理解加工、微结构和性能之间的关系。本发明采用材料科学方法从微结构角度设计混凝土，并向本领域普通技术人员揭示这一具有令人惊异结果的新方法。为了设计新的水泥材料，对表I中的每一步骤作了分析，并分解成表Ⅱ所列的各个部分。
表II材料加工微结构工作性能水泥砂粗粒料填料煤灰雾化二氧化硅用水减降剂火山灰加气剂颗粒大小与形状固体分布水一水泥比率添加掺加物拌和条件浇灌修整固化条件时间温度颗粒间粘合结构C-S-H结构孔隙大小固体的分数基质密度孔隙连通性早期水相反应速率水合机理坍落度强度渗透性耐久性蠕变与收缩经济性
然后建立经验模型，以描述材料的加工如何影响微结构及因此影响最终水泥产品的工作性能。再将经验模型改进（例如扩大或缩小范围，并用确定的常数限定），建立可以进行试验的模型。然后把正确的模型结合起来，构成一个总的系统，以设计和生产具有所需性能的特定产品。
本发明所揭示的最终得到的系统可完成多项功能。最主要的是，能够可预知地决定前面所述每种组份和步骤之间的关系，也就能够设计和生产优良的低成本混凝土。更具体的说，这系统能够决定，为了获得一种具有所要求坍落度和最终强度，同时成本最低的水泥混合物，应当采用哪种材料组合（包括掺和物）。这系统也能够决定，为了获得具有所要求性能的混合物，应当采用哪种可用材料的组合。此外，这系统还能确定，为了获得具有最大耐久性或者具有所需的任一耐久性而不发生泛浆和离析的混合物，应当采用什么样的材料组合。这体系的附加功能将在说明书和权利要求书中揭示，或者它们是不言自明的。
本系统可表示一系列能够借助于某些图而进行手工计算的步骤，或者表示成一个计算机程序。表述过程要求使用者输入所需要的强度和坍落度;所用粒料和水泥的固有填充密度和平均颗粒直径;是否需要使用煤灰、雾化二氧化硅、填料、用水减降剂、加气剂或其它火山灰、以及要用具有何种特性的材料;与混凝土中每一种组份的单位价格。该方法然后决定出能够得到具有所需性能的混凝土的若干种配料设计。再计算这些配料设计的单价并进行比较，以确定最便宜而具有所需性能的混凝土混合物。
B.颗粒填充
为了充分评估本发明的优化方法，有必要理解混凝土的一些基本结构。如前所述，在为混凝土建立模型时，困难的概念之一是优化湿混凝土性质和优化干混凝土性质之间的表观矛盾。
湿混凝土性质包括坍落度，这是水和水泥含量的流变函数的特殊量度。加入到混凝土混合物的水越多水泥浆的粘度越低，粒料颗粒之间的摩擦力也越低-因而坍落度越高。而高坍落度又导致加工性提高，使混凝土较易浇灌和修整。但是，不同类型的结构所要求的坍落度可以在0至23cm的范围内变动。
干混凝土性质包括强度和孔隙度。这些性质也是含水量的函数，但是成反比。加入到水泥混合物的水越多，水泥浓度就越低，结果混凝土的最终强度越低。此外，含水量高的混合物常会离析或泛浆。
“泛浆”就是新拌的混凝土中粒料沉降，结果水徙移到表面层。水的徙移进一步增大了混凝土表面层中的水-水泥比率，从而降低了表面层的强度和耐久性。“离析”就是灰浆（水泥，水和砂）与粗粒料分离开来，导致均匀性降低，有些地方水泥较少，因而强度降低，孔隙度和渗透性增大。最后，高含水量还会使整个固化的混凝土内孔隙度增大，因而降低其耐久性。
但是，研究发现混凝土的最佳湿性质和干性质，是在接近最大填充密度的混合物成份获得的。填充密度是颗粒填充的函数，颗粒填充就是选取适当大小和比例的各种颗粒材料，使较小的颗粒填充较大的空隙，所含的较小空隙又由更小的颗粒填充，依此类推，以达到最大颗粒密度。理想地来看，混凝土可以这样设计：先尽可能有效地填充粗粒料，然后将细粒料填入粗粒间的空隙，最后再用灰浆填充剩余的较小的颗粒间空隙。
为了理解为什么混凝土的湿性质和干性质是相互关连的，考虑一个填充密度为0.5，体积为1立方米的干混凝土混合物“A”，它随后与数量为X的水混合。由于填充密度小于1，有一部分体积（0.5立方米）构成空气隙或颗粒间空隙。这些空隙随后被水填充。
现在如果混合物“A”中的颗粒大小改变了，使它的填充密度增大至0.8，新混合物的总体积变为较小的0.625立方米，因为混合物内空气隙的体积减少为0.125立方米。因此，当相同数量的水（X）加入至密度为0.8的新混合物中时，坍落度提高了，因为最初用来填充空气隙的水，现在被用来包围各颗粒并降低其摩擦力。
另一方面，填充密度增大时，人们可以维持坍落度不变而减少所加水的数量，从而提高混凝土的强度。于是，当趋近于最大填充密度，混凝土的湿性质和干性质都得到优化，因为要获得所需的坍落度，只需向混合物内加入最少数量的水。
但应注意，当趋近于最大填充密度时，离析和泛浆的倾向增大。这是因为在最大填充密度点，混合物中砂和细粒料的数量不足，不能构成承载粒料而具有足够粘聚力的基质。结果就发生离析，降低了所得到的混凝土的均匀性和强度。
决定对应于最大填充密度的混合物成份还有经济上的好处。水泥一般是混凝土混合物中最昂贵的组份。为了提供一个粘聚牢固的结构，必须加入足够的水泥，复盖住所有的粒料，最好也填充混凝土混合物中的空隙。（粒料之间的空隙用水泥填充比仅仅用水填充时可得到较高的强度）。在最大填充密度点，颗粒的表面积以及颗粒间的空隙最小，因而使所需的水泥最少。所以，混凝土的成本也最低。当然，判定哪种混合物最便宜，取决于各不同组份的成本。
有时，具有较低填充密度的混合物会较便宜。例如，砂一般是最便宜的组份。因此，水泥浓度低而砂浓度高的混合物可能是最便宜的。但是，随着砂的百分比增大而偏离最大填充密度点，孔隙度也随之增大，从而降低混合物的耐久性。
有了精确地并可预知地调节混合物颗粒填充的能力，就能调节混合物的系统流变性。系统流变性的部分含义是混合物的粘度和屈服强度，它是宏观流变性与微观流变性二者的函数。宏观流变性是固体颗粒彼此之间的相互关系，如颗粒填充所定义的。也就是说，当水或其它润滑组份保持不变，而有选择地调节混合物的颗粒大小分布，就可以有选择地控制混合物的屈服强度和粘度。
控制混合物的系统流变性对于薄壁容器和物品的大规模经济生产是很重要的，这些容器和物品在题为“贮藏、分发和包装食品和饮料的容器和其它物品及其制造方法”的专利申请中已经揭示，并被引用而归并在本申请中。粘度低的混合物更容易加工成所需形状，因而在容器的成形步骤更受欢迎。相反，容器一旦成形后，就希望混合物具有足够高的屈服强度，使容器在自立的形态下外形稳定，使容器可以大量生产。控制颗粒填充可被用来优化混合物的粘度和屈服强度。
微观流变性是系统润滑剂部分的函数，这些润滑剂填充“宏观”颗粒之间的空隙，而且还有其它作用。通过改变润滑剂（它可以是水、流变学变性剂、增塑剂和其它材料），就可以在化学上改变粘度和屈服强度。也可以通过改变颗粒的大小和形状在物理上改变微观流变性，例如使用切碎的纤维、片层云母、圆形雾化二氧化硅或碎的粗水泥颗粒等与润滑剂有不同作用的各种材料。
虽然知道了颗粒填充理论，困难之处还在于迅速、精确、和一致地决定已限定组份的什么样的大小和比例，可得到最大填充密度。本发明解决了这个问题，方法是建立一个模型，它能精确地决定，对于包含水泥和至少一种类型的有固定体积百分比的混合物的填充密度。而为了决定最大填充密度，要计算出各原料全部体积百分比组合的填充密度。
Ⅲ.设计优化方法
以下是关于理论、模型和步骤的详细说明，它们是为了精确地和可重现地确定，为了生产具有所需湿性质和干性质而且成本最低的混凝土混合物，所需的水泥、水、砂、粗粒料和掺和物（如用水减降剂、加气剂、填料、烟灰、雾化二氧化硅、和其它火山灰）的最佳比例。
步骤1讨论的是确定含有水泥和一种以上粒料的干混凝土混合物的最大填充密度和对应的成份的方法。
步骤2讨论的是确定初始最佳混凝土混合物的方法，该最佳混合物是在特定的细粒料/粗粒料比例下，最接近于最大填充密度，并且具有所需的强度、坍落度和粘聚性的混合物。
步骤3讨论的是比较在每一确定的细粒料/粗粒料比例下的最佳混合物的单位成本的方法，从而决定总体最佳混合物。
步骤4-7讨论的是计算在标准混凝土中独立地分别加入各种不同掺和物的影响的方法，这些掺和物包括煤灰、雾化二氧化硅，用水减降剂、和填料。
步骤8概括了确定具有所需性能且成本最低的最佳混合物时的流程图和所用的迭代循环。该混合物含有细粒料、水泥、粗粒料、混合用水、煤灰、用水减降剂、加气剂、雾化二氧化硅和火山灰，并具有所需性能且成本最低。
步骤9改变了所得到的混合物，以保证它反映了适当的加气剂浓度，因而具有适当的含气量。
步骤10说明了怎样决定一个用于优化过程的修正因子，以使获得更好的坍落度，从而进一步优化所得的结果。
步骤11提供一种决定混合物耐久性的方法，以保证选定的混合物对其设想的用途具有足够的耐久性。
最后，步骤12揭示了怎样来精确地决定，为了得到所要求的混合物的产量，混合物的各组份需要多少体积或重量。
步骤1：最大填充密度
优化过程的第一步，是决定某一干混凝土混合物的最大填充密度和每一组份的对应体积。在说明书和所附的权利要求中，“混凝土混合物”、“水泥混合物”，和“混合物”意思是指一种组合物，它含有至少一种水泥和至少一种粒料，并可加入水和各种掺和物。而“灰浆”在本说明书和权利要求书中，是用来指只含水泥和一种粒料的混合物。本发明中可以组成的其它混合物包括墙灰粉和墙板。
在说明书和权利要求书中，“粒料”是指各种轧碎的或自然的岩石和矿物质。但是，为了使用于本发明，它们应当是坚固的，并且符合最佳工程用途的一些标准：它们应是干净、坚硬、密致、强固、耐久的颗粒，不含吸收的化学品，表面没有复盖的粘土、腐殖土以及其它会影响水泥浆的水合和粘结的细粒物质。
在某些配料设计中，可能希望加入一些减轻混合物的重量或提高其隔热能力的粒料。有用的粒料的例子包括：珍珠岩，蛭石，砂，砾石，岩石，石灰石，沙岩，玻璃珠，气凝胶，干凝胶，seagel，云母，粘土，合成粘土，氧化铝，二氧化硅，煤灰，雾化二氧化硅，片状氧化铝，高岭土，微球体，空心玻璃球，多孔陶瓷球，二水合石膏，碳酸钙，铝酸钙，软木，种子，轻质聚合物，硬硅钙石（一种结晶硅酸钙凝胶），轻质膨胀粘土，未反应的水泥颗粒，浮石，片状剥落的岩石，以及其它地质材料。反应过和未反应的水泥颗粒也可看作在最广泛意义下的粒料。
除了水泥工业惯用的粒料以外，许多其它的粒料，包括填料，补强剂，金属和合金（如不锈钢，铝酸钙，铁，铜，银，和金），小球或空心球形材料（如玻璃，聚合物和金属），锉屑，小片，粉末（如微粉二氧化硅），以及纤维（如石墨，二氧化硅，氧化铝，玻璃纤维，聚合物，有机纤维，以及其它一般用来制造各种复合物的纤维），在本发明范围内也可与水硬水泥相结合。甚至象种子、淀粉、凝胶和琼脂类材料也可在本发明中掺入作为粒料。
研究发现，当使用了两种或两种以上平均颗粒直径不同的粒料时，混合物的填充密度会提高。因此，在本说明书和权利要求书中，“粒料”一般是指一种细粒料和一种粗粒料。为了得到较高的填充密度，粗粒料与细粒料平均颗粒大小之比一般要求约为3∶1，约为5∶1更好，而约为7∶1最好。一般地，用砂作为细粒料。砂包括直径约为8mm或更小的各种颗粒的混合物。传统的粗粒料则一般包括直径在约2mm至165mm范围的各种颗粒的混合物。在薄壁物品成型实践中，可能希望粒料尺寸小于水泥颗粒尺寸的20倍。这样的粒料，其直径一般小于2mm。
在本说明书和权利要求书中，并不想把“细粒料”和“粗粒料”限定在任何大小范围，而只是用来指明一种料粒比另一种大。例如，在含有两种砂的水泥混合物中，直径较大的砂就被称为粗粒料。
在本说明书和权利要求书中，在谈到粒料，水泥和其它固体颗粒的“种类”时，一般是同时包括所用材料的种类和颗粒尺寸的范围。例如，虽然粗粒料一般包括2mm至165mm范围内的各种颗粒，一种粗粒料可能包括2mm至8mm范围内的颗粒，而另一种粗粒料则可能包括8mm至16mm范围内的颗粒。在下文将会看到，一种混合物的最佳颗粒填充状况可以通过选择性地将不同种类粒料组合起来而获得。研究发现，具有确定的平均颗粒尺寸而分级范围大的粒料种类，其填充情况一般较好。
本发明中所用的水泥，都是称为水硬水泥这一类。水硬水泥的特征在于它与水反应时所形成的水合产物。水硬水泥应与其它水泥（如聚合物有机水泥）区别开来。而粉状水硬水泥，在本文中，是指熟料，即处于各种不同粉碎阶段，具有各种颗粒尺寸的，轧碎的、碾碎的、或磨碎的熟料。
本领域已知的典型水硬水泥的例子有：波特兰水泥这一大类（包括不含石膏的普通波特兰水泥），铝酸钙水泥（包括不含硬固调节剂的铝酸钙水泥），熟石膏，硅酸盐水泥（包括β-硅酸二钙，硅酸三钙，以及它们的混合物），石膏水泥，磷酸盐水泥，和氯氧化镁水泥。水硬水泥这个术语也包括其它水泥，如α-硅酸二钙，它可以在本发明范围内的水合条件下成为水硬的。“水泥”这名称也包括填料、煤灰、雾化二氧化硅和其它火山灰。水硬水泥一般颗粒尺寸在0.1μm至100μm范围。
在本说明书中所用的全部体积测量值，除非另外清楚地标明，都表示为对混合物内全部固体总量的百分数。“全部固体”在本说明书和权利要求书中包括水泥，粒料，当适当时也包括填料，煤灰，雾化二氧化硅和其它火山灰。因此，在标准混合物中，粒料体积与水泥体积之和总是等于1.0。混合物中水和空气体积的测量值，也是表示为对全部固体体积的百分数。于是，混合物中水的体积为0.3，就相当于水的体积是固体总体积的30%。所以包括水的混合物的总体积将等于1.3。
本发明中粒料和水泥的类型，是通过颗粒类型的平均直径（d′）和自然填充密度（Φ）来进一步界定的。这些数值由实验决定，在计算所得到的混凝土混合物的理论填充密度时，需要用到这些数值。决定平均直径的方法是：把每种材料的颗粒尺寸分布，按照由（1）式所示的Rosin-Rammler-Sperling-Bennett分布在图上作出。
R(D)=exp｛-( (d)/(d＇) )n｝ （1）
其中d是颗粒尺寸，R（D）是直径小于d的累积几率，d′是R（d′）＝0.368时对应的直径，即在该筛眼尺寸的筛渣为36.8%，而n是留存在筛上的颗粒百分比与筛眼尺寸关系线上的斜率。
每种材料的填充密度Φ，是以下述方式决定：将材料装入一圆筒内，圆筒的直径至少比材料中最大颗粒的直径大10倍，将圆筒对着一坚硬平面轻轻拍击，直至材料被充分拍紧。读取圆筒内被拍紧材料的高度，并测得其重量，填充密度就可按（2）式算出：
φ= (WM)/(SGM·VM) （2）
式中，WM＝材料的重量
SGM＝材料的比重
VM＝材料的体积。
这样，不仅颗粒的体积被定量化了，而且它是作为粒子形态，比表面积和其它比表面特性的函数而定出的。
一般常用的，含有水泥、一种细粒料和一种粗粒料的三组份混合物，其最大填充密度是这样决定的：递增地改变混合物中每种组份的体积，计算对应的填充密度。然后将各种填充密度画在三角形的填充密度图上，以确定哪一种组合物具有最大填充密度。
例如，图1是含有水泥，石英砂（0-2mm），和碎花岗石（8-16mm）的三元混合物的填充密度图。图中的边（A）确定细粒料（砂）的体积百分比;边（B）确定水泥的体积百分比;而底边（C）确定粗粒料（碎花岗石）的体积百分比。三角形内的各数值，代表各种组份以不同体积百分比构成的混合物的填充密度。该图按以下方式读取：
1（a）：在三角形内选取一个所需的填充密度。例如，选取图2上的“Z”点，它代表该确定的混合物的最大填充密度。
1（b）：决定为了获得在“Z”点的填充密度，混凝土混合物中所需用的水泥的体积百分比;方法是从“Z”点作一水平线20引向三角形的（B）边。线20与三角形（B）边的交点所定出的数值。就是为了得到所要求的填充密度而需用的水泥体积百分比。在图2的例子中，水泥体积百分比约为10%。
1（C）：决定混合物中细粒料的体积百分比;方法是从“Z”点出发，作一条平行于（B）边的线22，与三角形的（A）边相交。线22与三角形（A）边的交点所定出的数值，就是为了得到所要求的填充密度而需用的细粒料体积百分比。在该例子中，细粒料体积百分比约为30%。
1（d）：由于混合物的体积百分比之和必定为100%，因此若混合物含10%水泥和30%细粒料，合乎逻辑的结论是粗粒料的体积百分比必定是60%。但这个数值也可从填充密度图中定出;方法是从“Z”点出发，作一条平行于（A）边的直线24，与（C）边相交。线24与（C）边的交点所定出的数值，就对应于粗粒料的体积百分比。如图2所示，该数值结果约为60%。利用这个方法，可以确定对应于图上任一填充密度的组合物;将这操作过程反过来，也可以确定对应于所需任一种组合物的填充密度。
在图中的填充密度数值，是由Toufar，Klose，和Born模型（以下称为“Toufar模型”）与一改正因子结合起来而算出。Toufar模型是计算二元混合物填充密度的一个公式：
其中γ1＝较小颗粒的体积，
γ2＝较大颗粒的体积，
d1＝较小颗粒的直径，
d2＝较大颗粒的直径，
φ1＝较小颗粒的填充密度，
φ2＝较大颗粒的填充密度。
也可以用其它模型来计算二元混合物的填充密度。可以应用的模型的例子有Aim模型和Larrad模型，它们在V.Johansen和P.J.Andersen的文章“颗粒填充与混凝土性质”中作了讨论（见Ma-terials Science of Concrete Ⅱ，118-122;The American Ceramic Society，Inc.，1991），该文被具体地引用并结合于本发明中。
为了提高Toufar模型的精确度，将一个三元混合物的实验填充密度与由Toufar模型得到的相应理论填充密度作了比较。如图3所示，对于包含水泥、豆形砾石（pea gravel，3/8.″）、和细粒料的三元压实件，这比较表明理论和实验填充密度之间存在线性关系。但由Toufar模型得到的理论值，比实际的实验值稍高一些。为了补偿这种差异，根据理论值和实验的常规值的关系，对由Toufar模型得到的数值作了修正。在混凝土应用中改正填充密度的方程式是：
Pc＝0.9940PT-0.00895 （4）
变量PC表示改正的填充密度，PT表示由Toufar模型得到的理论或模型填充密度。因此，将由Toufar模型得到的数值代入至式中的PT，解出Pc，就得到混凝土混合物的改正的理论填充密度，它与实际填充密度的差别在2%以内。
改正的Toufar模型的精确度如图4所示，该图显示了填充密度实验值与改正的理论值之间的比较。在说明书余下的部分里，凡是提到Toufar模型的使用和结果，不论是否明确地说明，都包括应用改正方程。在改正方程（方程（4））中的常数，对于不论什么种类的材料填充时都适用。但是，这些常数部分地基于实验填充密度，因此，它们可能会随着试验的数目和精确度而变。
由于Toufar模型只计算二元混合物的填充密度，所以首先计算填充密度图上沿直线（C）各点的填充密度（该线代表粗粒料的体积百分比）。在（C）线上，混合物的成份中只包含粗粒料和细粒料，未加入水泥。例如，仍然参看图2，在（C）线上粗粒料体积百分比的读数为50%处所对应的成份是：50%粗粒料，50%细粒料，和0%水泥。
首先以1%的增量改变粗粒料和细粒料的混合物，计算沿（C）线上的填充密度。例如，首先用Toufar模型（方程（3））来计算φ;式中γ1为0.01，代表1%体积的细粒料，γ2为0.99，代表99%体积的粗粒料，d1是细粒料的d′的预先实验测定的数值，d2是粗粒料的d′的预先实验测定的数值，φ1是细粒料的φ的预先实验测定的数值，φ2是粗粒料的φ的预先实验测定的数值。
当混合物的填充密度被决定以后，就用前面已讨论的改正公式（方程（4））进行改正。然后把所得的数值标在填充密度图（C）线上适当的位置处。在第二个计算中，除了γ1现在等于0.02代表2%的细粒料，γ2等于0.98代表98%的粗粒料以外，所有的数保持不变。这个过程继续进行下去，直至所有以1%增量变化的粗粒料和细粒料组合物的φ都已算出并标在图上。当然，改变不同组份体积百分比时所用的增量越小，最终结果就越精确。但是，为了简化本发明的实例和讨论，使用了1%的增量。
上述方法也可用来计算灰浆的最大填充密度。按照前面的定义，灰浆是包含水泥和一种粒料的二元混合物。规定（A）线表示水泥的体积百分比，（C）线表示粒料的体积百分比，然后把递变的水泥和粒料的数量代入Toufar模型，就可以确定沿（C）线上各点的二元混合物所有可能的填充密度值。在（C）线上的最大填充密度，就对应于由规定的水泥和粒料构成而具有最大填充密度的组合物。
在沿（C）线的填充密度已确定以后，要决定三元混合物的最大填充密度，就用Toufar模型来计算三角形内的数值。因为Toufar模型只能计算二元混合物的填充密度，所以定义出“赝粒子”，它们代表底边上细粒料与粗粒料各种比例的组合。利用“赝粒子”和水泥作为二元混合物，就可以计算三角形内的填充密度。
赝粒子与水泥的每种混合物，可以用三角形内的赝粒子线来表示。图5显示了一系列赝粒子线26，它们从三角形的顶点28引向（C）线上某一粗粒料的体积百分比。由于粗粒料的体积百分比的范围为0%至100%，所以有100条独立的赝粒子线。每条线代表一种赝粒子，其细粒料与粗粒料的比例由该线交点的粗粒料值确定。例如，连接到1%粗粒料值的线，代表比例为1%粗粒料99%细粒料的赝粒子。沿着赝粒子线向上（即向着顶点28）移动，水泥的体积百分比增大而赝粒子的体积百分比按比例地减小;但细粒料与粗粒料的比例保持不变。将每条赝粒子线上水泥体积百分比以1%递变的混合物的填充密度都计算出来并填在图上，填充密度图就完成了。计算的位置最好按以下方式定位：在水泥的每种体积百分比作一水平线30，（见图5）使它们与每条赝粒子线26相交。各交点32就是要计算填充密度的位置。用Toufar模型确定填充密度时所需的各数值，可以用上面所述读取填充密度图的方法确定。
例如，第一条赝粒子线是从三角形顶点引向（C）线上代表1%粗粒料体积百分比的点。然后确定赝粒子线上的水泥体积为1%处的填充密度。使用Toufar模型来计算填充密度，式中γ1为较小颗粒（水泥）的体积百分比，它等于0.01;γ2是赝粒子的体积百分比，等于0.99;φ1是预先实验确定的水泥填充密度，φ2是预先实验确定的赝粒子填充密度;d1是预先实验确定的水泥的d′值;d2是赝粒子的平均颗粒直径。d2的数值由下式决定。
d2＝γ1d1′+γ2d2′ （5）
在上式中，γ1和γ2分别代表要确定其填充密度的混合物中细粒料和粗粒料的体积。γ1和γ2可简单地按前面所讨论的从填充密度图中读出。最后，d1′和d2′的数值分别代表预先实验确定的细粒料和粗粒料的d′值。一旦求出填充密度以后，就用前面的改正因子进行修正，使之更好地代表真实的填充密度，然后标出填充密度图上。
当全部填充密度都已确定并标在图上，可以把填充密度相同的各点连接起来构成等高线。在图中找出最高的填充密度并按上面所讨论的方法读出对应的混合物，就确定了最大密度和对应混合物的体积百分比。
如果混凝土混合物包括两种细粒料或两种粗粒料，从而构成一个四组份混合物，这时可用Toufar模型来建立一种赝粒子，其填充密度和平均直径代表这两种细粒料或两种粗粒料。然后再把这种赝粒子作为前面所讨论的决定三元混合物最大填充密度的方法中的细粒料或粗粒料。
赝粒子的填充密度对应于两种细粒料或两种粗粒料的最大填充密度。而该最大填充密度是通过比较两种组份各种体积比的所有填充密度而确定的。这与在填充密度图上沿（C）线确定细粒料和粗粒料填充密度所用的方法相同。
赝粒子的平均直径dp′可用下式求得：
dp′＝γ1d1′+γ2d2′ （6）
其中γ1和γ2分别代表填充密度最大的混合物中两种粗粒料或两种细粒料的体积百分比，d1′和d2′的数值分别代表两种粗粒料或两种细粒料的平均直径。
如果混凝土混合物包括三种粗粒料或三种细粒料，还是可用一种具有填充密度和平均直径的赝粒子来代表不同类型的细粒料或粗粒料。赝粒子的填充密度对应于细粒料或粗粒料的三元混合物的最大填充密度，是通过与确定水泥、细粒料和粗粒料三元混合物最大填充密度时所用方法相同的过程算出的。
赝粒子的平均直径由下式求出：
dp′＝γ1d1′+γ2d2′+γ3d3′ （7）
式中，与前面相同，各γ值代表具有最大填充密度的混合物中每种细粒料或每种粗粒料的体积百分比;各d′值分别代表每种细粒料或每种粗粒料的平均直径。
对于包括四种或更多种细粒料或粗粒料的混凝土混合物，计算方法是首先确定代表最粗的两种粒料的赝粒子的填充密度和平均直径。然后将这赝粒子与次粗的颗粒相结合产生一种二元填充情况，它又可用一种具有新的填充密度和平均直径的新的赝粒子来界定。再把新的赝粒子与再细一点的颗粒相结合，这个过程可一直进行下去，直至得到代表全部不同种类的粗粒料或细粒料的一种赝粒子。
当然，在混合物中也可以加有两种或多种水泥。但是水泥的颗粒尺寸是这样的小，不同种类水泥的结合，一般不会显著影响混合物的填充密度。不过在某些情况下，如粉末填充或细分的灰浆，各种水泥的组合可能是有影响的。这时各种水泥可象细粒料或粗粒料那样用一种赝粒子来代表。
上面说明的方法，揭示了对于给定原料的所有可能组合，怎样来确定其填充密度。因而就能够通过比较过程，确定什么样的组份可得到最大填充密度。让进入该过程的原料种类在广阔的材料中变动，就可以得到一个数据库，它使人们能够选出可得到最大填充密度的组份种类。
步骤2：性能优化
优化过程的第二步是确定在特定的细粒料·粗粒料比例下具有所要求强度和坍落度性能的最佳水泥混合物。通过加入充分的水泥和水，几乎任何的细粒料·粗粒料比例都可得到所要求的强度和坍落度。本发明提供一种方法，它可以确定对于某一特定的细·粗粒料比例，为了产生具有所要求性能的混凝土混合物，所需加入的水泥和水的最少数量。
由于混凝土的最终价格取决于它的各组份的市场价格，本发明通过计算和比较细·粗粒料比例不同的每种混合物的单位价格，而算出最便宜的混合物。本步骤中说明对于一个特定的细一粗粒料比例，怎样决定最佳设计混合物。下一步骤（步骤3）将说明怎样来比较细·粗粒料比例不同的每一最佳混合物的成本。
确定具有所要求强度和坍落度的混凝土混合物的成份，第一步是确定在一预先选定的混合物中，为了产生所要求的坍落度而需要加入的水的数量。知道了水的数量以后，就可以得到混凝土的最终强度。如果所得到的强度低于或高于所要求的强度，就可以求得为了获得所需的强度而需加的水泥的估计值，从而产生一种新的混合物。于是再确定为了产生所要求的坍落度而需在新混合物中加入的水的数量。重复这一过程，直至所要求的强度对应于理论强度。通过这方法，为了获得所要求的强度，只使用了所需的最少量水泥，因而把混凝土的成本降至最低。
具体来说，这过程按以下步骤进行：
2（a），选取一个充分接近最大填充密度的混合物作为不发生离析和泛浆而性能优化的混凝土初始混合物。具体做法是首先在填充密度图上定出最大填充密度和相应的体积成份。最大填充密度点对应的水泥，细粒料和粗粒料的体积分别用变量VC（MP），VF（MP），VCA（MP）表示，它们之和等于1.0。其次将水泥的体积保持不变，将细粒料的体积增大一个称为粘聚安全因子的量，而粗粒料减少同样的数量。这就使混合物在填充密度图中水平向左移动。相应的混合物就定义为初始混合物。
因此，初始混合物中各组份的体积由以下各式给出：
VC＝VC（MP）（8）
VF＝VF（MP）+CF （9）
VCA＝VCA（MP）-CF （10）
变量CA代表粘聚安全因子，其典型值为0.05。粘聚安全因子保证混合物含有足够多的细粒料，使它成为不会离析或泛浆的粘聚的混合物。填充密度图上在初始混合物右侧的各混合物一般会离析或泛浆，粘聚安全因子可在0至0.15范围内变动，取决于混凝土的种类。低强度混凝土要求高达0.15的粘聚安全因子，而高强度混凝土则要求小于约0.5的低粘聚安全因子。
初始混合物的细·粗粒料比可用以下方法定出：从填充密度图的顶点作赝粒子线，通过初始混合物的位置，引向粗粒料线。本步骤的余下部分将讨论怎样沿着这已定出的赝粒子线确定最佳水泥混合物。
2（b），按步骤1所述，确定初始混凝土混合物成份的填充密度。
2（c），确定使初始混凝土混合物具有预定的坍落度而需加入的搅拌用水的数量。这个水的数量要分两步求出。首先，使混合物的坍落度为1cm所需的水量用下式定出：
W1＝ 1/(φ) -1 （11）
其中φ1＝步骤2（b）中求出的混合物填充密度，W1＝使混合物的坍落度为1cm所需要的水量。W1的数值等于对混合料中固体体积的百分比。
研究表明，方程（11）一般对确定使混合物坍落度为1cm所需的水量最为精确。虽然实际的坍落度可变到2.5cm这么高，指定一个1cm的坍落度并不是关键性的，因为在本发明步骤9中会改正加水数量与实际坍落度之间的不符。
算出对应于1cm坍落度的W1以后，对应于所要求坍落度而需要的水量就可以应用Popovic公式以下述方式求出：
W2=W1(S1S2)0.1---(12)]]>
式中，W1＝前面定义的使混合物坍落度为1.0cm所需的水的体积。
W2＝使混合物具有所要求坍落度而需要的水的体积，
S1＝1.0，代表1.0cm的坍落度，S2＝所要求的坍落度，以cm为单位。
2（d），利用步骤2（a）-2（c）所得到的结果，可以用Feret方程算出所得到的混合物的28天抗压强度：
σ=K·( (Vc)/(Vc+ W2- VA) )2（13）
其中，σ＝混凝土混合物的理论28天抗压强度，以MPa为单位，
Vc＝混合物中水泥的体积，
W2＝步骤2（C）中定出的，使混合物具有所要求坍落度而需要的水的体积，
F＝Feset常数。在本发明中，Feset常数并不是一个真正的常数，而是取决于所用混拌设备的类型。这常数一般在250-600范围。对于盘式混料机（pan mixer），K值一般为280;对于反向旋转混料机，K约为340;对于高剪力混料机，K约为340-450。高剪切能混料机及其使用方法在美国专利4，225，247“混合和搅拌装置”和美国专利4，552，463“制备胶质混合物的方法和设备”中已有说明。对应于一种给定混料机的K值，可以利用使用该混料机时σ的经验值，代入上式而解出K。K值也会随不同种类的粒料而变。
VA＝混合物中空气的体积，它由下式定义：
VA=(1+W21-%AIR100)-1-W2---(14)]]>
其中，%AIR是混合物中空气体积百分比的估计值。混合物中的空气体积随着所用混料机的类型，混合物内细粒料的体积，以及与混合物相结合的掺和物的种类而变。本领域的技术人员能估计出空气的体积百分比，一般在坍落度大于10cm时大约在1%-2%之间，在坍落度小于10cm时大约在2%-4%之间。
图6显示了用Feset方程估计的某种混凝土混合物的28天抗压强度与该混凝土的实际28天抗压强度的比较。从图6可以看到，最佳拟合线与正比线并不相符。利用理论计算强度和实验或实际强度的这一关系，可以用下列改正方程得到强度的更精确的估计值：
σc＝1，351σT-7.930 （15）
把由feret方程得到的理论强度值代入式中的σT，就可以得到修正的强度值σC。强度改正方程的精确性可从图7看到，图中显示了实验强度与应用改正方程得到的理论强度的关系。在本说明书的其余部分和权利要求书中。凡是提到Feset方程的应用或由它得到的结果，不论是否明确指出，都包括了应用改正方程。
在改正方程（15）中的常数，是部分地基于实验强度结果的，因而它们可能随试验的数目和精确度而变。此外，关于28天强度的方程（13），是以粗粒料和细粒料的强度大于固化的水泥浆这一假设为基础的，在使用牢固的粒料时，一般来说这是正确的。例外的情况是使用石灰石，它是一种非常不能受载的粒料。
Feret方程也假设对混凝土使用了标准的或正常的混拌，浇灌，修整和固化，是按照美国混凝土学会的有关规定进行的，如“测量，拌和，运输和浇灌混凝土的指导方针”ACI304-85，ACI304委员会报告（ACI，1985）;“固化混凝土的标准方法”，ACI 308-81，ACI308委员会报告（ACI1986修订）;本发明具体引用了这些指针和标准，并将之结合在本发明中。
2（e）、将所得到的强度σ与所要求的强度进行比较。如果混合物的理论强度小于所要求的强度，就重复步骤2（b）至2（e），用一种新的混合物（对应新的填充密度）来取代起始混合物。新混合物的成份可通过增加或减少水泥体积以获得所要求的强度来定出。以所要求的强度代入Feret方程，根据下列方程求解对应的水泥体积，就可决定为了获得所要求的强度而需要的水泥体积的估计值：
VA=(1+W21-%AIR100-1)·(σDK)0.5(1-σDK)0.5---(16)]]>
式中VC（N）＝新混合物中的水泥体积，
W2＝在起始混合物（以前的混合物）中为了获得所要求的坍落度而需要的水的体积，
%AIR＝混合物中估计的空气体积百分比，
K＝Feret常数，取决于混料机类型，
σD＝所要求的强度，以MPa为单位。
随着在新混合物中水泥体积改变，细粒料和粗粒料的体积必须归一化，使得细粒料，粗粒料和水泥的体积总和为1.0。但是细一粗粒料比例保持不变。因此，新混合物中细粒料和粗粒料的体积由下列方程给出：
VF（N）＝γF·（1-VC（N）） （17）
VCA（N）＝γCA·（1-VC（N）） （18）
其中，γF和γCA分别是细粒料和粗粒料的比例，在每条赝粒子线上它们是常数。这两个比例又由以下方程定出：
γF＝VF/（VF+VCA） （19）
γCA＝VCA/（γF+VCA） （20）
这个新混合物对应于填充密度图中，步骤2（a）所述的赝粒子线与代表由方程（16）决定的新的水泥体积的水平线的交点。随着水泥体积改变，就对应于沿赝粒子线上下移动。连续地重复步骤2（b）-2（d），直至混合物的理论强度等于所要求的强度。在确定的细-粗粒料比例下这样得到的混合物，具有所要求的坍落度和强度，并使用最少量的水泥和水。一般来说，所要求的混合物可在10次迭代以内求得。
对于某些低强度混凝土，所需的水泥体积可能很低。但是，为了使混凝土的混合物具有粘聚力充分大的基质以防止离析，混合物一般至少应含有10%体积的水泥。因此，水泥体积只能减小至所得到的强度等于所要求的强度，或减小至等于10%，但是，在下面将可看到，当使用填料时，水泥体积可以小于10%。
上述方法也可用于灰浆，只需简单地将细-粗粒料的数值用灰浆中规定粒料的对应值取代。所得到的水泥，粒料和水的组合物提供了一种灰浆，它使用最少量的水泥，具有所要求的坍落度和强度。所得到的灰浆混合物也被认为是成本优化的。虽然也可增加水泥体积百分比并减小粗粒料体积百分比，来构成具有所要求的坍落度或至少具有所要求强度的混合物，由于水泥的成本相对较高，这些混合物很少（如果真有的话）会更为便宜。
步骤3：成本优化
如前面讨论过的，本步骤说明计算和比较在每种细-粗粒料比例下的最佳混凝土混合物的单位价格，从而确定总体上成本效率最高的混合物的方法。一般来说，做法是首先计算在步骤2中确定的初始最佳混合物的单位价格。然后对于由新的细-粗粒料比限定的第二个最佳混合物求出其最佳成份和结果的单位价格。
新的细-粗粒料比是通过将粗粒料的体积百分比减小1%，并增大细粒料的体积百分比而得到的。然后将第二个最佳混合物的单位价格与初始混合物的单位价格比较。如果初始混合物的价格低于第二个混合物的价格，初始混合物的成份就是最经济的，于是优化过程结束。如果第二个混合物的价格低于初始混合物，就将细-粗粒料比再作变化，以得到第三个最佳混合物。成本比较将重复进行，直至求得最便宜的混合物。
更具体地说，成本优化包括以下步骤：
3（a）、根据混合物中所用水泥，细粒料和粒料的单位成本，确定步骤2中所得到的最佳混合物的单位成本。
3（b）、利用步骤2中同样的填充密度图，将粗粒料体积减小0.01，细粒料体积增大0.01，定出一个新的细-粗粒料比。这个新的细-粗粒料比可由一条赝粒子线限定，该线将三角形顶点与粗粒料体积百分比比初始混合物小1%（或在其左方相差1%）的位置连接起来。
3（c）、沿着新的赝粒子线重复步骤2，直到定出新的细-粗粒料比例下的最佳混合物。将它称为第二最佳混合物。在新赝粒子线上所用的初始混合物，其水泥体积等于前一赝粒子线上最佳混合物中的数值。
3（d）、确定步骤3（c）中求出的第二最佳混合物的单位价格。如果第二最佳混合物的单位价格大于初始最佳混合物的单位价格，初始最佳混合物就是最经济的混合物，优化过程结束。如果第二最佳混合物的单位价格低于初始最佳混合物，细-粗粒料比再按步骤3（C）中所说的方式改变，通过步骤2（b）-2（e），获得第三最佳混合物。将第三最佳混合物的成本与前面一个（在当前情况下是第二个）最佳混合物进行比较，以决定哪一个更便宜。继续进行这个过程，直至定出最经济的组合物，或者直至细粒料的体积百分比达到最大值。
在较佳实施例中，混合物中砂的体积百分比对混凝土来说不应大于约80%，即使这样的组合物会更便宜。这是因为当增加细粒料或砂的体积使对应点在填充密度图上移至更左面时，所得到的混凝土中的孔隙度增大，因而降低了混合物的耐久性。
当砂为80%时，混凝土的耐久性是如此的低，以致无法用于几乎所有的情况，除了不包含粒料的强度极低的应用和灰浆。因此，混凝土的总体最佳混合物是具有所要求性能与最低单位价格的混合物，或是具有所要求性能与80%体积的砂的混合物。但是，如上面所讨论的，本发明的系统可改变来设计只含水泥与一种粒料的灰浆。在这种情况下，砂的体积可能大于80%。此外，混合物中可用的细粒料数量，可由系统的使用者根据所要求的混凝土耐久性和粒料的尺寸设定。
步骤1-3结合起来显示了设计具有所要求的强度和坍落度的，包含水泥、水、和粒料的混合物的方法。加入至混合物中的水的数量可减小至最小值，以将强度提高至最大值。细粒料，粗粒料和水泥的比例可以优化，以尽量降低混合物的成本。此外，利用上述方法，可以一致地和精确地生产具有所要求性能的混合物，而不论原材料有什么变化。
步骤1-3也可以用来确定耐久性最高的混合物。在下面步骤11将会说明，耐久性最高的混合物可以规定为总孔隙度在可能情况下最低的混合物。这是因为，一般来说，当孔隙度增大，混合物的耐久性降低。研究的结果表明当填充密度增大时，混合物的孔隙度降低。于是，最靠近最大填充密度的混合物具有最高的耐久性。
步骤4：煤灰
掺和物是在拌和以前或拌和过程中为了改变混凝土的性能或成本。加入到混凝土中的除水泥、细粒料、粗粒料以外的组份。本发明提供代表下列掺和物加入到混凝土混合物中的作用的模型：火山灰（如煤灰和雾化二氧化硅），用水减降剂，加气剂和填料。将这些模型结合到上面讨论的优化过程中，就可以确定含有这些掺和物时的最佳混凝土混合物。
火山灰是一种含硅或含硅铝的材料，它本身没有或者只有很少作为水泥的价值，但是在分成细粉形式以及存在水的情况下，会和水泥水合反应中放出的氢氧化钙、钠、钾发生化学反应而产生复杂的水泥性能。在本行业中使用最普遍而且结合在本发明中的两种火山灰是煤灰和雾化二氧化硅。
煤灰是发电厂中煤粉燃烧所得到的一种矿物质掺和物。煤灰主要由包含硅、铝、铁和钙的硅酸盐玻璃构成。次要组份包括镁，硫，钠，钾和碳。煤灰与碾碎的颗粒（如水泥）不同，碾碎的颗粒是带角的，煤灰则由球形颗粒构成。颗粒大小在1μm至100μm以上范围，典型的大小是20μm。
其中一部分水泥被煤灰替代的混合物，与只含水泥的混凝土相比，为了获得给定的坍落度所需的水较少。这是由于煤灰的水硬活性低而且是球形的，这二者合起来就使混合物内颗粒间的摩擦力较低。所以，煤灰可以作为水泥的取代物，以增大混合物的坍落度和加工性，而不必增大所加水的数量。另一方面，煤灰可以作为水泥的取代物，用来减少加入到混合物中水的数量而保持坍落度不变，从而降低水-水泥比率。除了提高混合物的加工性以外，煤灰也有一些水硬水泥性质，可有助于所得到的混凝土的强度。
当混凝土混合物中掺入了煤灰，可用步骤1-3的相同过程来获得最经济的混合物。但是，决定为了获得某一要求的坍落度和强度所需水量的公式略有修正。
一般来说，做法是首先重复步骤1-2，以决定在规定的细-粗粒料比例下，具有所要求强度和坍落度的最佳混合物（不含掺和物）。以所得到的最佳混合物的成份为基础，递变地用煤灰取代水泥的体积。当煤灰的体积百分比增加时，计算每一混合物的成本，将它与以前的混合物比较，以确定在规定的细-粗粒料比例下最便宜的混合物。
接着将细-粗粒料比改变，使它在填充密度图上向左移1%。重复上面的过程，以决定在新的细－粗粒料比例下最便宜的混合物。然后将不同的细－粗粒料比例下的各个最佳混合物的单位价格进行比较，以决定最便宜的混合物。这个过程继续下去，继续移向填充密度图的左方，直至得到具有所要求性能并含有煤灰的总体最佳混合物。
当混合物含有煤灰时，成本优化的具体步骤如下：
4（a）.决定在初始细－粗粒料比例下，具有所要求坍落度和强度的最佳混合物（不含掺和物）－这是与步骤1和2所述相同的过程。
4(b），决定在初始细－粗粒料比例下加入煤灰后的最佳混合物。以步骤2所得到的组合物为基础，用同样体积的煤灰取代1％体积的水泥，并计算所得的强度。在填充密度图中，煤灰的体积包括在水泥体积内。实险发现，煤灰的平均颗粒直径d，和自然填充密度Φ，都与水泥基本相同。因此，当煤灰取代了水泥，水泥性材料的体积百分比保持不变。但是，当煤灰的平均颗粒直径和自然填充密度与水泥显著不同时，可以按步骤1所述，用一种对应于水泥与煤灰结合起来的赝粒子来代表水泥。在下文讨论加入雾化二氧化硅，填料和其它火山灰时，这原则也适用。至于怎样才算显著不同，则取决于所要求的结果的精确度。
研究发现，当水泥和煤灰的体积中含有37%煤灰时，为了获得某一要求的坍落度，所需水的体积可减少6%。对于不同种类的煤灰，水的实际减少量稍有不同，可以由经验确定。因此，为了产生具有所要求坍落度而包含煤灰的混凝土混合物，所需水的体积可由下面修正的Popovic方程求出：
W2=W1(S1S2)0.1-WFA---(21)]]>
其中WFA是由于加入了煤灰，为了获得具有所要求坍落度的混合物，所需加入的水的体积的减少量。它由下式确定：
WFA= (W1· %FA·6)/(100·37) （22）
其中W1是为了使前面定义的标准混合物具有1.0cm的坍落度，所需拌和用水的体积;%FA是煤灰和水泥混合物中煤灰的体积百分比。
于是可用W2的值去计算28天强度。虽然煤灰具有某些水硬性，但与相等体积的水泥相比，煤灰使混合物的强度较低。因此，用来决定含煤灰混凝土28天强度的修正Feret公式为：
σ= K( (VC- K2VFA)/(VC-K2VFA-W2- VA) ) （23）
其中，K2＝称为强度活性的常数，它描述每一体积的煤灰与相同体积的水泥相比时，强度的发展。一般这数值在0.3至0.6之间，可以对应于实际所用的煤灰而定出;
VFA＝混合物中煤灰的体积，按以下方程算出：
VFA＝%FA·（VC+FA/100） （24）
式中，VC+FA是水泥和煤灰的总体积，可以在填充密度图中作为水泥的体积读出;
VC＝混合物中水泥的体积，可按下式标出：
VC＝VC+FA-VFA（25）
4（C）将含有煤灰的混合物的最终强度与所要求的强度相比较。如果所得到的强度与所要求的强度不同，估计为了获得具有所要求强度的混合物，需要的水泥和煤灰的体积，这就得到一个新的混合物，新混合物具有相同的水泥/煤灰比。水泥的新体积按下式算出：
其中，σD＝要求的强度，以MPa为单位，而K1，K2，VA，W2和%FA与前面步骤4（b）中的定义相同。
在新混合物中煤灰的体积由下式算出：
VFA＝（ (%FA)/(100-%FA) ）·VC（27）
其中所有变量的定义同前。
相应的细粒料和粗粒料的归一化体积可以按步骤2（e）中的方程17和18计算。然后重复进行步骤4（b）和4（c），直至得到其计算强度等于所要求强度的混合物。
4（d），计算步骤4（c）中含有1%煤灰的混合物的单位成本，并与4（a）中不含煤灰的混合物比较。如果步骤4（c）中混合物的成本较低，则再多用1%的煤灰去取代水泥，重复步骤4（b）-4（d）。继续在煤灰数值增加的情况下重复步骤4（b）至4（d），直至得到成本最低的含煤灰混合物，或者直至煤灰的体积百分比大于30%。煤灰含量大于30%的混合物，其水泥的胶凝作用不足以防止混凝土的离析和泛浆。而且，因为煤灰的水合作用要由来自水泥的羟基离子引发，所以为了正常的强度发展，不宜用较大剂量的煤灰。
4（e），与步骤3相同，现在将粗粒料的体积百分比减少1%，改变细·粗粒料比而把过程继续进行下去，这时相当于在填充密度图上向左移动1%。利用基于新的细·粗粒料比的混合物，重复步骤4（a）-4（d），以确定最便宜的包含煤灰而具有所要求强度和坍落度的混合物。
4（f）计算步骤4（e）的混合物的单位成本并与步骤4（d）的混合物比较。如果步骤4（e）的混合物成本较低，就在填充密度图上再左移1%，改变细·粗粒料比。将这过程继续进行，继续向填充密度图左方移动，直至得到含有煤灰而总体最便宜的混合物，或者如前所述直至细粒料体积百分比达到80%。
其它火山灰在与混凝土混合物结合时，性能与煤灰相似。这些火山灰包括（作为示例而不是仅限于）：高炉渣，硼硅酸硬质玻璃，硅藻土，乳白燧石，页岩，粘土，火山质凝灰岩，和厚石。这些火山灰可结合于上述优化过程中，只要在使用上面有关方程时，采用适当的用水降低值和强度活性值。一般加入至混凝土混合物中的火山灰不多于两种，因为种类多了很少会产生经济利益或改善材料性能。
步骤5：雾化二氧化硅
雾化二氧化硅，也称为微粉二氧化硅，也是一种火山灰，它与其它火山灰的区别在于其极大的比表面积以及它影响混凝土混合物的方式。雾化二氧化硅是在电弧炉中制备硅或铁硅合金过程中用煤还原高纯度石英时产生的。雾化二氧化硅基本上是非晶态形式的二氧化硅。由于它是作为一种气载颗粒而形成的，雾化二氧化硅与煤灰一样是球形的。但雾化二氧化硅颗粒非常细小，直径都小于1μm，平均直径为0.1μm。
使用雾化二氧化硅的最佳混合物，可以用步骤4中确定煤灰适当用量的相同方法来确定;但是计算所需用水量和所得强度的公式不同。与煤灰相反，对于给定的坍落度，雾化二氧化硅需要更多的水，但二氧化硅使水泥混合物具有更大的强度。在填充密度图上，二氧化硅的体积也被认为是混合物中水泥体积的一部分。需要时，可以用赝粒子来代表水泥和雾化二氧化硅的混合物。
研究表明，将水泥体积的20%用对应体积的雾化二氧化硅取代，结果为了得到某一要求的坍落度，所需水的数量增加约20%。（实际水量的增加可能随给定的雾化二氧化硅而变，但很容易由经验决定）。按照这一分析，为了使含有雾化二氧化硅的混合物具有要求的坍落度。所需要的水的体积百分比由下式决定。
W2=W1(S1S2)0.1+WSF---(28)]]>
其中，WSF是因为加了雾化二氧化硅，为了使混合物具有所要求的坍落度，所需要的水的体积的增加量，它由下式给出：
WSF=W1·%SF·20100·20---(29)]]>
式中，%SF＝在雾化二氧化硅和水泥混合物中雾化二氧化硅的体积百分比。
于是可用W2的数值来计算混凝土的28天强度。由于雾化二氧化硅的水泥性质，决定使用二氧化硅的混凝土28天强度的修正Feret公式为：
σ= K( (VC- K3VSF)/(VC-K3VSF-W2+VA) )2(30)
其中，VSF＝混合物中雾化二氧化硅的体积，由下式算出：
VSF＝%SF·（VC+SF/100）（31）
式中，VC+SF＝水泥与二氧化硅的总体积，它可在填充密度图中作为水泥体积读出;
VC＝混合物中水泥的体积，由下式算出：
VC＝VC+SF-VSF（32）
K3＝活性常数，表示每体积雾化二氧化硅与相同体积的水泥相比，其强度的发展。一般来说，这数值在1.5至4之间，较佳值为2。它的实际数值可对给定的雾化二氧化硅由经验决定。而
K，W2和VA与步骤2（d）中所定义的相同。
上述对于水和强度的公式可如步骤4所述，归并在决定具有所要求的坍落度和强度而成本最低的，含有雾化二氧化硅的最佳混凝土混合物的过程中。
如在步骤4（e）所讨论的，如果算出的强度不等于所要求的强度，就可求出为了获得要求的强度，所需要的水泥和雾化二氧化硅体积的估计值。新的水泥体积由下列方程求出：
其中，σD＝所要求的强度，单位为MPa。
K，K3，VA，W2和%SF的定义同前。
在新混合物中雾化二氧化硅的体积由下式算出，而水泥与雾化二氧化硅的比例保持不变。
VSF＝（ (%SF)/(100-%SF) ）·VC（34）
所有变量的定义都与前面相同，相应的细粒料和粗粒料的归一化体积可按步骤2（e）中的方程算出。
与煤灰相似，雾化二氧化硅的体积不应超过水泥与雾化二氧化硅混合物的20%。浓度超过20%就可能限制混合物强度的发展，并因为雾化二氧化硅具有高比表面积而导致干燥收缩开裂。
步骤6：用水减降剂
用水减降掺和物是在制备具有所要求的坍落度和加工性的混凝土时用以减少拌和用水的数量的。通常的用水减降剂一般含有30%重量的活性组份，包括木素磺酸盐，羟基化的羧酸，磺化的萘甲醛缩合物等，它们可将为了得到所要求的坍落度而需要的用水量减少约15%。高性能用水减降剂，也称为超增塑剂，一般含有40%体积的活性组份，包括磺化的密胺甲醛缩合物，磺化的萘甲醛缩合物，木素磺酸盐等，它们可将为了得到所要求坍落度而需要的水量减少约30%。用水减降剂也包含有阻滞剂，它会阻缓混凝土强度发展的速率。但是用水减降剂与煤灰不同，它没有水泥性质，因而一般只是通过影响水/水泥比而影响混凝土的强度。
用水减降剂一般是被吸附在水泥颗粒表面而起作用的。这将在颗粒表面产生负电荷，使它们互相排斥。由于这一机理，用水减降剂可以被想象为分散剂。普通用水减降剂和高性能用水减降剂在等价的活性组份浓度下，导致相同的用水减降量。
普通和高性能用水减降剂的主要区别，是市售的高性能用水减降剂商品只不过是活性分散组份的浓度较高而阻滞剂的浓度较低。因此，在优化过程中可通过下面所述的归一化过程而将所用的用水减降剂的种类考虑进去。
此外，由于用水减降剂含有阻滞剂，在混凝土混合物中一般所加的普通用水减降剂溶液不超过1%，所加的高性能用水减降剂溶液不超过2%（按水泥重量计）。用水减降剂超过这浓度，会使混凝土一直不能硬化。高性能用水减降剂可以使用较高的浓度，因为它们所含阻滞剂较少。
假设在标准混凝土混合物中只加入了用水减降剂，获得最佳混合物的过程与步骤4中为3求得使用煤灰的最佳混合物所用的过程相同。唯一的差别是决定所需拌和用水量以及最终强度的公式要作修正。优化过程包括决定初始细·粗粒料比例下的最佳混合物。然后向该混合物中加入递增数量的用水减降剂。算出这些混合物的单位成本并进行比较，从而决定在初始细·粗粒料比例下的最佳混合物。然后改变细·粗粒料比，再重复这过程。通过比较在每一细·粗粒料比例下的最佳混合物的单位成本，就可定出使用了用水减降剂的总体最佳混合物。
由于求出含有用水减降剂的最佳混合物的一般方法，与步骤4中所讨论的相同，所以下面只详细讨论步骤4中要作修正的公式。在定出了初始细·粗粒料比例下的最佳混合物以后，就在这最佳混合物中加入等于水泥重量0.1%的用水减降剂。使用Feret方程求出所得到的强度。但是，为了计算所得到的强度，必须确定为了使混合物具有所要求的坍落度。而需要在含有用水减降剂的混合物中加入的水的数量。
为了规定一公式，它可计算含有水减降剂的混合物的水的数量，必须将各种用水减降剂归一化。高性能用水减降剂中活性组份浓度一般为40%。在水泥混合物中加入2%（以水泥的重量计）这种用水减降剂，可使为了获得所要求的坍落度而需要的水量减少30%。研究发明，加入用水减降剂与所需水量的减少之间的关系基本上是线性的。利用上面所定义的高性能用水减降剂作为标准，所有的用水减降剂都可相应地归一化。例如，加入1%其活性组份浓度只有30%的用水减降剂，被认为与加入0.75%标准用水减降剂相同。因为在新的用水减降剂中的活性组份少25%。
根据标准用水减降剂的参数，为了得到具有所要求坍落度的含有用水减降剂的混合物，所需要的水的体积百分比可用下式计算：
W2=W1(S1S2)0.1-WWR---(35)]]>
其中WWR是由于用水减降剂的作用，使为了得到要求的坍落度而需要的用水量减少的数量，它由下式确定：
WWR= (W1· %WR·30)/(100(2)) （36）
其中W1是以前定的为了得到1cm坍落度所需要的拌和用水体积;而%WR是混合物中按水泥重量计算的用水减降剂的百分数量。
于是可用W2的数值来计算28天强度。由于用水减降剂并不独立地对于混凝土的强度有所贡献，可以用步骤2中相同的公式来计算28天强度和估计为了获得所要求强度而需要的水泥体积。一般来说，混合物中的用水减降剂的体积是这样的小，以致不认为这数量含改变混合物的体积。但是，如果需要的话，也可以计及用水减降剂的体积。在用水减降剂中的那部分水，一般是掺和物的60-70%，可以从加入到混合物的水中减除，用水减降剂的其余部分是一种固体，它可以取代一部分水泥，就象在步骤4和5中煤灰和雾化二氧化硅分别取代水泥那样。
由于使用了用水减降剂，使为了得到要求的坍落度所需的水量减少了，混合物中水/水泥比减小，因而增大了所得到的混合物的强度。于是，水泥的数量可以减少，直至定出一个混合物，它具有所要求的强度和坍落，而含有初始的0.1%用水减降剂。然后进行成本比例，如果含有用水减降剂的混合物较便宜，就在混合物中再加入0.1%的用水减降剂。再按步骤4的格式重复上述过程，直至定出含有用水减降剂的最佳混合物，但是，前面已讨论过，用水减降剂一般用量最高只约为水泥重量的2%。超过这个数量，将会使混凝土的固化时间增加至不切实际的长度。
概括来看，低强度混凝土中不应加入减少用水量的掺和物。因为这些混凝土只需要很少量的水泥，加入昂贵的用水减降剂在成本方面是不能容许的。但在高强度混凝土中，加入用水减降剂可以显著地减少所需用水的数量，因此使得使用用水减降剂成为经济的。
步骤7：填料
填料是另一种可以包括在优化过程内的掺和物。一种混凝土混合物一般要求水泥要占水泥、细粒料和粗粒料总体积的至少10%，以产生一种能防止混凝土离析和泛浆的粘聚性混合物。但是，某些低强度混凝土可以用少于10%水泥获得所需的强度。因此，可以用颗粒大小基本上与水泥相同的低价的填料。来补充获得要求强度所需的水泥量与获得粘聚的混合物所需的10%水泥这二者之间的差额。
填料一般不具有水泥性质，因而对所得到的混凝土的强度没有直接的贡献。但是与煤灰相似，填料与水泥相比，确实减少了为了获得要求的坍落度所需的拌和水的数量，因而间接地影响所得到的混凝土的坍落度和强度。填料可包括（为了示例而不仅限于这些）。碳酸钙，白云石，花岗岩，玄武岩，和矿石，它们被轧碎成颗粒大小与煤灰相似-颗粒直径小于100μm。为了获得要求的坍落度所需用水量的减少，是因为它们近似球形以及没有水硬活性的结果。填料一般掺入到不含火山灰和其它掺和物的混凝土混合物中。由于填料只用在低强度混合物中，加入火山灰（它们强度只有水泥的一半，而成本是水泥的两倍以上）只会起到增高混凝土混合物成本的作用。
如在以前的步骤中所讨论的，在混合物中为防止离析或泛浆所需的最少水泥体积百分比是约10%。但是，使用了填料，可以用填料取代一部分水泥而使水泥的体积百分比继续减小。在填充密度图上，即使填料取代了水泥，水泥的体积百分比仍保持在恒定的10%，因为填料与水泥具有相同的填充特性。如前面所讨论的，当填料的自然填充密度显著地不同于水泥时，可以用一种赝粒子来代表填料和水泥的混合物。
当加入填料时，为了获得要求的坍落度所需的掺和水量的减少量，近似地与加入煤灰时的数量相同。因此，为了得到具有要求的坍落度而含有填料的混合物，所需的水的体积由下式给出：
W2=W1(S1S2)0.1-WF---(37)]]>
其中，WF是由于加入了填料，为了得到具有要求的坍落度的混合物，所需的水的体积的减少量，它由下式决定：
WF= (W1·%FIL·6)/(100(37)) （38）
式中，%FIL＝在填料与水泥混合物中填料的体积百分比。
于是可用W2的数值来计算28天强度。由于填料对混凝土的强度并无独立的贡献，在步骤2中的公式可用来计算28天强度以及用来估计为了获得要求的强度所需的水泥体积。
步骤8：组合的设计优化系统
了解了怎样优化单独一种掺和物与水泥、细粒料、粗粒料、水结合起来构成的混凝土混合物的过程以后，就可以把各种过程组合成一个系统，这系统使用了嵌套循环，可决定含有各种选择的掺和物组合的最佳混合物，而这些掺和物包括煤灰，雾化二氧化硅，以及用水减降剂。为了示例而不是为了限制本发明的范围，这样的系统在图8（A）-（B）的逻辑流程图中作了揭示。
当然，有好多种方法来计划和执行这系统。但是，它的原理是去计算具有要求的强度和坍落度的，所有可能的水泥、细粒料、粗粒料和各种掺和物的组合的成本。然后比较每种混合物的成本，以确定总的成本最低的混合物。对应的组合物就是整体最佳混合物。实际上并不需要计算全部的混合物。在下面说明的系统中，一旦确定了某种混合物在细·粗粒料比变大时价格变大，就不需继续改变细·粗粒料比了，因为在设定水泥体积下的其它附加混合物都是更昂贵的。
参看图8（A）-（B），方框34要求列出准备掺入混合物中的水泥，细粒料和粗粒料的种类的清单。各组份的种类，是按照它们的平均直径d’，填充密度ψ来分类的，如方框36所示。按步骤1所讨论的，细粒料和粗粒料的种类分别简化为单一的细粒料赝粒子和单一的粗粒料赝粒子，如方框38所示。
然后系统在方框40询问雾化二氧化硅是不是混合物中可能的组份。如果不准备使用雾化二氧化硅，雾化二氧化硅的最大数量就在方框42中设定为0。如果可以用雾化二氧化硅，其最大数量就在方框44限定。按步骤5中的讨论，雾化二氧化硅的体程一般不应超过水泥材料体积的20%。在现在说明的系统中，“水泥材料”包括水泥，煤灰，和雾化二氧化硅。方框46-50要求关于用水减降剂的同样信息，而方框52-56要求关于使用煤灰的信息。
一旦选定了掺和物，就将在此以前的最佳混合物成本XBEST设定为等于无穷大;将用水减降剂，煤灰，和雾化二氧化硅的数量设定为等于零，如分别在方框58-62所示。系统现在已做好准备来确定具有要求的强度和坍落度的初始混合物的成份和成本。这个过程在树64中执行，如图9所示。
方框66开始优化过程，计算对于给定的水泥、细粒料和粗粒料的最大填充密度。这最大填充密度按步骤1所述的方法求出。然后在方框68中，将粘聚安全因子应用在填充密度最大的混合物成份上，以定出一种不会离析或泛浆的初始混合物（见方框70）。方框69将混合物初始优化成本设定为无穷大，以便随后和实际成本比较。
在方框72，计算为了获得要求的坍落度所需的水的体积。根据所需的水的数量，在方框74中确定所得的混合物强度。在方框76中将计算强度与要求的强度比较。假如计算强度不等于要求的强度，在方框78中计算为了获得要求的强度，所需的水泥体积的估计值。而且，方框78还将细粒料和粗粒料的体积重新归一化，使得在新混合物中水泥、细粒料和粗粒料体积之和等于1，而细·粗粒料比保持不变。以上的计算都根据步骤2中的方程进行。
采用新的混合物成份，系统通过循环路径79回到方框72，在该处对新混合物重复以上过程，计算所需的水的数量和所得到的强度，然后将计算强度与要求的强度比较。循环79继续进行到计算强度等于要求的强度，这时就在方框80计算定出的混合物的成本。在方框82中，将从方框80算出的成本与优化混合物的成本进行比较。由于优化混合物的成本最初设定为无穷大，所以具有所要求性质的第一个混合物就被定义为优化混合物，而将该混合物中水泥、细粒料，和粗粒料体积的数值以及其成本在方框84中定义为优化值。
于是系统在方框86将混合物中的细粒料体积与细粒料许可的最大体积比较。按照步骤2中的讨论，这最大体积一般约为固体体积的80%。如果混合物中细粒料的体积小于许可的细粒料体积，系统就移动至方框88，在其中将细粒料的体积增加1%，将粗粒料体积减小相应的数量，规定出新的细·粗粒料比;而水泥的体积保持恒定。然后系统循环回路89返回至方框70，重复进行这过程以确定在新的细·粗粒料比例下，什么样的水泥、细粒料和粗粒料的成份将可得到其计算强度等于要求的强度的混合物。
一旦确定了在新的细·粗粒料比例下具有要求的性质的混合物，就在方框80计算其成本，并与以前定出的优化混合物比较。如果新混合物的成本较低，新混合物就变成优化的混合物，这时就在方框88中规定一个新的细·粗粒料比而让循环89继续进行。循环89将继续进行到它从方框82或86退出。当新规定的优化混合物的细粒料体积等于或大于规定的细粒料最大体积时，循环就从方框86退出。循环89也可从方框82退出，如果新混合物的成本高于原来规定的优化混合物的话。在循环89退出的地点，优化的混合物对应于具有所要求强度和坍落度而成本最低的，由水泥、细粒料和粗粒料构成的总体最佳组合物。
方框90将在方框84确定的优化混合物的成本与最佳成本混合物比较。由于最佳成本在方框58中最初被设定为无穷大，在方框92中的最佳成本在一开始被设定为退出循环89时，在方框84规定的优化混合物。方框92将最佳混合物的成份和成本储存起来。
其次，系统进入一系列嵌套循环，它们递变地增加雾化二氧化硅、煤灰和用水减降剂的体积。将每种优化混合物的成本进行比较，而把最佳混合物贮存在方框92。方框94询问混合物中的雾化二氧化硅数量是否小于雾化二氧化硅的规定许可量。如果是，在水泥材料中雾化二氧化硅的体积就增大1%，如方框96所示。这时系统通过循环回路97回到树64。利用步骤5中的公式，树64现在确定在各种细·粗粒料比例下，包含雾化二氧化硅而具有所要求性能的混合物的成份和成本，在每种混合物中，雾化二氧化硅与水泥材料的比例保持不变。
循环89继续改变细·粗粒料比，直至新混合物在方框82比较时比以前的混合物更昂贵，或者达到了细粒料的最大体积。不论是这两种情况中的哪一种，系统都回到方框90，将方框84中优化混合物的成本与以前的最佳混合物比较。如果这优化混合物的成本较低，优化混合物的成份就变成最佳混合物。系统将检查雾化二氧化硅的数量是否已经达到，如果未达到就再多把1%体积的水泥材料用雾化二氧化硅取代。循环98被重复，以找出在新设定的雾化二氧化硅/水泥材料比例下的新的优化混合物，循环98继续重复，直至混合物中雾化二氧化硅的数量达到雾化二氧化硅的最大数量。
一旦到达雾化二氧化硅的最大数量，系统在方框100询问混合物中的煤灰是否已达到最大数量。如果未达到，就在方框102中用煤灰取代1%体积的水泥材料。回路104使系统回到方框62，在此雾化二氧化硅的体积被重置为零，重新进入树64。
树64现在应用步骤4中的公式，决定包含水泥，1%煤灰（按水泥材料的体积计算），细粒料和粗粒料的优化混合物。得到这混合物以后，就将其成本与方框90中的最佳混合物比较。然后在重复循环98时将雾化二氧化硅递增地加入至混合物中。当循环98递增地加入雾化二氧化硅时，系统就确定含有水泥、1%煤灰、雾化二氧化硅、细粒料和粗粒料的优化混合物，一旦雾化二氧化硅的数量等于雾化二氧化硅的最大数量，循环98就退出，而煤灰的体积百分比再增加1%。当循环98在煤灰体积为2%下重复时，雾化二氧化硅的体积再次被置定为零。这过程继续进行，直到混合物中煤灰的体积等于煤灰的最大数量。
于是系统在方框106中询问用水减降剂的体积是否大于用水减降剂的许可数量。如果不是，就在混合物中加入等于水泥材料重量1%的用水减降剂。系统经回路110回到方框60。然后系统在水减降剂每次增加后重复循环98和104。
每次得到了优化混合物以后，都将其成本与贮存在方框92中的最佳配料成本比较。因此，当用水减降剂的数量等于许可的最大数量，系统从方框112退出而结束，贮存在方框92中的最佳混合物就对应于在水泥、煤灰、雾化二氧化硅、用水减降剂、细粒料和粗粒料全部可能组合中，具有所要求的坍落度和强度而成本最低的混合物。
当水泥与煤灰或雾化二氧化硅单独地组合时，所需水的数量和所得到的混合物强度可分别由步骤4和5中的公式计算。但是，当水泥、煤灰和雾化二氧化硅被组合在一个混合物中时，就要用下列公式。为了使含有雾化二氧化硅和煤灰的混合物具有所要求的坍落度，所需水的数量由下列公式决定：
W2=W1(S1S2)0.1-WEA+WSF---(39)]]>
式中WS和WFA的定义同步骤4和5。
利用求出的W2数值，可以用修正的Feret公式决定方框74中的最终强度。
σ=K ( (V0+ K2VFA+K3VSF)/(VC+ KSVFA+K3VSF+W2+VA) )2（40）
式中：VSF＝%SF·（VT/100） （41）
VFA＝%FA·（VT/100） （42）
VC＝VT-VSF-VFA（43）
而VT等于混合物中水泥、雾化二氧化硅和煤灰的总体积。其它变量的定义同步骤4和5。
如果所要求的强度不等于计算强度，新的水泥、煤灰和雾化二氧化硅的体积估计值，可分别由以下方程算出：
VC(N)=(σDK)0.5+W2+VA1-(σDK)0.51+K2·%FA100-%FA+K3·%SF100-%SF---(44)]]>
VFA (N)= (%FA·VC(N))/(100 -%SF) （45）
VSF (N)= (%SF·VC (N))/(100 -%SF) （46）
式中所有变量的定义与步骤4和5中相同。
使用这些方程时，水泥、煤灰和雾化二氧化硅相对于水泥材料总体积的比率保持不变。水泥和粗粒料的对应体积，可用步骤2中的方程解出。
最后，如在步骤6中更充分的讨论那样，加入用水减降剂只是在决定为了使混合物具有要求的坍落度所需的水的数量时才予以考虑。因此，不论用水减降剂是加入到含有水泥与燥灰，或是含有水泥与雾化二氧化硅，还是含有水泥、煤灰与雾化二氧化硅的混合物中，加入了用水减降剂的结果，上列各方程的变化只是将为了获得所要求的坍落度而需要的水的数量减去一个减少量。
例如，在含有水泥、煤灰、雾化二氧化硅、用水减降剂，细粒料和粗粒料的混合物中，为了获得要求的坍落度所需要的水的数量，可用下式决定：
WS=W1(S1S2)0.1-VFA+WSF-WWR---(47)]]>
其中WFA，WSF和WWR的定义分别见步骤4，5和6。
还应注意，其它火山灰或掺和物的影响也可加入到优化过程中，只需简单地在迭代过程中增加另一个循环。相似地，在上述系统中也可加入填料，但因为填料很少（如果真有的话）加入到包含其它掺和物的混合物中，结果将是相同的。
步骤9：加气剂
加气剂与上面讨论的掺和物不同，它并未摸拟在优化过程之中，而必须在优化过程之后修正。加气剂是使拌和过程中形成的气泡稳定的掺和物。这是通过降低水的表面张力来完成的。加气剂形成一斥水性的薄膜，它是足够坚固的，可以包含气泡并使之稳定，与自然发生的气泡不同，使用加气剂时形成的气泡是非常小的，其直径在约10-1000μm之间。
在混凝土结构中增加空气隙体积百分比的主要好处，是提高硬化的混凝土在潮湿条件下承受冻结和融化的能力，以及提高混凝土混合物的加工性。在潮湿混凝土中的水冻结时，会在水泥浆和粒料的毛细管和孔隙中产生渗透压力和静水压力。由于冻结一融化过程的结果，这些反复产生的压力，可以使混凝土结构膨胀并损害结构的完整性。空气隙可以解除这些压力，它们作为冻结的水可以向其中膨胀的空腔，而不致对混凝土结构产生过大的内部压力。
加气剂可稍为提高混凝土混合物的坍落度和加工性，因为它提供了空气泡，混合物的颗粒可在气泡上移动，从而减少了颗粒之间的摩擦力。此外，在水泥浆中掺入了空气泡，水泥浆的体积增大了，就可有更多的水泥浆包围粒料颗粒并减小它们之间的摩擦力。典型的加气剂包括木松香的盐料（Vinsol树脂），某些合成洗涤剂，磺化木素的盐类，石油酸的盐类，蛋白物质的盐类，脂肪酸和树脂酸以及它们的盐类，烷基苯磺酸盐，以及磺化烃的盐。
一般来说，所加的加气剂的数量是水泥重量的0.02%至0.2%（取决于加气剂内固体的种类和数量），以便在混凝土内产生4%至10%体积的空气含量。所需的加气剂浓度取决于混凝土混合物的粘聚性。优化过程中加入到混合物中的剂量，一般就是销售商建议的剂量。Sika公司提供的Sika Aer加气剂使用的浓度应为水泥重量的0.04%，以产生占混凝土体积5%的空气含量。
优化混合物确定地产生以后，就可以决定在混合物中的实际空气含量。如果在优化过程完成后，对于给定坍落度的空气含量与在步骤2（c）中所用的假设空气含量相比是太低或太高的话，优化过程可以用修正的空气含量数值重新计算，或者用适当数量的加气剂重新构成混合物。空气含量也可以按步骤10的讨论建立模型。与用水减降剂的情况相同，混合物中加气剂的体积百分比一般很小，以致不必考虑加气剂本身会影响混合物的体积。但是在决定混合物强度时是将混合物中掺入的空气数量考虑在内的。
步骤10：系统修正
步骤8的设计系统一旦建立起来后，可以用线性回归分析来改进系统结果的精确度。一般来说，这是通过画出理论决定的为了获得要求的坍落度所需拌和用水的数量与获得要求的坍落度实际需要的拌和用水的数量二者的关系图而完成的。然后确定图上的各数值之间的关系，并将之并入Popovic公式，以提高为了获得要求的坍落度所需水量的理论值的精确度。
实际上，上述过程包括以下步骤：
10（a），决定在步骤8中确定的优化混合物中，为了获得要求的坍落度所需水的数量的理论值。这数量对应于由Popovic公式解出的W2的数值，同时是决定优化的混合物所得到的28天强度时所用的数量。
10（b）、实际上将这理论数量的水与步骤8的优化混合物并在一起。然后实验测定混合物的实际坍落度和空气含量。由于优化过程中含有近似，坍落度和空气的实际值和理论值之间往往不符全。
10（c），利用Popvic公式，解出使上面定出的混合物具有在步骤10（c）确定的实际坍落度所需的水的数量W2。现在步骤10（b）和10（c）分别给出了使一特定混合物具有特定坍落度所需水的数量的实际值和理论值。
10（d），对不同的坍落度要求值重复步骤10（a）-10（d），这些步骤至少要重复三次，想要提高最后结果的精确度，就需要重复更多次。这就提供了两组数值，对应于为了得到规定的坍落度所需的水的理论数量和实际数量。
10（e），以步骤10（d）中的数据作图，对于某一特定坍落度的实际需水量为y坐标，对于特定坍落度的理论需水量为x坐标。研究表明这样的图上应显示出线性关系。
10（f），将步骤10（e）中的线性关系定义为下列形式：
W2c＝（W2·m）+b （48）
其中，W2c对于规定坍落度的实际需水量）使用时，这数值代表对于规定坍落度的经过修正的理论需水量），
W2＝对于规定坍落度的理论需水量，
m＝步骤10（e）中直线的斜率，
b＝y轴截距。
10（g），作出实验测定的每一混合物中空气含量与实验测定的该混合物的坍落度之间的关系图。将它们的关系定义为以下形式：
AIRACT＝（SLUMP·m）+b （49）
式中，AIRACT＝根据对应的坍落度而确定的混合物中的空气体积。
SLUMP＝给定混合物的坍落度，
m＝实际坍落度与对应的空气含量关系直线的斜率，
b＝关系直线的y轴截距。
10（h），将步骤10（g）的公式并入设计优化过程，即在用Popovic公式解出为了获得要求的坍落度所需拌和用水的理论数量后，将所得到的W2值代入步骤10（f）中的方程（48）。求出W2c，就得到为了获得要求的坍落度所需水的数量的改良值或修正值。再把所要求的坍落度代入方程（49），求得混合物中的空气体积。然后将所得到的空气体积和修正的水的体积用于Feret方程，求出混合物的强度。然后按前面所述连续进行优化过程。按这方式，坍落度估计值的误差可以在+或-2cm以内。
步骤11：耐久性
以上的优化过程也可以用来保证选定的混合物对其预期的用途具有足够的耐久性。耐久性是混凝土结构在较长一段时间里维持其完整性的能力，在本专利中是以孔隙度来表示的。孔隙度高的混合物一般具有过高的水浓度或细粒料浓度，因而耐久性低。混合物的总空隙度可由下列方程决定，其中假定水泥的水合反应已经发生了80%。
总孔隙度＝（ (WW- 0.208(WC))/10 )+%AIR (50）
其中WW＝每立方米混凝土中水的重量，
WC＝每立方米混凝土中水泥的重量，
%AIR＝混合物中空气的体积百分比（以混合物中固体的体积为基准）。
于是可在坍落度和强度可保证一种混合物具有所需性能的情况下使用上面的公式。也就是说，一旦发现某种混合物具有充分的强度和坍落度，就可算出其总孔隙度，以判定它是否符合所要求的孔隙度。如果不符合要求的孔隙度，就可增加水泥的体积百分比，从而减小结构的孔隙度，以保证它具有足够的耐久性。
步骤12：产量
总体最佳混合物的比例一旦被确定以后，人们就希望能够算出要得到要求的产量或体积的混合物，各组分需要多少体积。现有的制造方法一般低估了混合物的产量。一般计算建议的混合物体积的方法，是将每种组分的重量除以各自的密度，求得每种组分的体积。再将每种组分的体积加起来，以求得所得到的混合物的总体积。
但是这种方法未计及各种颗粒的填充密度，因而未考虑留存在混合颗粒之间的空隙。结果混合物的实际体积比计算体积大。生产出过剩的混凝土不仅从浪费的材料、时间和能量来看是昂贵的，而且过剩的材料常常很难安全地废弃。
与此不同，本发明揭示了一种决定混合物产量的方法，其中考虑了混合物中的空气体积。这方法要求将每种组分的体积（它们由前面讨论的优化过程定出）除以混合物的总体积，然后将对应的各百分数乘以所需的混合物体积。这些计算决定了为了产生所需体积的混合物，所应加入的每种组分的实际体积。接着，各组分的体积又可乘以各自的比重，以确定为了获得所需产量的混合物，所应加入的每种组分的重量。
例如，产生100立方米某种混合物所需的水泥体积可由下式算出：
水泥体积＝（VC/VT）·100 （51）
其中VC＝在优化过程步骤10中决定的混合物中的水泥体积，它表示为混合物中固体体积的百分数。这些固体（即水泥，细粒料，粗粒料，在适当时还包括煤灰和雾化二氧化硅）体积之和为1。
VT＝在步骤8中定出的优化混合物的总体积。VT是将混合物中水的体积W加上固体的体积（其总和等于1），并将这二者之和除以混合物中空气体积而得到的。因此，总体积由下式表示;
（52）
其中混合物中的空气百分比%AIR可通过试验配料由经验确定。对混合物中每一组分应用上列公式，就可精确地得出为了产生所要求产量的某种混合物，每种组分所需的体积。
实施例
迄今已进行了许多试验，将常规混凝土设计混合物与按本发明上述优化过程设计的混合物作比较。以下是一些说明本发明优化过程实施的例子，以及常规配料与优化配料的比较。
实施例1
在豆形砾石基础混凝土配料设计中，将砂和豆形砾石与1型波特兰水泥混合。各种粒料以其d′和填充密度来表征：
水泥 砂 豆形砾石
d' 0.025mm 1.217mm 5.000mm
Φ 0.560 0.738 0.656
砂和粗粒料的二元填充密度由Toufar模型算出，并按上面步骤1所述与实验值关连起来。图10显示砂和豆形砾石的修正理论填充密度与实验填充密度之间的关系。由于最佳拟合曲线与正比直线相符，这情况说明模型是完美的。图11显示水泥、砂和豆形砾石的修正理论三元填充密度与实验的三元填充密度之间的关系。从图11可以看到，获得了一个精确的模型来估算填充特性。
得到了以上的输入参数，就用上述模型来设计豆形砾石配料，该配料中砂的最大含量是水泥、砂和豆形砾石总体积的55%，强度为25MPa。预期它的坍落度为5cm，空气含量为2.0%体积。预告出第一个优化的配料设计为：
水泥 289.9 kg/m3
砂 1109.3 kg/m3
豆形砾石 693.1 kg/m3
水 200.5 kg/m3
Φ 0.804
在加入了等于粒料吸收量的附加数量的水以后（砂的1.01%重量和豆形砾石的1.42%重量），将混凝土配料在圆筒混料机内拌和3分钟，并测量其坍落度和空气：
实际坍落度 5.0cm
实际空气 3.8%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤2所述计算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。
然后用相同的材料去模拟第二个配料设计，该配料最多含有50%体积的砂，具有25MPa的强度，15cm的坍落度，预期空气含量为2.0%。得到的是以下的配料：
水泥 309.2 kg/m3
砂 1076.0 kg/m3
豆形砾石 672.3 kg/m3
水 215.1 kg/m3
Φ 0.807
在加入等于粒料吸收量的附加数量的水以后（砂的重量的1.01%的豆形砾石重量的1.42%），将混凝土在圆筒形混料机内拌和3分钟，再测得坍落度和空气：
实际坍落度 22.0cm
实际空气 3.3%体积
利用实际得到的坍落度和空气的数值，按步骤2所述算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。最先两种配料的实际需水量作为理论需水量的函数表示在图12（标号1和2）。根据图上最先的两点，在观察到的坍落度下的实际需水量（按体积计）可按以下方程与理论需水量关连起来：
W实际＝0.609W理论+0.116
现在将这方程用来修正步骤2计算得到的理论需水量。
最先两种配料的空气含量实测值为作为实际坍落度的函数表示在图13上（标号1和2）。根据图上最先的两点，实际空气含量可按下列方程与坍落度关连起来：
AIR实际＝-0.029·SLUMP+3.947
现在用这方程来预告实际空气含量，用以代入Feret方程。
按照模拟混凝土内实际坍落度和空气含量的最初步骤，将得到的模型用来精确估计混凝土的坍落度。利用以上相同的材料，估计砂的最大含量为55%体积，强度为25MPa的混凝土的坍落度和空气含量，得到下列结果：
配料 坍落度 空气
# 估计 实际 估计 实际
3 10.0 11.0 3.7 4.0
4 15.0 16.2 3.6 5.0
5 10.0 12.0 4.0 4.3
6 7.0 6.5 4.2 4.8
在每种配料拌和好以后，估计对应于实际坍落度的理论需水量，并表示在图12中。点子的数目增多，可以增加估计实际坍落度的精确度。相似地，将实际空气含量表示在图13中，以增加估计空气含量的精确度。实际坍落度与设计坍落度的关系表示在图14中。从图14可以看到，最先两个坍落度一般是不正确的。将实际坍落度和空气记录下来，并将这信息输回至模型内，可提高精确度，使随后的坍落度被记录得更精确。精确度近似为2.0cm。
如上面所展示的，本发明相对于传统设计方法的优点是基本上只需两个配料设计来使模型完善，并预告出具有正确的强度、空气含量和坍落度而材料成本在可能情况下最低的混凝土。
实施例2
在豆形砾石基础混凝土配料设计中，将砂和豆形砾石与1型波特兰水泥混合。用实施例1中同样的输入参数，利用上述方法来估计一种豆形砾石配料设计，该配料中砂的最大含量是水泥、砂和豆形砾石总体积的50%，强度为25MPa。预期它的坍落度为5cm，空气含量为2.5%体积。预告的第一个优化配料设计为：
水泥 257.8 kg/m3
砂 1030.4 kg/m3
豆形砾石 864.3 kg/m3
水 171.0 kg/m3
Φ 0.804
在加入了等于粒料吸收量的附加数量的水以后（砂的重量的1.2%以及豆形砾石重量的1.4%），将混凝土配料在圆筒混料机内拌和三分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 2.5cm
实际空气 3.0%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤2所述计算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。
再用相同的材料去模拟第二个配料设计，该配料最多含有50%体积的砂，具有25MPa的强度，15cm的坍落度，预期空气含量为2.0%。得到的是以下的配料：
水泥 275.3 kg/m3
砂 1025.4 kg/m3
豆形砾石 819.6 kg/m3
水 189.4 kg/m3
Φ 0.809
在加入等于粒料吸收量的附加数量的水以后（砂的重量的1.2%和豆形砾石重量的1.4%），将混凝土配料在圆筒混料机内拌和3分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 5.5cm
实际空气 2.7%体积
利用实际测得的坍落度的空气数值，按步骤2所述算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。最先两种配料的实际需水量作为理论需水量的函数表示在图15（标号1和2）。根据图上这最先的两点，实际需水量可按以下方程与理论需水量关连起来：
W实际＝1.740W理论-0.124
现在用这方程来修正步骤2计算得到的理论需水量。由图15可见，在试验第一个坍落度时有一些问题;点＃1的位置完全不对。遗憾的是，配料3的模型是以配料1和2为根据的。如以下将展示的，试验更多的配料可将模型改正。并增加预告坍落度程序的精确度。
按照模拟混凝土实际坍落度的最初步骤，得到的模型现在用来精确估计混凝土的坍落度。利用以上同样的材料，估计砂的最大含量为50%体积，强度为25MPa的混凝土的坍落度和空气含量，得到了下列结果：
配料 坍落度 空气
# 估计 实际 估计 实际
3 10.0 8.0 2.0 2.3
4 15.0 14,3 2.0 1.7
5 12.0 11.0 1.9 2.2
6 7.0 6.3 2.9 2.8
7 5.0 4.5 2.5 2.5
8 10.0 10.1 2.5 1.8
9 5.0 3.6 2.5 2.6
在每种配料拌和好以后，算出对应于实际坍落度的理论需水量，并表示在图15中。点子数目增多，增加了估计实际坍落度的精确度。相似地，将实际空气含量标示在图16中，以增加估计实际空气含量的精确度。还有一个图是实际坍落度与设计坍落度的关系（图17）。从图17可以看到，只有配料＃1和＃2的坍落度是不精确的。随着模型对这偏差作出修正，其余配料都产生了正确的坍落度。
结果得到一种具有正确的强度，空气含量和坍落度而材料成本最低的混凝土。
实施例3
在豆形砾石基础混凝土配料设计中，将砂和豆形砾石与1型波特兰水泥和煤灰混合。用实施例1中同样的输入参数，利用前述对煤灰的模型来估计一种豆形砾石配料设计，该配料中砂的最大含量是水泥、砂和豆形砾石总体积的60%，煤灰的最大含量是水泥重量的30%，强度为30MPa。预期它的坍落度为5cm，空气含量为2.0%体积。预告的第一个优化配料设计为：
水泥 298.8 kg/m3
煤灰 128.0 kg/m3
砂 1220.4 kg/m3
豆形砾石 461.9 kg/m3
水 190.5 kg/m3
Φ 0.805
在加入了等于粒料吸收量的附加数量的水（砂的重量的1.01%以及豆形砾石重量的1.42%）以后，将混凝土配料在圆筒混料机内拌和三分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 3.5cm
实际空气 3.1%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤4所述计算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。
再用相同的材料去模拟第二个配料设计，该配料最多含有60%体积的砂，30%煤灰，具有30MPa的强度，15cm的坍落度，预期空气含量为2.0%。得到的是以下的配料：
水泥 333.8 kg/m3
煤灰 134.8 kg/m3
砂 1188.1 kg/m3
豆形砾石 397.5 kg/m3
水 213.1 kg/m3
Φ 0.801
在加入等于粒料吸收量的附加数量的水（砂的重量的1.01%和豆形砾石重量的1.42%）以后，将混凝土配料在圆筒混料机内拌和3分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 19.5cm
实际空气 1.8%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤4所述算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。最先两种配料的实际需水量作为理论需水量的函数表示在图18（标号1和2）。根据图上这最先的两点，以体积表示的实际需水量可按以下方程与理论需水量关连起来：
W实际＝0.489W理论+0.127
现在用这方程来修正步骤4计算得到的理论需水量。
最先两种配料的空气含量实测值作为实际坍落度的函数表示在图19上（标号1和2）。根据图上这最先两点，实际空气含量可按下列方程与坍落度关连起来：
AIR实际＝-0.081·SLUMP+3.384
现在用这方程来预告实际空气含量，以用来决定混合物的强度。
按照模拟混凝土实际坍落度和空气含量的最初步骤，得到的模型现在可用来精确估计混凝土的坍落度。利用以上同样的材料，估计砂的最大含量为60%体积，煤灰含量为30%，强度为30MPa的混凝土的坍落度和空气含量，得到了下列结果：
配料 坍落度 空气
# 估计 实际 估计 实际
3 10.0 6.5 2.6 3.0
4 12.0 8.5 2.5 2.8
5 7.0 6.0 2.9 3.1
6 14.0 14.0 2.3 2.3
7 10.0 7.0 2.7 2.9
在每种配料拌和好以后，算出对应于实际坍落度的理论需水量，并表示在图18中。点子数目增多，增加了估计实际坍落度的精确度。相似地，将实际空气含量表示在图19中，以增加估计实际空气含量的精确度。还有一个图是实际坍落度与设计坍落度的关系（图20）。从图20可以看到，对大多数配料来说，实际坍落度落在与设计坍落度相当近的地方。
结果是再次得到一种具有正确的强度，空气含量和坍落度而材料成本最低的（带有煤灰的）混凝土。
实施例4
在豆形砾石基础混凝土配料设计中，将砂和豆形砾石与1型波特兰水泥和一种加气剂混合。用实施例1中同样的输入参数，利用前面步骤9和10中的模型来估计一种豆形砾石配料设计，该配料中砂的最大含量是水泥、砂和豆形砾石总体积的60%，加气剂含量是水泥重量的0.04%，强度为25MPa。预期它的坍落度为20cm，空气含量为3.0%体积。预告的第一个优化配料设计为：
水泥 347.6 kg/m3
加气剂 0.139 kg/m3
砂 1182.2 kg/m3
豆形砾石 532.0 kg/m3
水 208.6 kg/m3
Φ 0.806
在加入了等于粒料吸收量的附加数量的水（砂的重量的1.01%以及豆形砾石重量的1.42%）以后，将混凝土配料在圆筒混料机内拌和三分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 15.2cm
实际空气 6.3%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤2所述计算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。
再用相同的材料去模拟第二个配料设计，该配料含有最多含有60%体积的砂，0.04%加气剂，具有25MPa的强度，15cm的坍落度，预期空气含量为4.0%。得到的是以下的配料：
水泥 339.2 kg/m3
加气剂 0.136 kg/m3
砂 1197.6 kg/m3
豆形砾石 538.9 kg/m3
水 192.8 kg/m3
Φ 0.806
在加入等于粒料吸收量的附加数量的水（砂的重量的1.01%和豆形砾石重量的1.42%）以后，将混凝土配料在圆筒混料机内拌和3分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 3.0cm
实际空气 5.9%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤2所述算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。最先两种配料的实际需水量作为理论需水量的函数表示在图21（标号1和2）。根据图上这最先的两点，以体积表示的实际需水量可按以下方程与理论需水量关连起来：
W实际＝0.893W理论+0.083
现在用这方程来修正步骤2计算得到的理论需水量。
最先两种配料的空气含量实测值作为实际坍落度的函数表示在图22上（标号1和2）。根据图上这最先的两点，实际空气含量可按下列方程与坍落度关连起来：
AIR实际＝0.033·SLUMP+5.802
现在用这方程来预告实际空气含量，以用来决定混合物的强度。
按照模拟混凝土实际坍落度和空气含量的最初步骤，得到的模型现在可用来精确估计混凝土的坍落度。利用以上同样的材料，估计砂的最大含量为60%体积，加气剂含量为0.04%，强度为25MPa的混凝土的坍落度和空气含量，得到了下列结果：
配料 坍落度 空气
# 估计 实际 估计 实际
3 12.0 16.0 6.2 5.0
4 5.0 8.5 5.9 5.5
5 7.0 8.5 5.7 6.5
6 10.0 10.0 5.8 6.5
在每种配料拌和好以后，算出对应于实际坍落度的理论需水量，并表示在图21中。点子数目增多，增加估计实际坍落度的精确度。相似地，将实际空气含量标示在图22中，以增加估计实际空气含量的精确度。还有一个图是实际坍落度与设计坍落度的关系（图23）。从图23可以看到，在最先两个起始配料以后，大多数配料的实际坍落度与设计坍落度相当接近。
结果是再次得到一种具有正确的强度，空气含量和坍落度而材料成本最低的（带有加气剂的）混凝土。
实施例5
设计一种使用碳酸钙填料的低强度混凝土。混凝土设计强度为15MPa，砂的含量最多是水泥、填料、砂和豆形砾石总体积的60%。为了保证良好的粘聚性，所用的水泥和填料的体积至少占水泥、填料、砂和豆形砾石总体积的10%。按实施例1和2所述，用最初两个配料建立起模型以后，设计出坍落度为3.5cm的下列配料：
水泥 201.4 kg/m3
填料 74.1 kg/m3
砂 1220.4 kg/m3
豆形砾石 461.9 kg/m3
水 190.5 kg/m3
使用填料后，只用了为了获得要求的强度所必需量的水泥;粘聚性是通过加入填料而获得的。如果不使用填料，就要多用一些水泥来保证粘聚性，结果优化的混凝土将具有20.7MPa的强度。比较这两种配料，使用填料后材料成本降低了3.60美元/m3。
实施例6
在豆形砾石基础混凝土配料设计中，将砂和豆形砾石与1型波特兰水泥和超增塑剂混合。用实施例1中同样的输入参数，利用前面步骤8中对用水减降剂的模型来估计一种豆形砾石配料设计，该配料中砂的最大含量是水泥、砂和豆形砾石总体积的50%，WRDA-19的最大含量是水泥重量的2%，强度为35MPa。预期它的坍落度为2cm，空气含量为9.0%体积。预告的第一个优化配料设计为：
水泥 383.0 kg/m3
WRDA-19 7.7 kg/m3
砂 991.7 kg/m3
豆形砾石 711.1 kg/m3
水 142.0 kg/m3
Φ 0.813
在加入了等于粒料吸收量的附加数量的水（砂的重量的1.01%以及豆形砾石重量的1.42%）并减去WRDA-19的含水量（60%水）以后，将混凝土配料在圆筒混料机内拌和三分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 5.0cm
实际空气 7.9%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤8所述计算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。
再用相同的材料去模拟第二个配料设计，该配料含有最多50%体积的砂，2%WRDA-19，具有35MPa的强度，4cm的坍落度，预期空气含量为9.0%。得到的是以下的配料：
水泥 397.6 kg/m3
WRDA-19 8.0 kg/m3
砂 990.8 kg/m3
豆形砾石 676.3 kg/m3
水 150.9 kg/m3
Φ 0.813
在加入等于粒料吸收量的附加数量的水（砂的重量的1.01%和豆形砾石重量的1.42%）并减去WRDA-19的含水量（60%水）以后，将混凝土配料在圆筒混料机内拌和3分钟，然后测量其坍落度和空气：
实际坍落度 7.3cm
实际空气 7.5%体积
利用实际测得的坍落度和空气数值，按步骤8所述算出理论需水量，以修正/模拟实际坍落度与水的关系。最先两种配料的实际需水量作为理论需水量的函数表示在图24（标号1和2）。根据图上这最先的两点，实际需水量可按以下方程与理论需水量关连起来：
W实际＝1.423W理论-0.125
现在用这方程来修正步骤8计算得到的理论需水量。
最先两种配料的空气含量实测值作为实际坍落度的函数表示在图25上（标号1和2）。根据图上这最先的两点，实际空气含量可按下列方程与坍落度关连起来：
AIR实际＝-0.174·SLUMP+8.770
现在用这方程来预告步骤8中的实际空气含量。
按照模拟混凝土实际坍落度和空气含量的最初步骤，其算法和得到的模型现在可用来精确估计混凝土的坍落度。利用以上同样的材料，估计砂的最大含量为50%体积，WRDA-19的含量为2%，强度为35MPa的混凝土的坍落度和空气含量，得到了下列结果：
配料 坍落度 空气
# 估计 实际 估计 实际
3 12.0 12.8 6.7 9.5
4 10.0 11.4 8.7 9.0
5 5.0 4.4 7.5 7.9
6 15.0 15.5 9.7 10.3
7 10.0 11.5 8.8 9.3
8 8.0 7.5 8.4 8.0
9 6.0 4.1 7.9 7.2
10 7.0 6.8 8.1 7.9
在每种配料拌和好以后，算出对应于实际坍落度的理论需水量，并表示在图24中。点子数目增多，增加了估计实际坍落度的精确度。相似地，将实际空气含量标示在图25中，以增加估计实际空气含量的精确度。还有一个图是实际坍落度与设计坍落度的关系（图26）。从图26可以看到，大多数配料的实际坍落度与设计坍落度相当接近。
结果再次得到一种具有正确的强度，空气含量和坍落度而材料成本最低的（带有用水减降剂的）混凝土。
实施例7
某建筑承包商要求混凝土在1/2小时内运至建筑工地时其坍落度损失不大于5.0cm。混凝土的强度应为35MPa，在工地的坍落度应为10.0cm。
混凝土是按实施例6设计的，但不是用最大数量的超增塑剂即2%的WRDA19，而是普通用水减降剂与超增塑剂的组合来减小坍落度损失。按照以下的配料设计，加入了最大建议剂量即1.0%的普通增塑剂（WRDA-79）与1.0%的超增塑剂（WRDA-19）一起使用，以达到最大设计浓度2.0%。
水泥 414 kg/m3
WRDA-19 4.1 kg/m3
WRDA-77 4.1 kg/m3
砂 967 kg/m3
豆形砾石 660 kg/m3
水 142 kg/m3
坍落度 15.5 cm
空气 10.3%
当在工地接收时，1/2小时内混凝土的坍落度为11.5cm，可与只用超增塑剂，坍落度为8.5cm的配料相比。
本实施例说明了同时使用普遍用水减降剂和高性能用水减降剂时，坍落性能的可预知性。
实施例8
按照ACI标准211.1.89“选择普通、特重和大块混凝土配比的建议方法”设计了一种抗压强度为25MPa，坍落度为5cm的混凝土混合物。所用材料的成本为：
水泥 74.96 美元/吨
砂 5.60 美元/吨
粗粒料 11.02 美元/吨
粗粒料的最大尺寸为10mm，砂的细度模数为2.34-2.4。
以下是根据ACI建议设计的配料：
水泥 330 kg/m3
砂 954 kg/m3
粗粒料 762 kg/m3
水 205 kg/m3
空气 3 %
坍落度 3-5 cm
价格 38.39 美元/m3
按照本发明以上说明的系统，设计的配料为：
水泥 303 kg/m3
砂 1192 kg/m3
粗粒料 573 kg/m3
水 195 kg/m3
空气 4.0 %
坍落度 4.7 cm
价格 35.60 美元/m3
坍落度、空气和强度的结果都是实际测量的结果。
如所展示的，本发明方法相对于ACI标准的优点是在得到了实际的坍落度和强度的同时，成本节约了2.79美元/m3。
实施例9
按照ACI标准211.1.89“选择普通、特重和大块混凝土配比的建议方法”设计了一种抗压强度为25MPa，坍落度为10cm的混凝土混合物。所用材料的成本为：
水泥 74.96 美元/吨
砂 5.60 美元/吨
粗粒料 11.02 美元/吨
粗粒料的最大尺寸为10mm，砂的细度模数为2.34-2.4。
以下是根据ACI建议设计的配料
水泥 362 kg/m3
砂 875 kg/m3
粗粒料 762 kg/m3
水 225 kg/m3
空气 3 %
坍落度 8-10 cm
价格 40.35 美元/m3
按照本发明的系统，设计的配料为：
水泥 312 kg/m3
砂 1174 kg/m3
粗粒料 565 kg/m3
水 212 kg/m3
空气 4.3 %
坍落度 11.2 cm
价格 36.11 美元/m3
坍落度，空气和强度的结果都是实际测量的结果。
如所展示的，本发明方法相对于ACI标准的优点，是在得到了实际的坍落度和强度的同时，成本节约了4.24美元/m3。
实施例10
按照ACI标准211.1.89“选择普通、特重和大块混凝土配比的建议方法”设计了一种抗压强度为25MPa，坍落度为15cm的混凝土混合物。所用材料的成本为：
水泥 74.96 美元/吨
砂 5.60 美元/吨
粗粒料 11.02 美元/吨
粗粒料的最大尺寸为10mm，砂的细度模数为2.34-2.4。
设计出的配料如下：
水泥 387 kg/m3
砂 816 kg/m3
粗粒料 762 kg/m3
水 240 kg/m3
空气 3.0 %
坍落度 15-18 cm
价格 41.90 美元/m3
按照前面所述的算法，设计的配料为：
水泥 303 kg/m3
砂 1192 kg/m3
粗粒料 573 kg/m3
水 195 kg/m3
空气 4.0 %
坍落度 4.7 cm
价格 35.6 美元/m3
坍落度、空气和强度的结果都是实际测量的结果。
如所展示的，本发明方法相对于ACI标准的优点，是在得到了实际的坍落度和强度的同时，成本节约了6.30美元/m3。
实施例11
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为13.8MPa，可泵抽的豆形砾石基础混凝土，其配料设计为：
水泥 329 kg/m3
砂 1224 kg/m3
豆形砾石 530 kg/m3
水 214 kg/m3
成本 37.24 美元/m3
按照本发明的系统，将混凝土重新设计，使其坍落度为10cm，强度为16.6MPa。
作为安全措施，强度设计略超标准。
水泥 242 kg/m3
砂 1165 kg/m3
豆形砾石 602 kg/m3
水 234 kg/m3
成本 31.20 美元/m3
利用本发明的设计方法，每m3混凝土可节约6.04美元。
实施例12
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为17.2MPa的，可泵抽的豆形砾石基础混凝土，其配料设计为：
水泥 368 kg/m3
砂 1205 kg/m3
豆形砾石 517 kg/m3
水 214 kg/m3
成本 39.93 美元/m3
再按本发明的系统设计一种坍落度为10cm，强度为20.0MPa（增大了2.8MPa）的混凝土。
作为安全措施，强度设计略超标准。
水泥 277 kg/m3
砂 1172 kg/m3
豆形砾石 574 kg/m3
水 231 kg/m3
成本 33.60 美元/m3
利用本发明的设计方法，在保证混凝土具有优良品质的同时，每m3混凝土节约了6.33美元。
实施例13
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为20.7MPa的，可泵抽的豆形砾石基础混凝土，其配料设计为：
水泥 368 kg/m3
砂 1188 kg/m3
粗粒料 513 kg/m3
水 214 kg/m3
空气 1.5 %
价格 41.73 美元/m3
按照本发明的系统，将混凝土重新设计，使其坍落度为10cm，强度为23.5MPa。作为安全措施，强度的设计略超标准。
水泥 307 kg/m3
砂 1177 kg/m3
粗粒料 547 kg/m3
水 229 kg/m3
空气 1.5 %
价格 35.57 美元/m3
利用本发明的设计方法，在保证混凝土具有优良品质的同时，每m3混凝土节约了6.16美元。
实施例14
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为13.8Ma的1″岩石混凝土。典型的配料为：
水泥 265 kg/m3
砂 820 kg/m3
岩石 972 kg/m3
水 211 kg/m3
空气 1.5%
价格 35.18 美元/m3
按照本发明的系统设计了下列配料，其坍落度为10cm，抗压强度为16.6MPa。作为安全措施，强度的设计略超标准。
水泥 224 kg/m3
砂 1203 kg/m3
岩石 642 kg/m3
水 210 kg/m3
空气 1.5%
价格 32.00 美元/m3
利用本发明的设计方法，在保证混凝土具有优良品质的同时，每m3混凝土节约了3.18美元。
实施例15
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为17.2MPa的1″岩石混凝土，典型的配料为：
水泥 294 kg/m3
砂 814 kg/m3
岩石 968 kg/m3
水 206 kg/m3
空气 1.5 %
价格 37.08 美元/m3
利用本发明的算法设计了下列坍落度为10cm，抗压强度为20.0MPa的配料。作为安全措施，强度的设计略超标准。
水泥 252 kg/m3
砂 1211 kg/m3
岩石 615 kg/m3
水 208 kg/m3
空气 1.5%
价格 33.59 美元/m3
利用本发明的设计方法，在保证混凝土具有优良品质的同时，每m3混凝土节约了3.49美元。
实施例16
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为20.7MPa的1″岩石混凝土。典型的配料为：
水泥 323 kg/m3
砂 810 kg/m3
岩石 962 kg/m3
水 200 kg/m3
空气 1.5%
价格 39.24 美元/m3
再用本发明的系统设计了下列坍落度为10cm，抗压强度为23.5MPa的配料。作为安全措施，强度的设计略超标准。
水泥 276 kg/m3
砂 1204 kg/m3
岩石 611 kg/m3
水 204 kg/m3
空气 1.5%
价格 35.18 美元/m3
利用本发明的设计方法，在保证混凝土具有优良品质的同时，每m3混凝土节约了4.06美元。
某现成配料混凝土厂生产一种坍落度为10cm，抗压强度为27.6MPa的1″岩石混凝土。典型的配料为：
水泥 376 kg/m3
砂 783 kg/m3
岩石 936 kg/m3
水 204 kg/m3
空气 1.5%
价格 42.99 美元/m3
再用本发明的系统设计出下列坍落度为10cm，抗压强度为30.4MPa的配料。作为安全措施，强度的设计略超标准。
水泥 336 kg/m3
砂 1168 kg/m3
岩石 593 kg/m3
水 207 kg/m3
空气 1.5%
价格 38.04 美元/m3
利用本发明的设计方法，在保证混凝土具有优良品质的同时，每m3混凝土节约了4.95美元。
实施例18
在常规的混凝土分批配料时，各别组分的称量已越来越精确。利用现代化的设备，现在水的称量可精确至每m3只相差1升。但是在记录坍落度时，即使所有组分散称量得非常精确，在各批混凝土之间仍然观察到很大的变化。如果测得的坍落度太低，一般总是多加一些水，结果使水/水泥比太高，从而使抗压强度发出无法控制的下降。而若测得的坍落度太高，则过度的泛浆和/或离析会导致有害的内部缺陷，使混凝土的总体质量低劣。
在某现成配料混凝土厂进行的一系列测试，表明颗粒的平均尺寸d′和填充密度Φ的变化很大。图27表示豆形砾石填充密度每天测量一次的结果。图上画出了表明平均填充密度和最大、最小填充密度的线。图28显示了与图27相同的豆形砾石样品的d′。d′的平均值，最大值和最小值也用线表示在图上。根据图27和28，可以得出结论：观察到的豆形砾石的变化是大的，它是产品观察到的坍落度变化的原因。这个结果表明，为了提高混凝土的总体策量，有必要不断地控制各种材料的变化。
实施例19
与实施例18相似，对一种典型的砂逐日测量了它的变化。结果示于图29和30。从图上可以看到，d′和填充密度都有很大的变化。
这结果也表明了，为了提高混凝土的总体质量，有必要不断地控制各种材料的变化。
实施例20
与实施例19相似，对一种典型的1″岩石逐日测量了它的变化。结果示于图31和32。从图上可看到，d′和填充密度都有很大的变化。
这结果表明，为了提高混凝土的总体质量，有必要不断地控制各种材料的变化。
实施例21
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例11所讨论的豆形砾石配料时，发现如果砂和豆形砾石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则所设计的强度为13.8MPa，坍落度为10cm的混凝土的成本为：
最坏的填充密度 32.17 美元/m3
与正常配料相比的节省值 5.07 美元/m3
最好的填充密度 30.47 美元/m3
与正常配料相比的节省值 6.77 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例22
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例12所讨论的豆形砾石配料时，发现如果砂和豆形砾石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则设计的坍落度为10cm，强度为17.2MPa的混凝土的成本为：
最坏填充密度 34.25 美元/m3
与正常配料相比的节省值 5.68 美元/m3
最好填充密度 32.16 美元/m3
与正常配料相比的节省值 7.77 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例23
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例13所讨论的豆形砾石配料时，发现如果砂和豆形砾石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则所设计的坍落度为10cm、强度为20.7MPa的混凝土的成本为：
最坏填充密度 36.19 美元/m3
与正常配料相比的节省值 5.54 美元/m3
最好填充密度 33.78 美元/m3
与正常配料相比的节省值 7.95 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例24
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例14所讨论的1″岩石配料时，发现如果砂和岩石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则所设计的坍落度为10cm、强度为13.8MPa的混凝土的成本为：
最坏填充密度 32.70 美元/m3
与正常配料相比的节省值 2.48 美元/m3
最好填充密度 31.74 美元/m3
与正常配料相比的节省值 3.44 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例25
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例15所讨论的1″岩石配料时，发现如果砂和岩石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则设计的坍落度为10cm、强度为17.2MPa的混凝土的成本为：
最坏填充密度 34.40 美元/m3
与正常配料相比的节省值 2.68 美元/m3
最好填充密度 33.34 美元/m3
与正常配料相比的节省值 3.74 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例26
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例16所讨论的1″岩石配料时，发现如果砂和岩石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则设计的坍落度为10cm、强度为20.7MPa的混凝土的成本为：
最坏填充密度 36.10 美元/m3
与正常配料相比的节省值 3.14 美元/m3
最好填充密度 34.82 美元/m3
与正常配料相比的节省值 4.42 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例27
已经发现，实施例18，19和20所示的材料变化，对实际混凝土的坍落度有重大影响，因而也对为了获得给定的坍落度所需的水量以及为了得到给定的强度所需的水泥量有重大影响。
在设计实施例17所讨论的1″岩石配料时，发现如果砂和岩石按照图27-32所示的变化来组合时，即以两种组分的最高和最低填充密度来组合时，则设计的坍落度为10cm、强度为27.6MPa的混凝土的成本为：
最坏填充密度 39.17 美元/m3
与正常配料相比的节省值 3.82 美元/m3
最好填充密度 37.58 美元/m3
与正常配料相比的节省值 5.41 美元/m3
这结果表明，设计混凝土时控制材料的性质，在经济上是有意义的。
实施例28
实施例21-27所揭示的结果表明，对于混凝土材料的d′和填充密度变化的在线监控，已显示出：
更一致的流动性质
更一致的强度性质
更一致的混凝土品质
材料成本的降低
这些结果表明，随着材料变化而变化的动态配料设计，是设计混凝土的新途径。在这种方式下，当材料变化时，仍能保证得到最佳的混凝土性质。
实施例29
实施例1-7中设计的具有不同坍落度的各种混凝土，都显示优良的粘聚性，并无可观察到的泛浆或离析的征象。
实施例30
实施例8-10中所设计的混凝土，都具有良好的粘聚性，而且在与ACI建议的配料设计相比时，其泛浆与离析可忽略不计。
实施例31
实施例11-17中所设计的混凝土，与现成配料混凝土厂的普通配料设计相比时，显示出良好的粘聚性与可忽略的泛浆和离析。
实施例32
准备用于预期寿命为100年的高耐久性混凝土桥结构中的粗粒料有三种：2-8mm范围的花岗石，8-16mm范围的花岗石和16-32mm范围的花岗石。因为这原因，孔隙度必须尽量减小，而且混凝土在最低水含量下必须是可加工的。
因此对粒料进行填充优化，以提高混凝土的加工性。粒料的填充密度和平均颗粒尺寸为：
d' Φ
花岗石2-8mm 6.0mm 0.601
花岗石8-16mm 13.6mm 0.598
花岗石16-32mm 24.7mm 0.614
三种粒料的估计填充密度如图33所示。由图中可见，最大填充密度为0.68，是在以下的成分时得到的：
粒料2-8mm 30%体积
粒料8-16mm 25%体积
粒料16-32mm 45%体积
利用粒料的最佳组合，可以得到加工性能非常好，符合承包商规格要求的混凝土，结果所用超增塑剂的数量，在与承包商在普通配料设计中所用的数量相比时可以减少，相当于成本节约了大约400，000美元。
Ⅳ.结语
由以上的内容可知，本发明提供了新颖的方法和制造技术，用以一致地和可预知地生产均匀的水泥组合物和产品，这些组合物和产品保证符合预定的质量特性并满足预定的性能判据。
本发明也提供一致的和可预知的新颖水泥组合物和产品，它们符合预定的设计和工作标准，同时将超标准设计水泥材料的必要性减至最低，从而将制造成本降至最低。
本发明也提供了一些制造方法，即使所用的原材料（例如水泥、砂、砾石、粒料、水和掺和物）具有变化的质量和特性时，这些方法也能一致地和可预知地生产这些均匀的水泥组合物和产品。
本发明提供了新颖的组合物和制造水泥组合物和产品的方法，保证所得的产品无须由卡车驾驶员改变其配料规格。
而且，本发明提供了制造对其预想用途具有足够耐久性的水泥组合物和产品的方法。
本发明也提供了设计混凝土的新颖方法，可使水泥组合物符合所要求的强度，坍落度和耐久性。
本发明还提供了新颖的组合物和设计混凝土的方法，可使试验-改错的近似方法被淘汰。
再者，本发明提供了新颖的组合物和设计混凝土的方法，可确知对于某种包含多种组分和掺和剂的混凝土的设计，既是性能最佳的又是成本效率最高的。
最后，本发明提供了新颖的方法，可在现场对应于原材料的变化，而在“实时”改变制造方法。
本发明可在其它具体形式实施而不背离其精神和基本特性。所说明的实施例应该在所有方面都认为只是为了示例而不是为了限制。因此本发明的范围是由后附的权利要求书指出，而不是由前后的说明书指出。在各权利要求含意范围内和等价范围内的变化都应包括在其范围内。