CN106565162A - 钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，该方法在研究再生粗骨料、钢纤维各项性能指标对其配合比设计影响的基础上，建立适合钢纤维再生粗骨料混凝土特点的水胶比、钢纤维用量、单方用水量和砂子体积的计算公式，包括以下步骤：(1)确定水胶比，(2)确定钢纤维用量，(3)确定单方用水量，(4)确定砂子体积，(5)确定水泥用量，(6)确定各组分的体积及质量。本发明的配合比设计方法能够简单有效的进行钢纤维再生粗骨料混凝土的配合比设计，为钢纤维再生粗骨料混凝土的规范编制以及实际工程应用提供了依据。

Description

钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法

技术领域

本发明属于混凝土配制技术领域，具体涉及一种钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法。

技术背景

再生混凝土是指破碎加工之后的废弃混凝土为骨料的混凝土，再生混凝土的利用不仅从根本上解决了废弃混凝土的处理问题，还能全部或部分取代天然骨料，减少天然骨料的使用和开采，具有显著的经济、社会和环境效益。与天然骨料相比，再生骨料表观密度低、吸水率大、孔隙多，因此再生粗骨料的性能对于混凝土的利用具有一定的影响，目前再生粗骨料混泥土多用于道路和填充等非结构领域。为了扩大再生粗骨料混凝土的应用领域，将钢纤维加入再生粗骨料混凝土中，钢纤维可以有效弥补再生混凝土强度低和韧性差的缺陷，使钢纤维再生粗骨料混凝土性能达到普通混凝土的要求，可有效扩大再生骨料混凝土的应用范围。

虽然关于钢纤维再生混凝土的力学性能的研究很多，但是目前国内外还没有适合钢纤维再生粗骨料混凝土配合比的设计方法，通常是运用普通混凝土配合比设计方法进行配合比的设计，运用该方法配置的钢纤维再生粗骨料混凝土强度一般会低于其设计强度、坍落度，流动性也比较差。尤其是对钢纤维用量的选择没有合适的设计方法，一般是根据经验进行选择，在一定程度上造成钢纤维的浪费。配合比设计是混凝土材料领域的关键问题，也是研究混凝土材料基本性能的基础，由于目前没有确定的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比的设计方法，造成实验数据的可比性较差，其应用也更多的凭借经验，难以保证材料性能的稳定。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法。本发明在研究再生粗骨料、钢纤维各项性能指标对其配合比设计影响的基础上，建立适合钢纤维再生粗骨料混凝土特点的水胶比、钢纤维用量、单方用水量和砂子体积的计算公式。该方法将再生粗骨料性能、再生粗骨料取代率和钢纤维特征参数引入钢纤维再生粗骨料混凝土水胶比、钢纤维用量、单方用水量和砂子体积的计算公式中，建立了一套适合其配合比设计的关键参数的计算方法，可简单、有效的进行钢纤维再生粗骨料混凝土的配合比设计，为钢纤维再生粗骨料混凝土的规范编制以及实际工程应用提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的

一种钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的设计：根据再生粗骨料的类型(GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》规范中，将再生骨料分为三类)及其取代率精确计算所配置混凝土的水胶比f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)，其中，f_cu,0为设计的混凝土强度，根据实际需要及设计规程即可确定；C/W为胶水比；f_ce为所用水泥的抗压强度；α_a为水泥强度转化系数，α_b为虚拟水胶比(虚拟水胶比是指：在没有其他掺料的条件下，当混凝土的强度等于零时的水胶比，这个水胶比是虚拟的，它与水泥的水化强度及骨料在混凝土中的骨架作用大小有关。)，不再为普通天然骨料混凝土配合比设计中的定值，均是与再生骨料类型及取代率有关的参数，计算方法如下；

式中，A、B分别为在再生粗骨料类型有关的系数，由试验确定，对于Ⅱ类再生粗骨料在水胶比大于0.35的情况下，则取A＝0.1，B＝0.2；r_g为再生粗骨料取代率(再生粗骨料重量与全部粗骨料重量之比)。

(2)钢纤维用量的设计：钢纤维用量根据钢纤维含量特征参数进行确定，根据混凝土的目标弯拉强度，钢纤维再生粗骨料混凝土中钢纤维的用量的计算方法如下：

式中，f_tm为钢纤维再生粗骨料混凝土的拉弯强度(单位为MPa)；f_tm,0为与钢纤维再生粗骨料混凝土相对应的素混凝土基体的拉弯强度(单位为MPa)；λ_f为钢纤维含量特征参数；C、D均是与钢纤维类型、形状有关的参数，由试验确定。当无试验资料时，可取C＝2.51，D＝0.98；

单方混凝土中的钢纤维体积率的确定如下：V_f＝λ_f/l_f/d_f，V_f为单方混凝土中钢纤维体积率；l_f为钢纤维的等效长度；d_f为钢纤维等效直径；

(3)单方用水量的设计：根据混凝土所需的工作性能设计的坍落度、再生粗骨料混凝土中再生粗骨料的取代率、所用粗骨料的吸水率以及步骤(2)中所得的钢纤维含量特征参数，单方用水量的计算方法如下：

m_w＝3.33×(0.1T₀+K_g) (3)

T/T₀＝1-0.38λ_f (4)

K_g＝K[1+(ω_r-ω_n)×r_g] (5)

m_w为钢纤维再生粗骨料混凝土的单方用水量；T₀为钢纤维再生骨料混凝土的计算坍落度；T为再生粗骨料混凝土的设计坍落度；K_g为与再生粗骨料类型、粒径有关的参数；ω_r为再生粗骨料吸水率；ω_n为天然粗骨料吸水率；K为与再生骨料类型、最大粒径有关的系数，可由实验确定，对于Ⅱ类再生骨料，最大粒径为20mm时，可取K＝49.7，对在无实验数据时，可按照天然骨料混凝土的骨料类型和最大粒径进行计算；

(4)砂子体积的设计：根据步骤(2)得到的钢纤维体积率、选定的再生粗骨料取代率r_g、再生粗骨料的体积V_ra、天然粗骨料的体积V_na可以确定砂子的体积与再生粗骨料、天然粗骨料之间的关系，计算方法如下：

V_s＝1.4×(V_na×P_na+V_ra×P_ra+V_f) (6)

式中，V_s是单方再生混凝土中砂子的体积；V_na为天然粗骨料的体积；V_ra为再生粗骨料的体积；P_na为天然粗骨料的空隙率；P_ra为再生粗骨料的空隙率；其中，P_na与P_ra可以由实验直接测得；ρ_na为天然粗骨料的表观密度；ρ_ra为再生粗骨料的表观密度，根据选定的再生粗骨料取代率r_g，即可确定得到V_s与V_na、V_ra之间的关系；

(5)水泥质量的设计：根据步骤(3)所得的单方用水量，即可确定水的体积V_W(V_W＝m_w/ρ_w，ρ_w为水的密度)；然后根据步骤(1)所得的水胶比，可求出水泥的质量m_c(m_c＝m_w/W/C)，可得水泥体积V_C(V_c＝m_c/ρ_c，ρ_c为水泥的密度)；

(6)各组分体积、质量的确定：根据步骤(4)得到砂子体积与粗骨料体积之间的关系，利用绝对体积法公式V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1，即可确定单方钢纤维再生粗骨料混凝土中各组份的体积；根据天然粗骨料、再生粗骨料、砂子的表观密度，即可确定各自的质量。

与现有技术相比，本申请具有以下积极有益效果：

(1)再生粗骨料主要来源于建筑垃圾中的废弃混凝土。本申请所用的再生粗骨料对于废 弃混凝土的来源、强度等无特殊要求，只要再生粗骨料的各项性能指标符合现行规范要求即可，方便了对不同类型建筑垃圾的回收利用；

(2)本申请将再生粗骨料性能指标、再生骨料取代率、钢纤维含量特征参数引入钢纤维再生混凝土配合比设计参数的计算公式中，计算公式简单合理，公式中各参量物理意义明确。这些参量均可以由规范规定的标准试验方法进行测定，不需要考虑其它附加因素，操作简单，普适性强；

(3)本发明所设计的公式适用范围广，可计算不同再生粗骨料的取代率、不同类型钢纤维的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比，同时能够与目前使用的普通混凝土配合比设计方法向衔接，当r_g＝0时，该公式回归为普通混凝土配合比的设计方法；既能够较好的对钢纤维再生粗骨料混凝土进行较好的设计又能够回归与普通混凝土配合比的设计；

(4)本发明建立了钢纤维再生粗骨料混凝土砂子体积的计算公式，能够根据再生粗骨料的性能指标、取代率、钢纤维体积率精确确定配合比中所需细骨料的体积，改变了砂率凭经验选取的传统设计方法，可改善拌合物的坍落度和工作性能；

(5)本发明的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比设计方法不仅与普通再生粗骨料混凝土配合比设计方法保持一致、具有较好的衔接，同时设计出的钢纤维再生粗骨料混凝土的强度和流动性均能达到设计要求、物理意义明确，可操作性强；

(6)本发明首次提出了根据弯拉强度设计钢纤维再生粗骨料混凝土中钢纤维用量的方法，操作简单，适用范围广，可精确计算钢纤维的用量，能有效避免钢纤维的浪费。

具体实施例

下面通过具体实施例对本发明进行更加详细的说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

在实施例中所用材料的性质如下：采用水泥为P.O42.5水泥、表观密度为3100kg/m³，实测28天抗压强度f_ce＝45MPa。所用的天然粗骨料为石灰石碎石，粒径为5～20mm，连续级配；再生粗骨料为某检测站废弃的强度为C20～C40的商品混凝土，使用颚式破碎机破碎之后筛分而成，粒径为5～20mm连续颗粒级配。细骨料为细度模数为2.67的天然河砂，表观密度ρ_s＝2556.2kg/m³。所选用的天然粗骨料以及再生粗骨料的物理性能如表1所示，选用的钢纤维特征参数如表2所示。混凝土的目标抗压强度f_cu＝40MPa，目标弯拉强度f_tm＝10MPa，设计塌落度T＝50mm。

表1 实验所用粗骨料的物理性能

表2 实验所选用钢纤维的特征参数

根据GB/T25177-2010《混凝土用再生骨料》，所用的再生骨料属于Ⅱ类再生骨料。由JGJ/T240-2011《再生骨料应用技术规程》可知，Ⅱ类再生骨料宜配置C40及以下强度等级的混凝土，抗压强度标准差σ＝6MPa，根据《再生骨料应用技术规程》，确定混凝土的设计强度f_cu,0＝40+1.645×6＝49.87MPa。

实施例1

选定再生骨料取代率r_g＝0，钢纤维选择铣削型(MF)。钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的确定：

f_ce＝45MPa，由上计算可知，f_cu,0＝49.87MPa，带入公式f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)中，可得，W/C＝0.43。

(2)钢纤维用量的确定：

混凝土的目标弯拉强度f_tm＝10MPa；混凝土立方体目标抗压强度f_cu＝40MPa

根据CEB-FIP(1990)，(f_c'为混凝土的标准圆柱体抗压强度)，根据

由于根据计算所得的素混凝土基体的弯拉强度(f_tm,0＝5.03MPa)小于混凝土的设计弯拉强度(f_tm＝10MPa)，需要添加钢纤维来满足设计弯拉强度的要求；

可得λ_f＝0.63；

选定铣削型钢纤维MF，由表2可知，长径比l_f/d_f＝34.2，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方钢纤维体积率：V_f＝λ_f/l_f/d_f＝1.84％。

(3)单方用水量的确定：

设定坍落度T＝50mm，将上述步骤(2)计算得到的钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63代入公式T/T₀＝1-0.38λ_f，可以计算得到计算坍落度T₀＝66mm；

K＝49.7；r_g＝0，K_g＝K[1+(ω_r-ω_n)×r_g]＝K＝49.7；

然后将T₀＝66mm、K_g＝49.7代入到公式m_w＝3.33×(0.1T₀+K_g)，可得m_w＝187.5kg。

(4)砂子体积的确定：

由于由步骤(2)计算可知，V_f＝1.84％，表1可知，P_na＝44.3％；

将以上数据带入砂子体积计算公式中：V_s＝1.4×(0.443V_na+0.0184)＝0.62×V_na+0.0258。

(5)水泥用量的确定：

由步骤(3)计算可知，m_w＝187.5kg，可得到钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水量体积，V_w＝m_w/ρ_w＝0.1875m³；

由步骤(1)计算得到的水胶比W/C＝0.43和步骤(3)计算得到的m_w＝187.5kg，可求出钢纤维再生粗骨料混凝土中单方用水泥的质量，m_c＝m_w/W/C＝436kg,由水泥的密度ρ_c＝3100kg/m³，可得钢纤维再生粗骨料混凝土中单方用水泥体积：V_c＝m_c/ρ_c＝0.141m³；(6)各组分材料单方用量的确定

由步骤(2)计算可知：钢纤维再生粗骨料混凝土单方用钢纤维体积率V_f＝0.0184m³；

由步骤(4)计算可知：钢纤维再生粗骨料混凝土单方用砂子体积V_s＝0.62×V_na+0.0258；

由步骤(5)计算可得：钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水的体积V_w＝m_w/ρ_w＝0.1875m³、单方用水泥的体积V_c＝m_c/ρ_c＝0.141m³；

最后，将以上数据带入V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1中，对于钢纤维混凝土，α＝0.02，即可得到V_na＝0.375m³,V_s＝0.258m³，m_na＝V_naρ_na＝1054.8kg，m_s＝V_sρ_s＝660.4kg。

根据普通混凝土砂率的定义，β_s＝m_s/(m_s+m_na+m_ra)，可得β_s＝38.5％。

具体各组分的质量、体积见表3。

实施例2

选定再生骨料取代率r_g＝50％，钢纤维选择铣削型MF，钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的确定：

将f_ce＝45MPa、f_cu,0＝49.87MPa带入公式f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)中，可得，W/C＝0.41。

(2)钢纤维用量的确定：

混凝土的目标弯拉强度f_tm＝10MPa；混凝土的立方体目标抗压强度，f_cu＝40MPa；

钢纤维类型及长径比都与实施例1相同，其计算过程与实施例1相同，结果可得：λ_f＝0.63，V_f＝1.84％。

(3)单方用水量的确定：

设定坍落度T＝50mm，将上述步骤(2)计算得到的钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63代入公式T/T₀＝1-0.38λ_f可以计算得到计算坍落度T₀＝66mm；

K＝49.7，r_g＝50％，由表2可知，ω_ra＝4.85％，ω_na＝1.4％，带入K_g＝K[1+(ω_r-ω_n)×r_g],可得K_g＝50.6；

然后将T₀＝66mm、K_g＝50.6代入到公式m_w＝3.33×(0.1T₀+K_g)，可得m_w＝190.5kg。

(4)砂子体积的确定：

由步骤(2)计算可知，V_f＝1.84％；表1可知，P_na＝44.3％，P_ra＝50.3％；

将以上数据带入砂子体积计算公式中：V_s＝1.4×(0.443V_na+0.503V_ra+0.0184)。

(5)水泥用量的确定：

由步骤(3)计算可知，m_w＝190.5kg，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水量体积，V_w＝m_w/ρ_w＝0.1905m³；

由步骤(1)计算得到的水胶比W/C＝0.41和步骤(3)计算得到的m_w＝190.5kg，可求出钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水泥的质量，m_c＝m_w/W/C＝464.6kg，由水泥的密度ρ_c＝3100kg/m³，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水泥体积：V_c＝m_c/ρ_c＝0.15m³；

(6)各组分材料单方用量的确定：

由步骤(2)计算可知钢纤维体积率：V_f＝0.0184m³；

由步骤(4)计算可知砂子体积：V_s＝1.4×(0.443V_na+0.503V_ra+0.0184)；

由表1可知，ρ_na＝2814kg/m³，ρ_ra＝2640kg/m³，r_g＝50％；由公式(7)可得：

由步骤(5)计算可知单方用水的体积为V_w＝m_w/ρ_w＝0.1905m³、单方用水泥的体积V_c＝m_c/ρ_c＝0.15m³；

最后，将以上数据带入V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1中，对于钢纤维混凝土，α＝0.02，即可得到V_ra＝0.185m³,V_s＝0.2637m³，m_ra＝V_raρ_ra＝488.4kg，m_s＝V_sρ_s＝674kg，因为r_g＝50％，故m_na＝m_ra＝488.4kg。

根据普通混凝土砂率的定义：β_s＝m_s/(m_s+m_na+m_ra)，可得β_s＝40.8％。

具体各组分的质量、体积见表3。

实施例3

选定再生骨料取代率r_g＝100％，钢纤维选择铣削型MF，钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的确定：

将f_cu,0＝49.87MPa、f_ce＝45MPa带入公式f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)中，可得，W/C＝0.39。

(2)单方钢纤维用量的确定：

混凝土的目标弯拉强度f_tm＝10MPa，混凝土立方体目标抗压强度f_cu＝40MPa；

钢纤维类型及长径比都与实施例1相同，其计算过程与实施例1相同，λ_f＝0.63，V_f＝1.84％。(3)单方用水量的确定：

设定坍落度T＝50mm，将上述步骤(2)计算得到的钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63代入公式T/T₀＝1-0.38λ_f可以计算得到计算坍落度T₀＝66mm；

K＝49.7，r_g＝100％，由表2可知，ω_ra＝4.85％，ω_na＝1.4％，带入K_g＝K[1+(ω_r-ω_n)×r_g],可得K_g＝51.4；

然后将T₀＝66mm、K_g＝51.4代入到公式m_w＝3.33×(0.1T₀+K_g)，可得m_w＝193kg。

(4)砂子体积的确定：

由于由步骤(2)计算可知，V_f＝1.84％，表1可知，P_ra＝50.3％；将以上数据带入砂子体积计算公式中：V_s＝1.4×(0.503V_ra+0.0184)＝0.7042×V_ra+0.0258。

(5)水泥用量的确定：

由步骤(3)计算可知，m_w＝193kg，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水量体积，V_w＝m_w/ρ_w＝0.193m³；

由步骤(1)计算得到的水胶比W/C＝0.39和步骤(3)计算得到的m_w＝193kg，可求出钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水泥的质量，m_c＝m_w/W/C＝494.9kg,水泥的密度ρ_c＝3100kg/m³，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水泥体积：V_c＝m_c/ρ_c＝0.16m³；

(6)各组分材料单方用量的确定：

由步骤(2)计算可知：V_f＝0.0184m³；

由步骤(4)计算可知：V_s＝0.7042×V_ra+0.0258；

由步骤(5)计算可知，单方用水的体积V_w＝m_w/ρ_w＝0.193m³、单方用水泥的体积为：V_c＝m_c/ρ_c＝0.16m³；

最后，将以上数据带入V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1中，对于钢纤维混凝土，α＝0.02，即可得到V_ra＝0.342m³,V_s＝0.267m³，m_ra＝V_raρ_ra＝902.9kg，m_s＝V_sρ_s＝682.5kg。

根据普通混凝土砂率的定义，β_s＝m_s/(m_s+m_na+m_ra)，可得β_s＝43％。

具体各组分的质量、体积见表3。

实施例4

选定再生骨料取代率r_g＝0，钢纤维使用切断弓型(BF)。钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的确定：

r_g＝0，水胶比计算过程同实施例1，W/C＝0.43。

(2)钢纤维用量的确定：

混凝土的目标弯拉强度f_tm＝10MPa；混凝土立方体的目标抗压强度f_cu＝40MPa，

钢纤维含量特征参数计算同实施例1，可得λ_f＝0.63；

选定切断弓型(BF)，由表2可知，长径比l_f/d_f＝82.3，可得钢纤维再生粗骨料混凝土用单方钢纤维体积率V_f＝λ_f/l_f/d_f＝0.76％。

(3)单方用水量的确定：

设定坍落度T＝50mm、再生骨料取代率r_g＝0、钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63都与实施例1相同，计算过程同实施例1，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水量m_w＝187.5kg。

(4)砂子体积的确定：

由于由上步骤(2)计算可知，V_f＝0.76％，表1可知，P_na＝44.3％；将以上数据带入砂子体积计算公式中：V_s＝1.4×(0.443V_na+0.0076)＝0.62×V_na+0.01064。

(5)单方用水泥用量的确定：

单方用水量体积和水胶比同实施例1，由步骤(3)所得单方用水量m_w＝187.5kg，可得单方用水体积V_w＝0.1875m³；水泥质量与体积计算同实施例1，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方 用水泥量m_c＝436kg,单方用水泥体积为V_c＝0.141m³；

(6)各组分材料单方用量的确定：

由步骤(2)计算可知：钢纤维再生粗骨料混凝土单方用钢纤维体积率V_f＝0.0076m³；

由步骤(4)计算可知：钢纤维再生粗骨料混凝土单方用砂子体积V_s＝0.62×V_na+0.01064；

由步骤(5)计算可知：钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水的体积为V_w＝0.1875m³、单方用水泥的体积为V_c＝0.141m³；

最后，将以上数据带入V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1中，对于钢纤维混凝土，α＝0.02，即可得到V_na＝0.391m³,V_s＝0.253m³，m_na＝V_naρ_na＝1100kg，m_s＝V_sρ_s＝646.7kg。

根据普通混凝土砂率的定义，β_s＝m_s/(m_s+m_na+m_ra)，可得β_s＝37％。

具体各组分的质量、体积见表3。

实施例5

选定再生骨料取代率r_g＝50％，钢纤维使用切断弓型(BF)。钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的确定：

r_g＝50％，水胶比计算过程同实施例2，W/C＝0.41。

(2)钢纤维用量的确定：

混凝土的目标弯拉强度f_tm＝10MPa，混凝土立方体的目标抗压强度，f_cu＝40MPa；

钢纤维类型与长径比都与实施例4相同，其计算过程见实施例4，可得钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63，钢纤维再生粗骨料混凝土单方用钢纤维体积率V_f＝0.76％。

(3)单方用水量的确定：

设定坍落度T＝50mm、再生骨料取代率r_g＝50％、钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63都与实施例2相同，计算过程同实施例2，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水量m_w＝190.5kg。

(4)砂子体积的确定：

由步骤(2)计算可知，V_f＝0.76％；表1可知，P_na＝44.3％，P_ra＝50.3％；

将以上数据带入砂子体积计算公式中：V_s＝1.4×(0.443V_na+0.503V_ra+0.0076)。

(5)水泥单方用量的确定：

单方用水量体积和水胶比同实施例2，可得m_w＝190.5kg，V_w＝0.1905m³；水泥质量与体积计算同实施例2，可得m_c＝464.6kg,V_c＝0.15m³；

(6)各组分材料单方用量的确定：

由步骤(2)计算可知：V_f＝0.0076m³；

由步骤(4)计算可知：V_s＝1.4×(0.443V_na+0.503V_ra+0.0076)；

由表1可知，ρ_na＝2814kg/m³，ρ_ra＝2640kg/m³，r_g＝50％，将上述数据代入公式(7)可得：

由步骤(5)计算可得：V_w＝0.1905m³、V_c＝0.15m³；

最后，将以上数据带入V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1中，对于钢纤维混凝土，α＝0.02，即可得到V_ra＝0.193m³,V_s＝0.263m³，m_ra＝V_raρ_ra＝509kg，m_s＝V_sρ_s＝661.6kg，因为r_g＝50％，故m_na＝m_ra＝509kg。

根据普通混凝土砂率的定义，β_s＝m_s/(m_s+m_na+m_ra)，可得β_s＝39.4％。

具体各组分的质量、体积见表3。

实施例6

选定再生骨料取代率r_g＝100％，钢纤维使用切断弓型(BF)，钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，包括以下步骤：

(1)水胶比的确定：

取代率r_g＝100％，水胶比计算过程同实施例3，可得W/C＝0.39。

(2)钢纤维用量的确定：

混凝土的目标弯拉强度f_tm＝10MPa，混凝土的目标抗压强度f_cu＝40MPa；

钢纤维类型与长径比都与实施例4相同，其计算过程与实施例4相同，可得：λ_f＝0.63，V_f＝0.76％。

(3)单方用水量的确定：

设定坍落度T＝50mm、再生骨料取代率r_g＝50％、钢纤维含量特征参数λ_f＝0.63都与实施例3相同，计算过程同实施例3，可得钢纤维再生粗骨料混凝土单方用水量m_w＝193kg。

(4)砂子体积的确定：

由于由步骤(2)计算可知，V_f＝0.76％；由表1可知，P_ra＝50.3％；将以上数据带入砂子体积计算公式中：V_s＝1.4×(0.503V_ra+0.0076)＝0.7042×V_ra+0.01064。

(5)水泥单方用量的确定：

单方用水量体积和水胶比同实施例3，可得m_w＝193kg，V_w＝0.193m³；水泥质量与体积计算同实施例3，可得m_c＝494.9kg,V_c＝0.16m³；

(6)各组分材料单方用量的确定：

由步骤(2)计算可知：单方用钢纤维体积率为V_f＝0.0076m³；

由步骤(4)计算可知：单方用砂子体积为V_s＝0.7042×V_ra+0.01064；

由步骤(5)计算可知：单方用水体积为V_w＝0.193m³、单方用水泥体积为V_c＝0.16m³；

最后，将以上数据带入V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1中，对于钢纤维混凝土，α＝0.02，即可得到V_ra＝0.357m³,V_s＝0.262m³，m_ra＝V_raρ_ra＝942.5kg，m_s＝V_sρ_s＝669.7kg。

根据普通混凝土砂率的定义,β_s＝m_s/(m_s+m_na+m_ra)，可得β_s＝41.5％。

具体各组分的质量、体积见表3。

按照实施例1～6所述的设计方法进行设计得到钢纤维再生粗骨料混凝土配合比，根据配合比配置钢纤维再生粗骨料混凝土，测定拌合物坍落度；然后制作边长为150mm的立方体试块，标准养护28天，实测立方体抗压强度。单方材料用量及坍落度、立方体抗压强度试验结果见表3：

表3 再生骨料混凝土单方材料用量以及塌落度、立方体抗压强度试验结果

根据上述实施例可得：1)可见配置相同等级的混凝土，再生粗骨料混凝土的水胶比会随着r_g的增大而减小；2)当混凝土的目标抗压强度与设计弯拉强度确定后，选择长径比较大的钢纤维可以降低钢纤维体积率，减小钢纤维的用量；3)单方用水量会随着再生骨料取代率的增加而增加；4)砂率会随着钢纤维体积率和再生骨料取代率的增加而增大。钢纤维体积率不变时，再生骨料取代率增大50％，砂率增大2.4％。

由上述的预定目标及验证实验结果，可知：由本发明的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法设计配置的钢纤维再生粗骨料混凝土的坍落度和抗压强度、弯拉强度均能达到设计 要求，尤其在r_g＝100％，全部使用再生粗骨料时，混凝土强度能达到45MPa以上，说明利用本发明的设计方法配置的钢纤维再生粗骨料混凝土可以利用再生粗骨料完全代替天然粗骨料用于混凝土结构中。可有效降低了天然骨料的用量、同时消耗大量的建筑垃圾，减少了粗骨料对环境造成的污染。改变了在钢纤维混凝土中钢纤维用量凭经验确定的方式，可精确计算钢纤维体积率，大大减少了因设计方法不当带来的原料浪费。

Claims (6)

1.一种钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)水胶比的设计：根据再生粗骨料的类型及其取代率精确计算所配置混凝土的水胶比f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)，式中，f_cu,0为设计的混凝土强度，根据实际需要及设计规程来确定；f_ce为所用水泥的抗压强度；C/W为胶水比；α_a为水泥强度转化系数，α_b为虚拟水胶比，α_a、α_b均是与再生骨料类型及取代率有关的参数，计算方法如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_a=0.53(1-{\mathrm{Ar}}_g)\\ {\mathrm{\α}}_b=0.2(1+{\mathrm{Br}}_g)\end{array}---\left(1\right)$

式中，A、B分别为与再生粗骨料类型有关的系数，由试验确定；r_g为再生粗骨料取代率；

(2)钢纤维用量的设计：钢纤维用量根据钢纤维含量特征参数进行确定，根据混凝土的目标弯拉强度，钢纤维再生粗骨料混凝土中钢纤维的用量的计算方法如下：

$f_{tm}/f_{tm,0}=C\×{\mathrm{\λ}}_f^2+D---\left(2\right)$

式中，f_tm为钢纤维再生粗骨料混凝土的目标拉弯强度/MPa；f_tm,0为与钢纤维再生粗骨料混凝土相对应的素混凝土基体的拉弯强度/MPa；λ_f为钢纤维含量特征参数；C、D均是与钢纤维类型、形状有关的参数，由试验确定；

(3)单方用水量的设计：根据混凝土所需的工作性能设计的坍落度、再生粗骨料混凝土中再生粗骨料的取代率、所用粗骨料的吸水率以及步骤(2)中所得的钢纤维含量特征参数，单方用水量的计算方法如下：

m_w＝3.33×(0.1T₀+K_g) (3)

T/T₀＝1-0.38λ_f (4)

K_g＝K[1+(ω_r-ω_n)×r_g] (5)

m_w为钢纤维再生粗骨料混凝土的单方用水量；T₀为钢纤维再生骨料混凝土的计算坍落度；T为再生粗骨料混凝土的设计坍落度；K_g为与再生粗骨料类型、粒径有关的参数；ω_r为再生粗骨料吸水率；ω_n为天然粗骨料吸水率；K为与再生骨料类型、最大粒径有关的系数，由实验确定；

(4)砂子体积的设计：根据选定的再生粗骨料取代率r_g、再生粗骨料的体积V_ra、天然粗骨料的体积V_na可以确定砂子的体积与再生粗骨料、天然粗骨料之间的关系，计算方法如下：

V_s＝1.4×(V_na×P_na+V_ra×P_ra+V_f) (6)

$\frac{V_{na}}{V_{ra}}=\frac{(1-r_g)\×{\mathrm{\ρ}}_{ra}}{r_g\×{\mathrm{\ρ}}_{na}}---\left(7\right)$

式中，V_s是单方钢纤维再生粗骨料混凝土中的砂子的体积；V_f为单方混凝土中钢纤维体积率；V_na为天然粗骨料的体积；V_ra为再生粗骨料的体积；P_na为天然粗骨料的空隙率；P_ra为再生粗骨料的空隙率；其中，P_na与P_ra可以由实验直接测得；ρ_na为天然粗骨料的表观密度；ρ_ra为再生粗骨料的表观密度；根据选定的再生粗骨料取代率r_g，即可确定得到V_s与V_na、V_ra之间的关系；

(5)水泥质量的设计：根据步骤(3)所得的单方用水量，即可确定水的体积V_W：V_W＝m_w/ρ_w，ρ_w为水的密度；然后根据步骤(1)所得的水胶比，得出水泥的质量m_c：m_c＝m_w/W/C，则水泥体积V_C：V_c＝m_c/ρ_c，ρ_c为水泥的密度；

(6)各组分体积、质量的确定：根据步骤(4)得到砂子体积与粗骨料体积之间的关系，利用绝对体积法，即可确定单方钢纤维再生粗骨料混凝土中各组份的体积；根据天然粗骨料、再生粗骨料、砂子的表观密度，即可确定各自的质量。

2.根据权利要求1所述的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于，步骤(1)所述的系数A、B，对于Ⅱ类再生粗骨料在水胶比大于0.35的情况下，则取A＝0.1，B＝0.2。

3.根据权利要求1所述的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于，步骤(2)所述的参数C、D均是与钢纤维类型、钢纤维形状有关的参数，C、D均是由试验确定，当无试验资料时，则取C＝2.51，D＝0.98。

4.根据权利要求1所述的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于，步骤(4)所述的单方混凝土中钢纤维体积率与步骤(2)所述的钢纤维含量特征参数的关系式如下：V_f＝λ_f/l_f/d_f；

式中，V_f为单方混凝土中钢纤维体积率；l_f为钢纤维的等效长度；d_f为钢纤维等效直径。

5.根据权利要求1所述的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于，步骤(3)所述的系数K由实验确定，对于Ⅱ类再生粗骨料、最大粒径为20mm时，则取K＝49.7。

6.根据权利要求1所述的钢纤维再生粗骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于，步骤(6)所述的绝对体积法公式为V_c+V_w+V_s+V_na+V_ra+V_f+α＝1。