CN106830791B - 一种无砂混凝土表面积配合比计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无砂混凝土表面积配合比计算方法，首先抽取n个样本对骨料颗粒进行正交方向三个轴长的测量得到轴长比例均值，建立椭球体模型；其次，引入代表轴长半径作为整体骨料的轴长半径；再次，估算单位体积骨料所含骨料颗粒数，确定裹浆厚度；最后，计算混凝土表面配合比；本发明充分考虑到骨料的特性，基于此提出了新的椭球体骨料计算模型，更加符合实际情况；同时在骨料个数估算方面提出了修正系数缩小估算值与实际值的误差；可计算特定情况下水泥浆总需求量，避免了水泥浆过多而引起的沉浆现象，减少了不必要的浪费，同时也避免了水泥浆不足而导致混凝土制品强度较弱的情况。

Description

一种无砂混凝土表面积配合比计算方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土配合比计算方法，具体涉及一种无砂混凝土表面积配合比计算方法。

背景技术

无砂混凝土是由粗骨料和水泥浆拌合而成，水泥浆主要起胶结粗骨料的作用，由于不含或者含有较少细骨料，无砂混凝土有着较大的孔隙率、透气性和透水性；由于无砂混凝土特殊的结构，其强度主要来源于骨料胶结面上的水泥浆胶结体；因此，骨料之间胶结面积就成为控制无砂混凝土强度的重要指标，单位体积不同粒径骨料的总表面积差异也就成为对其进行配合比设计中要考虑的重要因素；而应用较广泛《现代混凝土配合比设计手册》中对于无砂混凝土所介绍的配合比设计方案中并没有考虑到骨料粒径和不同粒径裹浆厚度对于无砂混凝土的影响；对于单位体积不同粒径骨料来说其骨料总的表面积是不同的，单位堆积体积下大粒径骨料总表面积较少，小粒径骨料总表面积则较大；对于单位体积骨料按照《现代混凝土配合比设计手册》设计的水泥浆需用量来说，单位体积较大粒径骨料对于水泥浆需求量较少，此时便容易产生沉浆现象；沉浆的存在不仅浪费了水泥而且大大降低了混凝土孔隙率，严重影响了无砂混凝土的透水性和透气性；另一方面，单位体积较小粒径骨料总表面积大，对于水泥浆需求也更大，水泥浆不足则会导致骨料表面裹浆不均匀，严重影响无砂混凝土的强度，危害工程安全。

现有的无砂混凝土表面积配合比设计方法在骨料模型简化上将骨料直接简化为球体，将各个径向的长度均视为统一值，这样的过简化处理使得假设模型与实际骨料形态偏差较远，而使用椭球体模型可以在三个正交方向上精确体现骨料样本的尺寸，更加符合实际情况；另一方面，在骨料总表面积的模型计算中，现有的表面积设计方法没有对模型和实际骨料之间施加控制条件，这会导致模型不能准确的代表骨料表面积；同时，在单位堆积体积骨料个数估算上，用骨料总质量除以单个模型骨料质量的方法没有考虑到实际值(单位体积骨料质量实测值)和代表值(单个骨料模型质量)的差异。

发明内容

本发明提供一种能够保证无砂混凝土制品强度，同时又能保证较大孔隙率及较高的透水性和透气性的无砂混凝土表面配合比计算方法。

本发明采用的技术方案是：一种无砂混凝土表面积配合比计算方法，包括以下步骤：

(1)将骨料视为椭球形，抽取n个样本分别测量其三个正交方向轴长得轴长比例，取均值得骨料模型的三轴比1：θ：β；

(2)取n个椭球体模型样本，通过控制其总表面积相同计算最短轴长半径R_x的平均值；

(3)根据R_x和1：θ：β计算单个椭球体的表面积S_t，

(4)估算单位堆积体积骨料中颗粒个数N，

式中，K为质量修正系数，Mz为单位体积堆积骨料的总质量，M为单个骨料颗粒的质量，

(5)根据裹浆厚度h、对应水灰比r和该水灰比下水泥浆密度ρ_s，计算配合比单位骨料所需水泥浆质量M₀、单位体积水泥浆所需水的质量M₁和单位体积水泥浆所需水泥的质量M₂，

M₀＝S_z×h×ρ_s×B

M₂＝M₀-M₁

式中，S_z为单位体积堆积骨料的总表面积，S_z＝N×S_t，B为富余系数。

进一步的，所述三个正交方向包括骨料最大轴长方向。

进一步的，所述R_x的计算方法如下：

式中，R₁，R₂，R₃……R_n为n个样本骨料最短轴长半径值。

进一步的，所述质量修正系数K的计算方法如下：

简化后得：

进一步的，所述富余系数B为1.2～1.6。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用椭球体模型对骨料进行近似处理更加符合骨料形态的实际情况，骨料表面积的计算更加准确；

(2)本发明将代表粒径作为计算所有骨料总表面积的代表计算尺寸模型，代表粒径模型更能精确体现骨料样本的实际情况，对总体骨料具有较好的代表性；

(3)本发明在骨料数量的估算上引进了修正系数，矫正单位体积堆积质量与代表粒径模型骨料质量之间的差异。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明通过一系列算法对单位体积骨料总表面积值进行估算，再通过实验得出骨料合适的裹浆厚度及对应的水灰比；通过计算总表面积与裹浆厚度的乘积并乘以相应的富裕系数可得到总的水泥浆用量，进而求出水和水泥的具体用量。

一种无砂混凝土表面积配合比计算方法，包括以下步骤：

(1)将骨料视为椭球形，抽取n个样本分别测量其三个正交方向轴长得轴长比例，取均值得骨料模型的三轴比1：θ：β；对随机抽取骨料颗粒用游标卡尺测量其三个正交方向的轴长的比例并记录统计，其中将骨料最大轴长方向作为一个正交方向；将测量的轴长比例数据作求均值处理，均值比例作为骨料椭球模型的三轴比例1：θ：β，β＞θ＞1，即在计算骨料表面积时，将骨料颗粒视作大小不一的、三轴比例为1：θ：β的椭球体。

对于三个轴长半径为a、b、c的椭球体来说，其表面积可按下式计算：

体积可按下式计算：

(2)由于在总表面积计算中，各个骨料的粒径大小分布极为广泛，导致相应的工作量较大，为了简化计算，引入代表轴长半径R_x作为总体骨料模型的最短轴长半径作为计算值，最短轴长半径为椭球体三个轴长中最短轴长半径值；；同时为了保障最短轴长半径具有良好的代表性，本发明以相同个数骨料颗粒样本与计算模型总表面相同为控制条件，取步骤(1)中n个椭球体模型样本，通过控制其总表面积相同计算模型最短轴长半径代表值R_x；计算单个模型的表面积；以骨料轴长半径R₁，R₂，R₃……R_n为例进行计算，其中R₁，R₂，R₃……R_n分别为(1)中n个样本骨料最短轴长半径值，因此在控制其总表面积与n个模型骨料总表面积相同的条件下，最短轴长半径计算方法如下：

从方程中可以解出最短轴长半径R_x的表达式：

(3)根据R_x和1：θ：β计算单个椭球体的表面积S_t，

(4)估算单位堆积体积骨料中颗粒个数N，得到计算模型的表面积后，要想求出单位体积内骨料总表面积还要求出单位体积内骨料的个数，以1m³堆积骨料为例进行计算，单个代表粒径骨料颗粒的质量计算方法如下：

式中：ρ为骨料的表观密度；

1m³堆积骨料的总质量计算方法如下：

M_z＝ρ₀×1

式中：ρ₀为骨料的实测堆积密度；

因此，1m³堆积骨料中骨料个数估计值的算法如下：

式中，K为质量修正系数，Mz为单位体积堆积骨料的总质量，M为单个骨料颗粒的质量，

在骨料个数估算中，由于M_z是单位体积骨料的实测堆积质量，是实际值；M是代表粒径下单个骨料的质量，是代表值；在最短轴长半径的计算中只设置了表面积相同这一控制条件，但是其质量之间实际值和代表值显然会有差异；因此式中引入质量修正系数K来进行修正，K的值即是N个粒径取值为R₁，R₂，R₃……R_n的样本骨料实际的总质量与N个代表粒径下骨料的总质量之比；由于二者表观密度一致，所以用体积比来计算，计算方法如下：

进一步简化得到：

(5)根据裹浆厚度h、对应水灰比r和该水灰比下水泥浆密度ρ_s，计算配合比单位骨料所需水泥浆质量M₀、单位体积水泥浆所需水的质量M₁和单位体积水泥浆所需水泥的质量M₂，

M₀＝S_z×h×ρ_s×B

M₂＝M₀-M₁

式中，S_z为单位体积堆积骨料的总表面积，S_z＝N×S_t，B为富余系数。

其中，骨料表面裹浆厚度的确定方法采用试验测得，最佳裹浆厚度及其浆液水灰比需要根据工程实际进行现场试验；无砂混凝土是由粗骨料包裹水泥浆体后相互结合而成，而粘附在粗骨料表面的水泥浆体厚度h是影响混凝土性能的关键因素之一；无砂混凝土的强度主要来源于粗骨料之间的嵌挤力和水泥浆的粘结力；粗骨料本身的强度较高，一般很难被破坏，因此无砂混凝土粗骨料之间接触点上的粘结力是控制其强度的关键区域，所以接触点上的水泥用量是影响无砂混凝土抗压强度的重要因素；粘附在骨料表面水泥浆厚度与试验中所采用的水灰比有很大关系，这个粘附厚度h可以通过具体试验测得，由于实际工程中所用骨料差异巨大，因此最佳裹浆厚度及其浆液水灰比需要根据工程实际进行现场试验，本发明仅对具体试验操作方法进行说明，具体可按如下步骤进行：

A、将一定质量的粗骨料冲洗干净，去除其中的杂质并烘干至恒重后，测量其表面积及质量；表面积的测量蜡封法进行操作，具体操作如下：

a、将骨料筛分后烘干至恒重，称取一定质量的骨料进行测试(假设重量为G₀)，骨料不易过多，否则骨料堆积后蜡液不易包裹均匀；

b、将制作的铁丝网容器放在塑料盆中，然后加入适量石蜡并称取其总重量G₁；

c、用温水将盆中石蜡融化，并在操作过程中将蜡液温度保持稳定，防止温度变化过大对蜡液附着能力的影响；

d、将所称量骨料放入铁丝网容器中，随后浸没在蜡液中轻轻晃动，浸蜡一分钟左右将铁丝网容器提起，待蜡液不在流淌后缓慢冷却至室温，此过程中要防止蜡液洒落到外面；

e、从每个骨料表面刮下2～3个石蜡薄片，用千分尺测量其厚度，记为δ，然后称量铁丝网容器、石蜡、塑料盆重量G₂；

蜡片平均厚度计算公式如式下式：

式中：δ₁，δ₂，δ₃……δ_n为蜡片厚度，单位mm，n为蜡片数量；

石蜡体积消耗量计算如下：

式中：V₀为石蜡消耗体积，单位cm³，d为石蜡比重，0.86g/cm³；

所称量骨料总表面积计算S₀计算如下式：

B、将蜡封法试验所用骨料表面蜡清理干净后烘干至恒重，配制一定水灰比的水泥浆并测量水泥浆密度，然后将其浸泡在一定水灰比的水泥浆中，浸泡大约1min后取出送至养护室养护至水泥浆终凝；

C、测量包裹浆体后粗骨料所增加的质量，用该质量除以粗骨料总表面积S₀，再除以对应水灰比条件下水泥浆密度，就可以得出粘附于该粗骨料表面的水泥浆体厚度h；在一次测量后可将骨料重新清理干净并烘干，改变浆液水灰比再次进行h的测量。

粗骨料裹浆厚度取决于水泥浆的稠度，较稠的水泥浆较容易依附在骨料表面，由于无砂混凝土不含细骨料，其水泥浆的稠度完全取决于水灰比的大小；因此，要确定各水灰比所对应的裹浆厚度，应该选取多组水灰比的水泥浆进行以上实验操作，从而得到水灰比与水泥裹浆厚度的关系曲线；同时，由于不同粒径骨料曲率半径不同，对于相同水灰比不同骨料的裹浆厚度也会不同；值得注意的是，由于水灰比较小的水泥浆稠度大，虽然可能实现较大的裹浆厚度，但是由于其流动性差，在具体施工操作中会产生水泥浆难以将骨料包裹均匀的现象，因此具体级配骨料的最低水灰比限制应该有实际操作确定。

英国在1852年开发了不含细骨料的混凝土，称为无砂混凝土；此后，欧美很多国家对与无砂混凝土的透水性和透气性等性能进行了深入的研究，并制定了一些相应的规范；无砂混凝土与普通混凝土的主要区别在于其中没有细骨料，只用粗骨料；因此无砂混凝土的孔隙率较高，且具有很好的连通性、其传热性、透水性；水泥用来覆盖粗骨料的表面，并起胶结作用，而不会完全填充空隙，由此产生的优点有：(1)节约资源，大大减少砂和粉煤灰等细骨料的用量，降低生产成本；(2)对骨料要求低，可以就地取材，直接利用当地易获得的砂烁石、石渣等；(3)绿色环保，无砂混凝土具备良好的透水性和透气性，在城市中使用可大大降低“热岛效应”；同时较大的孔隙率允许对其空隙进行土壤填充，实现混凝土植草的目的，有利于发展绿色经济。

无砂混凝土主要是由粗骨料和水泥浆拌制而成；因此，骨料本身的性能就成了制作无砂混凝土过程中应当着重考虑的因素；无砂混凝土的拌制可以看作是大量表面裹有水泥浆的骨料在水泥浆胶结力的作用下形成一个整体的过程；从无砂混凝土试块抗压试验破坏结果可以看出：试件破坏产生的断裂主要是骨料之间水泥浆胶结块发生破裂，骨料几乎没有受到损坏；因此，对于无砂混凝土制品质量控制来说，准确的估算出所用骨料的总表面积并依此计算出合适的水泥浆需求量就成为解决问题的重要切入点；合适的水泥浆用量即可以避免水泥浆过多而引起的沉浆现象，减少了不必要的浪费；同时也避免了水泥浆不足而导致混凝土制品强度较弱的情况；估算方面提出了修正系数来缩小估算值与实际值的误差；由此可计算出特定情况下水泥浆总需求量，避免了水泥浆过多而引起的沉浆现象，减少了不必要的浪费；同时也避免了水泥浆不足而导致混凝土制品强度较弱的情况，具有较好的实践应用价值与前景。

本发明充分考虑到骨料的特性，并基于此提出了新的椭球体骨料计算模型，使模型在三个正交方向的轴长均能准确反映骨料实际形态尺寸更加符合实际情况；使用样本骨料三个正交方向轴长比例均值作为计算模型的三轴比例，在节省计算量的同时使模型具有较好的代表性；提出代表粒径轴长半径的概念，以相同个数情况下椭球体模型总表面积与实际样本骨料总表面积相同最为约束计算条件，计算出代表粒径轴长半径的值；在单位堆积体积骨料的骨料个数计算中引入修正系数，提高估算的算法合理性；同时在骨料个数相同个数情况下样本骨料椭球体模型的总表面无砂混凝土是由粗骨料、胶凝材料、水按照一定的配合比经过一定的拌合工艺而制成的一种轻型混凝土。

Claims (2)

1.一种无砂混凝土表面积配合比计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将骨料视为椭球形，抽取n个样本分别测量其三个正交方向轴长得轴长比例，取均值得骨料模型的三轴比1：θ：β；

(2)取n个椭球体模型样本，通过控制其总表面积相同计算最短轴长半径R_x的平均值；

(3)根据R_x和1：θ：β计算单个椭球体的表面积S_t，

(4)估算单位堆积体积骨料中颗粒个数N，

式中，K为质量修正系数，Mz为单位体积堆积骨料的总质量，M为单个骨料颗粒的质量，

(5)根据裹浆厚度h、对应水灰比r和该水灰比下水泥浆密度ρ_s，计算配合比单位骨料所需水泥浆质量M₀、单位体积水泥浆所需水的质量M₁和单位体积水泥浆所需水泥的质量M₂，

M₀＝S_z×h×ρ_s×B

M₂＝M₀-M₁

式中，S_z为单位体积堆积骨料的总表面积，S_z＝N×S_t，B为富余系数；

所述R_x的计算方法如下：

式中，R₁，R₂，R₃……R_n为n个样本骨料最短轴长半径值；

所述质量修正系数K的计算方法如下：

简化后得：

所述富余系数B为1.2～1.6。

2.根据权利要求1所述的一种无砂混凝土表面积配合比计算方法，其特征在于，所述三个正交方向包括骨料最大轴长方向。