CN107729598B - 基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法通过将双级配透水混凝土视为“晶体”，将双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并视为晶体中的“质点”，基于晶体学模型计算最优组合状态下两种骨料的总体孔隙率P，同时可以评估基本单元中的等效连接点数n，最后给出两种骨料的理论质量比。这样就可以为双级配骨料的实际配比提供可靠的理论参考值，避免盲目试验，减少试验次数，提高生产效率，提高产品质量。

Description

基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法

技术领域

本发明属于混凝土配比计算方法技术领域，具体涉及一种基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法。

背景技术

随着城镇化的高速发展，城市绿化面积越来越少，城市内涝、高温现象屡见不鲜，为解决这一问题，越来越多的城市选择透水混凝土作为透水铺装。透水混凝土是由骨料、水泥、水和外加剂等经过特殊工艺搅拌而成的一种无砂混凝土，由于不含砂等细骨料，它内部有均匀分布的蜂窝状孔隙，具有透气、渗水、蓄水等特殊功能。

不同于普通混凝土，透水混凝土在配合比设计时，主要追求良好的透水性和材料强度，常见的设计方法有质量法、体积法和比表面积法。其中，体积法通过控制浆体体积来控制目标孔隙率，原理简单明晰，得到了越来越多的应用。透水混凝土在使用体积法进行配合比设计时，首先应根据骨料的紧密堆积密度ρ和表观密度ρ′，从而计算得到骨料孔隙率P；然后按照路面透水性的要求，设定最终的透水混凝土目标孔隙率P_d，则水泥和水所占的体积比例则为P_W/C＝P-P_d，至此，就得到单位体积透水混凝土中各主要成分的体积百分比。由此可见，应用体积法进行透水混凝土配合比设计时，骨料的孔隙率P是一个至关重要的参数。

然而，在使用双级配骨料时，为了得到一个比较理想的骨料孔隙率P，往往需要多次调整大、小骨料的配比，分别试验测定骨料紧密堆积密度ρ和表观密度ρ′，并计算对应骨料孔隙率P，直到骨料孔隙率P值达到预期值；从而导致工作量的加、并且费时费工；另外，骨料之间存在接触点，这些接触点最终会成为透水混凝土中的连接点，并为透水混凝土提供强度，普通的体积法只能得到预期的骨料孔隙率P值，并不能直观的评估骨料之间的接触点的数目，这不利于评估透水混凝土最终强度大小。

因此，有必要寻找一种计算配透水混凝土骨料配比的评估方法，既可以预估骨料的孔隙率P，又可以评估骨料之间的接触点的数目；这样就可以为两种骨料的配比实验提供理论质量比，避免盲目试验，减少试验次数，提高生产效率，提高产品质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法，解决了现有双级配透水混凝土在制备过程中计算强度大、生产效率低、产品强度不佳的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法，包括以下步骤：

步骤1，根据晶体学理论建立模型，模型中假设双级配透水混凝土为晶体，假设双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并作为晶体中的质点；

步骤2，将步骤1模型中的骨料根据半径大小，划分为大骨料和小骨料，设大骨料等效质点半径为R₁、小骨料等效质点半径R₂，并测量出R₁和R₂的数值；

步骤3，选取步骤1晶体中的基本单元晶胞，设晶胞的三组棱长分别为a、b、c；根据晶胞特性计算出晶胞中的大骨料等效质点数目a₁、小骨料等效质点数目a₂、大骨料等效质点周围连接点数n₁、小骨料等效质点周围连接点数n₂；结合R₁、R₂以及晶胞模型确定棱长a、b、c的数值；

步骤4，根据步骤3中参数n₁、n₂、a₁、a₂的值，计算出步骤3晶胞中等效连结点数n；

步骤5，按照步骤3中参数R₁、R₂、a₁、a₂、棱长a、b、c的值，计算出模型中骨料孔隙率P、两种骨料的质量比M₁/M₂。

本发明的特征还在于，

步骤4中等效连结点数n按照下式(1)计算：

n＝n₁×a₁+n₂×a₂ (1)。

步骤5中骨料孔隙率P的计算过程如式(2)-(4)，

V_基本单元＝a×b×c (3)

其中V_质点为晶胞中骨料等效质点体积，V_基本单元为晶胞的体积。

步骤5中两种骨料的质量比M₁/M₂，具体计算过程如式(5)-(7)，

步骤3中晶胞为立方体角顶形状。

本发明的有益效果是：本申请基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法通过将双级配透水混凝土视为“晶体”，将双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并视为晶体中的“质点”，基于晶体学模型计算最优组合状态下两种骨料的总体孔隙率P，同时可以评估基本单元中的等效连接点数n，最后给出两种骨料的理论质量比。这样就可以为双级配骨料的实际配比提供可靠的理论参考值，避免盲目试验，减少试验次数，提高生产效率，提高产品质量。

附图说明

图1是本发明实施例中晶胞的结构示意图；

图2是本发明实施例中紧密堆积时晶胞的结构示意图；

图3是本发明实施例晶胞以小骨料为核心时的结构示意图；

图4是本发明实施例晶胞以大骨料为核心时的结构示意图。

图中，1.大骨料等效质点，2.小骨料等效质点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

根据晶体学理论：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体，具有最小内能、稳定性等基本性质。而透水混凝土不使用砂，只使用骨料和胶结材料(水泥、水和各种外加剂的混合物)。骨料在均匀紧密堆积状态下遵循稳定性原则；骨料和胶结材料混合形成透水混凝土后，骨料之间是典型的“点连接”状态。这两种宏观现象，与晶体结构的微观现象有相似之处。因此，本申请中将双级配透水混凝土视为晶体，将双级配透水混凝土中的骨料等效为球体，并视为晶体中的质点，用晶体学的成熟理论来应用在双级配透水混凝土骨料的配比评估中。

本发明基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法，包括以下步骤：

步骤1，根据晶体学理论建立模型，模型中假设双级配透水混凝土为晶体，假设双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并作为晶体中的质点；

步骤2，将步骤1模型中的骨料根据半径大小，划分为大骨料和小骨料，设大骨料等效质点半径为R₁、小骨料等效质点半径R₂，并测量出R₁和R₂的数值；

步骤3，选取步骤1晶体中的基本单元晶胞，设晶胞的三组棱长分别为a、b、c；根据晶胞特性计算出晶胞中的大骨料等效质点数目a₁、小骨料等效质点数目a₂、大骨料等效质点周围连接点数n₁、小骨料等效质点周围连接点数n₂；结合R₁、R₂以及晶胞模型确定棱长a、b、c的数值；

步骤4，根据步骤3中参数n₁、n₂、a₁、a₂的值，计算出步骤3晶胞中等效连结点数n，具体如式(1)所示，

n＝n₁×a₁+n₂×a₂ (1)

步骤5，按照步骤3中参数R₁、R₂、a₁、a₂、棱长a、b、c的值，计算出模型中骨料孔隙率P，具体为式(2)-(4)，

V_基本单元＝a×b×c (3)

其中V_质点为晶胞中骨料等效质点体积，V_基本单元为晶胞的体积；

计算出模型中两种骨料的质量比M₁/M₂，具体如式(5)-(7)，

步骤3中晶胞为立方体角顶形状。

由于双级配透水混凝土具有透水性好、抗压强度高等特点，其透水性能随着骨料孔隙率P增大而增强，但是抗压强度随着骨料孔隙率P增大可能会减小，因此最优骨料配比可以使双级配透水混凝土既保证较大的骨料孔隙率P，同时可以有较多的连接点，从而获得足够的抗压强度。

但是两种级配骨料的最优质量比很难计算，在实际工程中，施工人员经常使用经验数据，或者通过大量实验，调整两种级配骨料的质量比，这种方式生产效率低，且质量难以保障。本申请中通过将双级配透水混凝土视为“晶体”，将双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并视为晶体中的“质点”，基于晶体学模型计算最优组合状态下两种骨料的总体孔隙率P，同时可以评估基本单元中的等效连接点数n，最后给出两种骨料的理论质量比。这样就可以为双级配骨料的实际配比提供可靠的理论参考值，避免盲目试验，减少试验次数，提高生产效率，提高产品质量。

实施例

一种透水混凝土，拟选用双级配骨料，均使用卵石作为骨料。假设双级配透水混凝土为晶体，双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并作为晶体中的质点，设大骨料等效质点半径为R₁、小骨料等效质点半径R₂，且已知R₁:R₂＝1:0.732，为获得最佳透水性和强度，计算两种骨料的配比，对透水混凝土进行评估。

根据晶体学理论，将该实施例归属为不等大球体堆积问题。

由于R₁:R₂＝1:0.732，如图1所示，晶体中的晶胞应为“立方体角顶形状”；当其处于最紧密堆积状态时，晶胞形状如图2所示，小骨料等效质点与大骨料等效质点相切，相邻两个大骨料等效质点均相切，每个晶胞中包含1个大骨料等效质点和1个小骨料等效质点，即a₁＝a₂＝1，若取R₁＝0.5，则R₂＝0.5×0.732＝0.366，则晶胞中的棱长a＝b＝c＝1；

在此状态下，如图3所示，每个小骨料等效质点周围有8个大骨料等效质点与之相切，即n₂＝8；如图4所示，每个大骨料等效质点周围有6个大骨料等效质点和8个小骨料等效质点与之连接，即n₁＝6+8＝14；

通过公式(1)可知，单个晶胞中骨料等效连接点数n＝14×1+8×1＝22；

将R₁和R₂带入公式(2)-(4)可知，骨料孔隙率P的计算过程：

V_基本单元＝1×1×1＝1 (3)

将各参数带入式(5)-(7)中，得到

结论：在已知两种级配骨料的等效半径比为1:0.732时，根据本申请计算结果，建议大骨料质量：小骨料质量＝1:0.392；此时，骨料整体孔隙率理论值为27.1％，晶胞中等效连结点数理论值为22：以此质量比为参考值，进行双级配透水混凝土的适配实验，可以在实验次数很少的情况下取得最佳的透水性能和抗压强度。

Claims (2)

1.基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据晶体学理论建立模型，模型中假设双级配透水混凝土为晶体，假设双级配透水混凝土中的骨料等效为球体并作为晶体中的质点；

步骤2，将步骤1模型中的骨料根据半径大小，划分为大骨料和小骨料，并测量出R₁和R₂的数值；

步骤3，选取步骤1晶体中的基本单元晶胞，设晶胞的三组棱长分别为a、b、c；根据晶胞特性计算出晶胞中的大骨料等效质点数目a₁、小骨料等效质点数目a₂、大骨料等效质点周围连接点数n₁、小骨料等效质点周围连接点数n₂；结合R₁、R₂以及晶胞模型确定棱长a、b、c的数值；

步骤4，根据步骤3中参数n₁、n₂、a₁、a₂的值，计算出步骤3晶胞中等效连接点数n；

步骤5，按照步骤3中参数R₁、R₂、a₁、a₂、棱长a、b、c的值，计算出模型中骨料孔隙率P、两种骨料的质量比M₁/M₂；

所述步骤4中等效连接点数n按照下式(1)计算：

n＝n₁×a₁+n₂×a₂ (1)；

所述步骤5中骨料孔隙率P的计算过程如式(2)-(4)，

V_基本单元＝a×b×c (3)

其中V_质点为晶胞中骨料等效质点体积，V_基本单元为晶胞的体积；

所述步骤5中两种骨料的质量比M₁/M₂，具体计算过程如式(5)-(7)，

2.根据权利要求1所述的基于晶体学理论的双级配透水混凝土骨料评估方法，其特征在于，所述步骤3中晶胞为立方体角顶形状。

Images