CN107954651A - 一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法,包括以下步骤：根据《胶结颗粒料筑坝技术导则(SL 678‑2014)》要求，以水泥用量、粉煤灰用量、砂率和水胶比等指标为自变量，确定其取值范围，胶凝砂砾石材料强度和耐久性指标(冻融25次相对动弹性模量)为因变量；通过试验，寻求两个因变量之间的关系；根据给定的配合比设计要求及二者关系，确定配合比优化模型的目标函数、约束条件；建立配合比优化模型；通过正交设计试验，确定出影响目标函数的自变量先后顺序及最优配合比，该种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，实施过程简单并可用于室内试验及施工现场，制备出的胶凝砂砾石材料具有较高的性能，为人们提供了很大的帮助。

Description

一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法
技术领域
本发明涉及一种胶凝砂砾石材料配合比优化方法，尤其是涉及一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法。
背景技术
胶凝砂砾石材料是一种将胶凝材料和水，添加到河床砂砾石或开挖废弃料等坝址附近易获取的岩石基材中，然后利用简易设备和工艺进行拌合，得到的新型筑坝材料。由于人工材料用量少，骨料标准低，弃渣料的利用，可有效的节约资源、最大程度避免土地植被的破坏，减少对自然环境的影响，现已在土耳其、日本、希腊和法国得到推广。我国胶凝砂砾石材料的研究和应用始于2004年，主要的工程有贵州省道塘水库上游过水围堰工程、福建街面水电站下游围堰及山西守口堡水库胶凝砂砾石坝。
冻融破坏是我国东北、西北和华北地区水工混凝土建筑在运行过程中产生的主要病害，由于胶凝砂砾石材料中水泥用量较少，与常规混凝土相比，材料本身强度低，抗渗透性能差，冻融破坏问题更加突出。为保证工程长期安全使用，有必要寻求提高其材料性能的配合比设计方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法,包括以下步骤：
步骤一：根据《胶结颗粒料筑坝技术导则(SL 678-2014)》要求，以水泥用量、粉煤灰用量、砂率和水胶比等指标为自变量，确定其取值范围，胶凝砂砾石材料强度和耐久性指标(冻融25次相对动弹性模量)为因变量；
步骤二：通过试验，寻求两个因变量之间的关系；
步骤三：根据给定的配合比设计要求及二者关系，确定配合比优化模型的目标函数、约束条件；
步骤四：建立配合比优化模型；
步骤五：通过正交设计试验，确定出影响目标函数的自变量先后顺序及最优配合比。
作为本发明的一种优选技术方案，所述自变量取值范围为：①胶凝材料用量不宜低于80kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32kg/m3；②粉煤灰和其他掺合料的总掺合量宜小于40％～60％；③水胶比宜控制在0.7～1.3；④胶凝砂砾石中砂率宜在18％～35％。
作为本发明的一种优选技术方案，所述胶凝砂砾石材料抗压强度参考《水工混凝土试验规程》经室内试验获取到；相对动弹性模量参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》通过试验手段获取。
作为本发明的一种优选技术方案，所述因变量之间关系为正相关性。
作为本发明的一种优选技术方案，所述配合比优化设计模型为：max(F(X)) ＝max(fcu(X)+0.2P(X)),式中，F(X)为目标函数，X为配合比优化设计参数集，含水胶比，砂率，水泥用量和粉煤灰用量等，fcu为抗压强度，P为冻融25 次的相对动弹性模量。
作为本发明的一种优选技术方案，所述约束条件为：水泥用量+粉煤灰用量≥80，水泥用量≥32，粉煤灰用量/(水泥用量+粉煤灰用量)<0.5,1.3≥水胶比≥0.7,0.35≥砂率≥0.18。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，实施过程简单并可用于室内试验及施工现场，制备出的胶凝砂砾石材料具有较高的性能，为人们提供了很大的帮助。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的水胶比与抗压强度关系图一；
图2为本发明的水胶比与抗压强度关系图二；
图3为本发明的水胶比与抗压强度关系图三；
图4为本发明的砂率与抗压强度关系图一；
图5为本发明的砂率与抗压强度关系图二；
图6为本发明的砂率与抗压强度关系图三；
图7为本发明的砂率与抗压强度关系图四；
图8为本发明的水泥用量与抗压强度关系图一；
图9为本发明的水泥用量与抗压强度关系图二；
图10为本发明的水泥用量与抗压强度关系图三；
图11为本发明的粉煤灰掺量与抗压强度关系图一；
图12为本发明的粉煤灰掺量与抗压强度关系图二；
具体实施方式
对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，包括以下步骤：
步骤一：根据《胶结颗粒料筑坝技术导则(SL 678-2014)》要求，以水泥用量、粉煤灰用量、砂率和水胶比等指标为自变量，确定其取值范围，胶凝砂砾石材料强度和耐久性指标(冻融25次相对动弹性模量)为因变量；
步骤二：通过试验，寻求两个因变量之间的关系；
步骤三：根据给定的配合比设计要求及二者关系，确定配合比优化模型的目标函数、约束条件；
步骤四：建立配合比优化模型；
步骤五：通过正交设计试验，确定出影响目标函数的自变量先后顺序及最优配合比。
自变量取值范围为：①胶凝材料用量不宜低于80kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32kg/m3；②粉煤灰和其他掺合料的总掺合量宜小于40％～60％；③水胶比宜控制在0.7～1.3；④胶凝砂砾石中砂率宜在18％～35％，胶凝砂砾石材料抗压强度参考《水工混凝土试验规程》经室内试验获取到；相对动弹性模量参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》通过试验手段获取，因变量之间关系为正相关性，配合比优化设计模型为：max(F(X))＝max(fcu(X)+0.2P(X)), 式中，F(X)为目标函数，X为配合比优化设计参数集，含水胶比，砂率，水泥用量和粉煤灰用量等，fcu为抗压强度，P为冻融25次的相对动弹性模量，约束条件为：水泥用量+粉煤灰用量≥80，水泥用量≥32，粉煤灰用量/(水泥用量+ 粉煤灰用量)<0.5,1.3≥水胶比≥0.7,0.35≥砂率≥0.18。
实施例1
实施例按照上述步骤进行正交设计试验，原材料采用河南多样达水泥有限公司生产的425#普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用郑州热电厂干排F类Ⅱ级粉煤灰，试验用骨料级配为三级配，设计因素水平见表1，试验结果见表2，采用极差分析法分析自变量对目标函数的影响大小，Ki为i水平的试验指标和，ki为Ki 的平均值，R为极差。
表1因素水平表
表2正交设计试验结果
表3优化目标极差分析
表4抗压强度极差分析
从上述实施例结果可以看出：从优化目标看来，影响较大的是砂率和水泥用量，各配合比参数对目标函数的影响大小为砂率，水泥用量，水胶比及粉煤灰，最优的配合比为砂率0.2，水胶比1.0，粉煤灰掺量50kg/m3，水泥用量40kg/m3。
从抗压强度的角度可以看出，水泥用量的极差也最大，其次是砂率，各配合比参数对强度的影响大小为水泥用量，砂率，水胶比及粉煤灰，最优的力学性能配合比为砂率0.2，水胶比1.0，粉煤灰掺量60kg/m3，水泥用量40kg/m3。
实施例2
采用常规的配合比优化设计方法，同样以水泥用量、粉煤灰用量、砂率和水胶比等指标为自变量，由于考察的配合比自变量较多，要同时进行冻融试验和力学性能试验，花费巨大的人力物力，为证明实施例1的合理性，采取如下思路，因实施例1中仅从抗压强度的角度，其敏感的配合比参数是水泥用量和砂率，该实施例也研究各配合比参数自变量对抗压强度的影响，
(1)水胶比的影响
设计试验水泥用量为50kg/m3、60kg/m3、70kg/m3时，水胶比分别为1.0、1.2、 1.4情况下配合比设计，28d抗压强度见图1。
水泥含量50kg/m3；粉煤灰掺量30kg/m3
水泥含量60kg/m3；粉煤灰掺量20kg/m3
水泥含量70kg/m3；粉煤灰掺量20kg/m3
图1水胶比与抗压强度关系
从图可以看出，当水胶比在1.0～1.4变化时，图中斜率最大的直线为砂率 0.2，水泥含量70kg/m3；粉煤灰掺量20kg/m3，相应试块抗压强度最大变化范围9.35Mpa-7.31Mpa，减少了2.01Mpa。
(2)砂率的影响
同一水泥含量、粉煤灰掺量、水胶比情况下，砂率分别为10％、20％、30％、 40％的抗压强度，如图2。
水泥用量40kg/m3
水泥用量50kg/m3
水泥用量60kg/m3
水泥用量70kg/m3
图2砂率与抗压强度关系
从图中可以看出，随着砂率的增大，抗压强度先增大，后减小，图中斜率最大的直线为水泥含量60kg/m3；粉煤灰掺量30kg/m3，水胶比1.0，相应试块抗压强度最大变化范围7.93Mpa-4.78Mpa，减少了3.15Mpa。
(3)水泥用量的影响
水胶比1.0，水泥用量为50kg/m3、60kg/m3、70kg/m3和40kg/m3时的抗压强度见下图。
胶凝材料(水泥+粉煤灰)总量80kg/m3
胶凝材料(水泥+粉煤灰)总量90kg/m3
胶凝材料(水泥+粉煤灰)总量100kg/m3
图3水泥用量与抗压强度关系
从图中可以看出，随着水泥用量的增大，强度也增大，图中斜率最大的直线为胶凝材料总量100kg/m3，水胶比1.0，砂率0.2，相应试块抗压强度最大变化范围4.2Mpa-8.2Mpa，增加了4.0Mpa。
(4)粉煤灰用量的影响
水胶比1.0，粉煤灰用量为20kg/m3、30kg/m3和40kg/m3时的抗压强度见下图。
水泥含量50kg/m3
水泥含量60kg/m3
图5粉煤灰掺量与抗压强度关系
从图中可以看出，随着粉煤灰用量的增大，强度也增大，图中斜率最大的直线为水泥含量50kg/m3，水胶比1.0，砂率0.2，相应试块抗压强度最大变化范围6.01Mpa-8.1Mpa，增加了2.09Mpa。
综上所述，从抗压强度的角度可以看出，水泥用量对抗压强度影响最大，斜率最大的线强度差值为4.0Mpa，其次为砂率，斜率最大的线强度差值为3.15Mpa，最后才是水胶比和粉煤灰，这和实施例1中的分析结果是一致的。
该种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，实施过程简单并可用于室内试验及施工现场，制备出的胶凝砂砾石材料具有较高的性能，为人们提供了很大的帮助。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据《胶结颗粒料筑坝技术导则(SL 678-2014)》要求，以水泥用量、粉煤灰用量、砂率和水胶比等指标为自变量，确定其取值范围，胶凝砂砾石材料强度和耐久性指标(冻融25次相对动弹性模量)为因变量；
步骤二：通过试验，寻求两个因变量之间的关系；
步骤三：根据给定的配合比设计要求及二者关系，确定配合比优化模型的目标函数、约束条件；
步骤四：建立配合比优化模型；
步骤五：通过正交设计试验，确定出影响目标函数的自变量先后顺序及最优配合比。
2.根据权利要求1所述的一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，其特征在于，所述自变量取值范围为：①胶凝材料用量不宜低于80kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32kg/m3；②粉煤灰和其他掺合料的总掺合量宜小于40％～60％；③水胶比宜控制在0.7～1.3；④胶凝砂砾石中砂率宜在18％～35％。
3.根据权利要求1所述的一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，其特征在于，所述胶凝砂砾石材料抗压强度参考《水工混凝土试验规程》经室内试验获取到；相对动弹性模量参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》通过试验手段获取。
4.根据权利要求1所述的一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，其特征在于，所述因变量之间关系为正相关性。
5.根据权利要求1所述的一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，其特征在于，所述配合比优化设计模型为：max(F(X))＝max(fcu(X)+0.2P(X)),式中，F(X)为目标函数，X为配合比优化设计参数集，含水胶比，砂率，水泥用量和粉煤灰用量等，fcu为抗压强度，P为冻融25次的相对动弹性模量。
6.根据权利要求1所述的一种冻融环境下胶凝砂砾石材料配合比优化方法，其特征在于，所述约束条件为：水泥用量+粉煤灰用量≥80，水泥用量≥32，粉煤灰用量/(水泥用量+粉煤灰用量)<0.5,1.3≥水胶比≥0.7,0.35≥砂率≥0.18。
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