CN108229003A - 一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法 - Google Patents

一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，属于建筑工程混凝土技术领域。针对现有的混凝土配合比调整过程烦杂，多依赖于经验，浪费人力、物力的问题。该方法将混凝土作为粗骨料悬浮在基础砂浆而形成的悬浮液体系，通过非线性回归确定混凝土的流变学参数与其基础砂浆的流变学参数以及粗骨料体积分数之间关系式，并进一步通过计算流体力学软件建立混凝土流变学参数与其坍落度/坍落扩展度数据表，实现了流变学参数、混凝土粗骨料体积分数、坍落度/坍落扩展度三者之间的关联，为混凝土工作性的优化设计提供了科学的依据，减少了试配过程导致的人力、物力、材料的损耗与浪费，同时也为混凝土的泵送施工提供了可量化的控制参数。

Description

一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法
技术领域
本发明属于建筑工程混凝土技术领域，特别涉及一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法。
背景技术
随着混凝土技术的进步，流态混凝土已经在工程中得到广泛应用。在超高层建筑中，为了满足泵送的要求，混凝土坍落度200mm以上的大流动性混凝土乃至自密实混凝土也已得到普及。混凝土的工作性对于其配制与施工有着重要影响，在混凝土配合比设计时需要根据混凝土工作性要求选取相应的配合比参数。目前，混凝土工作性指标一般为坍落度或者坍落扩展度。
在行业标准JGJ/T 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中，混凝土单方用水量是根据混凝土坍落度指标要求和粗骨料最大粒径确定的；在行业标准JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中，坍落扩展度指标要求直接则与混凝土单方粗骨料体积相关联。然而，在前述两项标准中，混凝土计算配合比均要通过试拌进行调整，只有当混凝土拌合物性能满足设计要求时才能确定基准配合比。配合比调整的过程往往比较烦杂，多依赖于经验，可能要经过多次试拌才能完成，会造成大量的人力、物力和材料的损耗与浪费。造成这种情况的根源在于用坍落度/坍落扩展度并不是混凝土的内在本质属性，虽然这种指标能够在一定程度上定性反映混凝土的流动性和填充性，但其仍然是受多种因素影响的外在表现指标。国内外大量研究表明，流变学参数(屈服应力、塑性粘度)能够精确定量地表征混凝土的流动性，属于内在本质属性。
因此，建立一套可根据混凝土流变学参数对混凝土工作性进行优化设计的方法，实现对混凝土工作性的科学调控，减少经验式调整的盲目性与随意性，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有的混凝土配合比调整的过程往往比较烦杂，多依赖于经验，可能要经过多次试拌才能完成，会造成大量的人力、物力和材料的损耗与浪费的问题。本发明的目的是提供一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，根据混凝土的塑性粘度和屈服应力等流变学参数对其工作性进行优化设计，满足工程施工要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，该方法的步骤如下：
步骤一、将基础配合比中的粗骨料去除，配制出基础砂浆，用砂浆流变仪测得其塑性粘度μs和屈服应力τ0s；
步骤二、量取若干组不同体积分数的粗骨料，保持基础配合比中的其他组分比例不变，配制成若干新拌混凝土，用混凝土流变仪测得各组新拌混凝土的塑性粘度和屈服应力；
步骤三、将测得的各组新拌混凝土的塑性粘度、粗骨料体积分数与其基础砂浆的塑性粘度按照公式(1)μ(φ)＝μsf(φ)进行非线性回归，式中，φ为粗骨料在混凝土中的体积分数，μs为基础砂浆的塑性粘度，f(φ)为非线性函数，μ(φ)为混凝土对应于粗骨料体积分数为φ时的塑性粘度；
步骤四、将测得的各组新拌混凝土的屈服应力、粗骨料体积分数与其基础砂浆的屈服应力按照公式(2)τ0(φ)＝τ0s g(φ)进行非线性回归，式中，τ0s为基础砂浆的屈服应力，g(φ)为非线性函数，τ0(φ)为混凝土对应于粗骨料体积分数为φ时的屈服应力；
步骤五、在步骤二确定的粗骨料体积分数范围内，按照粗骨料体积分数一定增幅得到一系列体积分数，分别代入公式(1)和公式(2)，得到不同粗骨料体积分数时对应的混凝土的塑性粘度和屈服应力，将这两个流变学参数作为输入数据，利用计算流体力学软件对混凝土坍落度/坍落扩展度进行数值模拟，得到不同粗骨料体积分数时的坍落度/坍落扩展度数据表；
步骤六、按照所需要的混凝土坍落度/坍落扩展度选用相应的粗骨料体积分数，实现从流变学参数到混凝土工作性的优化设计。
进一步地，所述步骤二中分别量取基础配合比中粗骨料体积的80％、90％、100％、110％、120％。
进一步地，所述步骤五中一定增幅为2％。
进一步地，该方法包括如下步骤：
步骤一：预设基础配合比中粗骨料的体积分数为0.4，要求混凝土坍落扩展度700±50mm；
步骤二：将粗骨料去除后配制出基础砂浆，测得其塑性粘度为0.9Pa·s，屈服应力为8.2Pa；
步骤三：分别按粗骨料体积分数0.32、0.36、0.4、0.44、0.48，保持基础配合比中的其他组分比例不变，配制成混凝土，测得各组混凝土的塑性粘度分别为7.3Pa·s、13.8Pa·s、31.1Pa·s、53.9Pa·s、164.3Pa·s，各组混凝土的屈服应力分别为18.2Pa、26.1Pa、35.9Pa、52.5Pa、93.6Pa；
步骤四：将测得的各组新拌混凝土的塑性粘度、粗骨料体积分数与其基础砂浆的塑性粘度按照公式(1)μ(φ)＝μsf(φ)进行非线性回归，得到
f(φ)＝(1-1.78φ)-2.72，R2＝0.9974，因此μ(φ)＝0.9×(1-1.78φ)-2.72；
步骤五：将测得的各组新拌混凝土的屈服应力、粗骨料体积分数与其基础砂浆的屈服应力按照公式(2)进行非线性回归，得到
g(φ)＝(1-1.88φ)-1.04，R2＝0.9953，因此τ0(φ)＝8.2×(1-1.88φ)-1.04；
步骤六：在0.32～0.48范围内，按照粗骨料体积分数2％的增幅得到一系列体积分数，分别代入公式(1)和公式(2)，得到不同粗骨料体积分数时对应的混凝土的塑性粘度和屈服应力，利用Fluent软件对混凝土坍落度/坍落扩展度进行数值模拟，得到不同粗骨料体积分数时的坍落度/坍落扩展度数据表；
步骤七：按照混凝土坍落扩展度700±50mm的要求，根据步骤五的数据表，从而得出混凝土粗骨料体积分数选择范围为0.34～0.38。
进一步地，所述混凝土由水泥、水、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、黄砂、粗骨料组成，其配合比(kg/m3)为：
本发明的有益效果在于：
1.本发明的基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，将混凝土作为粗骨料悬浮在基础砂浆而形成的悬浮液体系，通过非线性回归确定混凝土的流变学参数与其基础砂浆的流变学参数以及粗骨料体积分数之间关系式，并进一步通过计算流体力学软件建立混凝土流变学参数与其坍落度/坍落扩展度数据表，实现了流变学参数、混凝土粗骨料体积分数、坍落度/坍落扩展度三者之间的关联，为混凝土工作性的优化设计提供了科学的依据，减少了试配过程导致的人力、物力、材料的损耗与浪费，同时也为混凝土的泵送施工提供了可量化的控制参数。
2.本发明针对性强、操作性强，具有明显的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例中各组新拌混凝土的塑性粘度与粗骨料体积分数关系图；
图2为本发明实施例中各组新拌混凝土的屈服应力与粗骨料体积分数关系图；
图3为本发明实施例中各组新拌混凝土不同粗骨料体积分数时的坍落度/坍落扩展度数据表。
具体实施方式
一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一：预设基础配合比中粗骨料的体积分数为0.4，要求混凝土坍落扩展度700±50mm；
步骤二：将基础配合比中粗骨料去除后配制出基础砂浆，用砂浆流变仪测得其塑性粘度μs为0.9Pa·s，屈服应力τ0s为8.2Pa；
步骤三：按体积计，以基础配合比中粗骨料为基准，分别按粗骨料体积分数0.32、0.36、0.4、0.44、0.48，保持基础配合比中的其他组分比例不变，配制成五组新拌混凝土，用混凝土流变仪测得各组混凝土的塑性粘度分别为7.3Pa·s、13.8Pa·s、31.1Pa·s、53.9Pa·s、164.3Pa·s，各组混凝土的屈服应力分别为18.2Pa、26.1Pa、35.9Pa、52.5Pa、93.6Pa；
步骤四：将测得的各组新拌混凝土的塑性粘度、粗骨料体积分数与其基础砂浆的塑性粘度按照公式(1)μ(φ)＝μsf(φ)进行非线性回归，得到，f(φ)＝(1-1.78φ)-2.72，R2＝0.9974，因此μ(φ)＝0.9×(1-1.78φ)-2.72，式中，φ为粗骨料在混凝土中的体积分数，μs为基础砂浆的塑性粘度，f(φ)为非线性函数，可采用多项式函数或者指数函数等，μ(φ)为混凝土对应于粗骨料体积分数为φ时的塑性粘度如图1所示；
步骤五：将测得的各组新拌混凝土的屈服应力、粗骨料体积分数与其基础砂浆的屈服应力按照公式(2)τ0(φ)＝τ0sg(φ)进行非线性回归，得到g(φ)＝(1-1.88φ)-1.04，R2＝0.9953，因此τ0(φ)＝8.2×(1-1.88φ)-1.04，式中，τ0s为基础砂浆的屈服应力，g(φ)为非线性函数，可采用多项式函数或者指数函数等，τ0(φ)为混凝土对应于粗骨料体积分数为φ时的屈服应力如图2所示；
步骤六：在步骤二确定的体积分数范围内，即本实施例中0.32～0.48范围内，按照粗骨料体积分数2％的增幅得到一系列体积分数，分别代入公式(1)和公式(2)，得到不同粗骨料体积分数时对应的混凝土的塑性粘度和屈服应力，利用Fluent软件对混凝土坍落度/坍落扩展度进行数值模拟，得到不同粗骨料体积分数时的坍落度/坍落扩展度数据表，如图3所示；
步骤七：按照混凝土坍落扩展度700±50mm的要求，根据步骤五的数据表即表3，从而得出混凝土粗骨料体积分数选择范围为0.34～0.38。
当然，上述混凝土包括水泥、水、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、黄砂、粗骨料组成，其配合比(kg/m3)为：
综上所述，本发明提出了一种可根据混凝土流变学参数对混凝土工作性进行优化设计的方法，将混凝土作为粗骨料悬浮在基础砂浆而形成的悬浮液体系，通过非线性回归确定混凝土的流变学参数与其基础砂浆的流变学参数以及粗骨料体积分数之间关系式，并进一步通过计算流体力学软件建立混凝土流变学参数与其坍落度/坍落扩展度数据表，实现了流变学参数、混凝土粗骨料体积分数、坍落度/坍落扩展度三者之间的关联，为混凝土工作性的优化设计提供了科学的依据，减少了试配过程导致的人力、物力、材料的损耗与浪费，同时也为混凝土的泵送施工提供了可量化的控制参数。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

Claims (5)

1.一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、将基础配合比中的粗骨料去除，配制出基础砂浆，用砂浆流变仪测得其塑性粘度μs和屈服应力τ0s；
步骤二、量取若干组不同体积分数的粗骨料，保持基础配合比中的其他组分比例不变，配制成若干新拌混凝土，用混凝土流变仪测得各组新拌混凝土的塑性粘度和屈服应力；
步骤三、将测得的各组新拌混凝土的塑性粘度、粗骨料体积分数与其基础砂浆的塑性粘度按照公式(1)μ(φ)＝μsf(φ)进行非线性回归，式中，φ为粗骨料在混凝土中的体积分数，μs为基础砂浆的塑性粘度，f(φ)为非线性函数，μ(φ)为混凝土对应于粗骨料体积分数为φ时的塑性粘度；
步骤四、将测得的各组新拌混凝土的屈服应力、粗骨料体积分数与其基础砂浆的屈服应力按照公式(2)τ0(φ)＝τ0s g(φ)进行非线性回归，式中，τ0s为基础砂浆的屈服应力，g(φ)为非线性函数，τ0(φ)为混凝土对应于粗骨料体积分数为φ时的屈服应力；
步骤五、在步骤二确定的粗骨料体积分数范围内，按照粗骨料体积分数一定增幅得到一系列体积分数，分别代入公式(1)和公式(2)，得到不同粗骨料体积分数时对应的混凝土的塑性粘度和屈服应力，将这两个流变学参数作为输入数据，利用计算流体力学软件对混凝土坍落度/坍落扩展度进行数值模拟，得到不同粗骨料体积分数时的坍落度/坍落扩展度数据表；
步骤六、按照所需要的混凝土坍落度/坍落扩展度选用相应的粗骨料体积分数，实现从流变学参数到混凝土工作性的优化设计。
2.根据权利要求1所述的基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，其特征在于：所述步骤二中分别量取基础配合比中粗骨料体积的80％、90％、100％、110％、120％。
3.根据权利要求1所述的基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，其特征在于：所述步骤五中一定增幅为2％。
4.一种基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一：预设基础配合比中粗骨料的体积分数为0.4，要求混凝土坍落扩展度700±50mm；
步骤二：将粗骨料去除后配制出基础砂浆，测得其塑性粘度为0.9Pa·s，屈服应力为8.2Pa；
步骤三：分别按粗骨料体积分数0.32、0.36、0.4、0.44、0.48，保持基础配合比中的其他组分比例不变，配制成混凝土，测得各组混凝土的塑性粘度分别为7.3Pa·s、13.8Pa·s、31.1Pa·s、53.9Pa·s、164.3Pa·s，各组混凝土的屈服应力分别为18.2Pa、26.1Pa、35.9Pa、52.5Pa、93.6Pa；
步骤四：将测得的各组新拌混凝土的塑性粘度、粗骨料体积分数与其基础砂浆的塑性粘度按照公式(1)μ(φ)＝μsf(φ)进行非线性回归，得到，f(φ)＝(1-1.78φ)-2.72，R2＝0.9974，因此μ(φ)＝0.9×(1-1.78φ)-2.72；
步骤五：将测得的各组新拌混凝土的屈服应力、粗骨料体积分数与其基础砂浆的屈服应力按照公式(2)τ0(φ)＝τ0sg(φ)进行非线性回归，得到g(φ)＝(1-1.88φ)-1.04，R2＝0.9953，因此τ0(φ)＝8.2×(1-1.88φ)-1.04；
步骤六：在0.32～0.48范围内，按照粗骨料体积分数2％的增幅得到一系列体积分数，分别代入公式(1)和公式(2)，得到不同粗骨料体积分数时对应的混凝土的塑性粘度和屈服应力，利用Fluent软件对混凝土坍落度/坍落扩展度进行数值模拟，得到不同粗骨料体积分数时的坍落度/坍落扩展度数据表；
步骤七：按照混凝土坍落扩展度700±50mm的要求，根据步骤五的数据表，从而得出混凝土粗骨料体积分数选择范围为0.34～0.38。
5.根据权利要求4所述的基于流变学参数的混凝土工作性优化设计方法，其特征在于：所述混凝土由水泥、水、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、黄砂、粗骨料组成，其配合比(kg/m3)为：
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