CN109305781B - 一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法 - Google Patents

一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于混凝土的技术领域，公开了一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法。方法：1)确定混凝土抗压强度及透水系数的目标值；2)依据抗压强度，设定基体强度、接触区浆体总面积；3)依据透水系数和接触区浆体总面积，计算接触点数目，确定骨料平均粒径并修正接触点数目；4)根据接触区浆体总面积与修正接触点数目，计算接触区浆体平均面积，再根据浆体包裹层厚度、骨料平均粒径确定骨料间浆体厚度并计算浆体/骨料比；5)调控水泥浆体组成，使浆体实际强度≥设定基体强度；6)依据浆体/骨料比、骨料粒径和水泥浆体组成，得混凝土配比。本发明的方法能高效、快速地设计满足性能需求的混凝土，实现混凝土性能的可控设计。

Description

一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法
技术领域
本发明属于建筑材料的技术领域，具体涉及一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法。
背景技术
随着城镇化进程不断推进，基础设施逐年增加，逐渐削弱了城市地表的渗透能力，导致城市内涝、热岛效应等城市环境问题日趋严峻。为此，国家提出了“海绵城市”的构想，以期提升城市抵御内涝等自然灾害的能力，同时实现雨水资源合理利用。作为“海绵城市”建设用关键材料，透水混凝土由骨料、胶凝材料、水、外加剂等原材料拌合而成，具有良好的透水、透气性能，被认为是传统不透水路面铺装材料的理想替代者。
透水混凝土的结构可视为骨料通过表面包裹的浆体相互粘接而形成的网络结构，骨料以“点接触”的方式通过浆体相互粘接，因而透水混凝土的骨架结构可以认为是由多个接触点构成的，接触点数目、接触点处骨料间的粘接宽度(接触区宽度)、骨料间浆体厚度以及基体(硬化水泥浆体)强度共同决定了透水混凝土的力学和透水性能。相较于骨料，基体的强度和界面的强度普遍较低，导致透水混凝土破坏通常始于基体或骨料-基体界面处，因而通过优化浆体组成提升基体及界面强度，可有效提升透水混凝土的力学性能；其次，单位体积透水混凝土中接触点(承受荷载的结构单元)数目主要取决于骨料粒级，影响着透水混凝土内部的应力分布，并且间接影响着孔隙大小等参数，可见接触点数目的选择对透水混凝土性能的影响至关重要；此外，接触区宽度、骨料间浆体厚度直接反映了骨料间浆体的有效粘接面积，同样显著影响着透水混凝土的力学、透水性能。
在工程应用过程中，现有配合比设计方法多关注原材料种类与用量，依据经验设计透水混凝土配合比，往往需要进行大量试配试验。虽然一些研究指出在配合比设计过程中应着重关注透水混凝土的骨架结构，但尚未建立起骨架结构与力学、透水性能间的量化关系，难以按照性能需求有效设计透水混凝土配比。目前，透水混凝土力学性能普遍较差(＜30MPa)且难以兼顾透水性能，很大程度上限制了这种材料的广泛应用，而其根本原因在于配合比设计过程缺乏理论指导。由此可见，阐明透水混凝土骨架结构与性能之间的关系，并据此合理选择浆体组成、骨料粒径以及浆体/骨料比例，方能实现透水混凝土性能的可控设计，配制性能满足要求的高强、高透水混凝土。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，以期简化透水混凝土配合比设计过程、提高设计效率，为透水混凝土的设计和性能预测提供理论依据。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
第一步：确定透水混凝土28d抗压强度FC-28及透水系数k15的目标值；
第二步：依据透水混凝土28d抗压强度FC-28的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；所述抗压强度FC-28与基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA的关系满足：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)；所述基体强度fc与接触区浆体总面积CTPA的设定值依据公式选择(fc一般大于80MPa，CTPA一般介于5～12cm2)，确保透水混凝土28d抗压强度FC-28不小于目标值即可；
第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值以及第二步获得的接触区浆体总面积CTPA计算接触点数目N，确定骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000021
并修正接触点数目；所述透水系数k15、接触区浆体总面积CTPA与接触点数目N的关系服从：接触点数目N与骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000023
的关系满足：
Figure BDA0001799255980000024
所述修正接触点数目是指根据计算得到的骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000025
选取骨料粒径范围，再根据实际的骨料平均粒径计算接触点数目，从而完成修正；
第四步：根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算接触区浆体平均面积WT，再根据目标浆体包裹层厚度TPT、骨料平均粒径确定骨料间浆体厚度T并计算浆体/骨料比例VP/VA(体积比)；
所述接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N×W×T，其中N为修正后的接触点数目，W×T为接触区浆体平均面积WT；骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT(浆体包裹层厚度的设定值)的关系服从：T＝1.82TPT，骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000031
与目标浆体包裹层厚度TPT的乘积定义为ζ，ζ与接触区宽度W呈线性关系：W＝0.5895ζ+1.666；利用接触区浆体平均面积WT，骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT(浆体包裹层厚度的设定值)的关系以及骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000032
目标浆体包裹层厚度TPT与接触区宽度W间的关系计算出骨料间浆体厚度T；
所述浆体/骨料比例(VP/VA)的关系为：
Figure BDA0001799255980000033
利用骨料间浆体厚度T计算浆体/骨料比例；
第五步：通过调控胶凝材料的种类、凝胶材料的用量、水胶比、外加剂的种类及掺量中一种或多种因素，使得硬化水泥浆体(基体)的实际强度fc′≥fc(即基体实际强度≥设定的基体强度)，获得水泥浆体组成；
第六步：依据浆体/骨料比、骨料粒径范围以及水泥浆体组成，即可获得混泥土配比。
本发明基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法根据透水混凝土骨架结构参数与性能指标、配合比参数间的关系，按照目标性能设计透水混凝土配合比。
所述透水混凝土骨架结构参数包括接触点数目N、接触区宽度W、骨料间浆体厚度T、接触区浆体总面积CTPA以及基体强度fc。
接触点数目N、接触区宽度W、骨料间浆体厚度T可由透水混凝土切片表面测得，接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N×W×T。基体强度fc(实际基体强度)由硬化水泥净浆的28d抗压强度表征。
接触点数目定义为单位面积内接触单元的数目，单位为“/100cm2”(如360/100cm2表示每100cm2内统计了360个接触点)；接触单元由两颗通过基体相互粘接的骨料以及两者间的基体构成。
接触区宽度在垂直于骨料间最短距离D的方向上测量，单位为“mm”；以骨料间基体最短长度为该接触点的接触区宽度。
骨料间浆体厚度在平行于骨料间最短距离D的方向上测量，单位为“mm”；以骨料间基体长度的平均值为该接触点的骨料间浆体厚度。
所述透水混凝土性能指标包括28d抗压强度FC-28与透水系数k15。
通过设计多组(不少于15组)透水混凝土配合比，继而测试这些配比的28d抗压强度FC-28与透水系数k15、同时测量表征这些混凝土配合比的骨架结构参数(N、W与T)。依据上述性能指标与骨架结构参数的实测值，建立起透水混凝土骨架结构参数与28d抗压强度FC的关系式：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)。其中基体强度的单位为MPa，接触区浆体总面积单位为“cm2/100cm2”(浆体面积/统计的“透水混凝土切面的面积”)。
根据上述测定的多组透水混凝土的透水系数k15以及骨架结构参数，建立起透水混凝土骨架结构参数与透水系数k15的关系式：
Figure BDA0001799255980000041
所述透水混凝土配合比参数包括骨料粒径、浆体/骨料比例以及浆体组成。
进一步的是，记录上述各组透水混凝土采用的骨料粒径，并以最小骨料粒径与最大骨料粒径的均值作为骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000042
结合测定的接触点数目N，进而建立起二者的关系：
Figure BDA0001799255980000051
其中，骨料平均粒径的单位为mm。
进一步的是，分析骨料间浆体厚度T的实测值与浆体包裹层厚度的设定值TPT(目标浆体包裹层厚度)发现：T＝1.82TPT(若无外力作用于骨料与浆体时，骨料间浆体厚度T则为两颗骨料浆体包裹层厚度之和，即T＝2TPT)。其中，T与TPT的单位均为mm。
进一步的是，参考“比表面积法”确定浆体/骨料的体积比例：
Figure BDA0001799255980000053
其中，骨料间浆体厚度T与骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000054
的单位均为mm。
进一步的是，骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000055
与目标浆体包裹层厚度TPT的乘积定义为参数ζ，根据ζ的计算结果以及接触区宽度W的测定值可知：W＝0.5895ζ+1.666。(根据实际测量的骨架结构参数(N、W、T)、性能指标(28d抗压强度、透水系数)以及选取的配合比参数(骨料的平均粒径)建立起来的)
进一步的是，浆体组成决定了实际基体强度，可通过调控胶凝材料的种类、凝胶材料用量、水胶比、外加剂的种类及掺量中一种或多种因素，使得硬化水泥浆体(基体)的实际强度fc′≥fc即实际强度大于或等于目标强度，获得水泥浆体组成。
相较于现有的透水混凝土配合比设计方法，本发明提出的方法能够高效、快速地设计满足性能需求的透水混凝土，免去试配过程中的诸多不便。该方法基于透水混凝土的目标性能，依据骨架结构参数计算透水混凝土配合比，可实现透水混凝土性能的可控设计，为透水混凝土大规模制备和推广应用提供理论指导和技术支撑。
附图说明
图1：骨料平均粒径与接触点数目的关系曲线；
图2：骨料平均粒径、目标浆体包裹层厚度与接触区宽度的关系曲线
图3：基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和附图来对本发明做进一步详细的说明。这些实例并不限制本发明的权利要求，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的方法，均在保护范围之内。
本发明的基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：第一步：确定透水混凝土28d抗压强度FC-28及透水系数k15的目标值；
第二步：依据透水混凝土28d抗压强度FC-28的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；所述抗压强度FC-28与基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA的关系满足：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)；
第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值以及第二步获得的接触区浆体总面积CTPA计算接触点数目N，确定骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000061
并修正接触点数目；所述透水系数k15、接触区浆体总面积CTPA与接触点数目N的关系服从：
Figure BDA0001799255980000062
接触点数目N与骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000063
的关系满足：
Figure BDA0001799255980000064
所述修正接触点数目是指根据计算得到的骨料平均粒径选取骨料粒径范围，再根据实际的骨料平均粒径计算接触点数目，从而完成修正；
第四步：根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算接触区浆体平均面积WT，再根据目标浆体包裹层厚度TPT、骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000066
确定骨料间浆体厚度T并计算浆体/骨料比例VP/VA(体积比)；
所述接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N×W×T，其中N为修正后的接触点数目，W×T为接触区浆体平均面积WT；骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT(浆体包裹层厚度的设定值)的关系服从：T＝1.82TPT，骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000067
与目标浆体包裹层厚度TPT的乘积定义为ζ，ζ与接触区宽度W呈线性关系：W＝0.5895ζ+1.666；利用接触区浆体平均面积WT，骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT(浆体包裹层厚度的设定值)的关系以及骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000071
目标浆体包裹层厚度TPT与接触区宽度W间的关系计算出骨料间浆体厚度T；
所述浆体/骨料比例(VP/VA)的关系为：
Figure BDA0001799255980000072
利用骨料间浆体厚度T计算浆体/骨料比例；(浆体/骨料的体积比例VP/VA(具体过程为：VP＝S×TPT，其中VP为浆体体积，S为骨料的总表面积，TPT为目标浆体包裹层厚度；S＝N×Si，其中N为骨料的个数，Si为每颗骨料的表面积；
Figure BDA0001799255980000073
其中mG为骨料总质量、mi为一颗骨料的平均质量、da为骨料平均粒径；而mi＝ρa×Vai，其中ρa为骨料的表观密度，Vai为一个骨料的平均体积；假设骨料为理想球体，则
Figure BDA0001799255980000074
综合上述关系，则有：
Figure BDA0001799255980000075
约分后，则有由于
Figure BDA0001799255980000077
(骨料总质量÷骨料表观密度＝骨料总体积)，于是
Figure BDA0001799255980000078
则公式VP＝S×TPT可表示为：
Figure BDA0001799255980000079
则有
Figure BDA00017992559800000710
)
第五步：通过调控胶凝材料的种类、凝胶材料的用量、水胶比、外加剂的种类及掺量中一种或多种因素，使得硬化水泥浆体(基体)的实际强度fc′≥fc(即基体实际强度≥设定的基体强度)，获得水泥浆体组成；
第六步：依据浆体/骨料比、骨料粒径范围以及水泥浆体组成，即可获得混泥土配比。
本发明的方法中骨料平均粒径与接触点数目的关系曲线如图1所示；骨料平均粒径、目标浆体包裹层厚度与接触区宽度的关系曲线如图2所示。本发明基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法流程图如图3所示。
实施例1
一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，具体过程如下：
第一步：确定透水混凝土抗压强度FC及透水系数k15的目标值；
第二步：依据透水混凝土抗压强度FC的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；
第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值计算接触点数目N，确定骨料平均粒径
Figure BDA0001799255980000081
并修正接触点数目；
第四步：根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算接触区浆体平均面积WT，确定骨料间浆体厚度T并计算浆体/骨料比例VP/VA(体积比)；
第五步：通过调控水泥浆体组成，确保基体实际强度fc′≥fc。
举例说明如下：为了制备28d抗压强度FC-28达25MPa、透水系数k15达20mm/s透水混凝土，首先依据公式FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)，设定基体强度fc为105MPa、接触区浆体总面积CTPA为6.2cm2；根据公式
Figure BDA0001799255980000082
知，接触点数目N应小于145，因而设定N为135。由公式
Figure BDA0001799255980000083
知，N＝135所对应骨料的平均粒径
Figure BDA0001799255980000084
为10.5mm；当选取9.5～13.2mm骨料时，根据实际
Figure BDA0001799255980000085
(11.1mm)修正N值为121.6。根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算WT为5.099mm2；基于公式T＝1.82TPT、W＝0.5895ζ+1.666，确定骨料间浆体厚度T为0.981mm，进而由公式
Figure BDA0001799255980000086
算得VP/VA为29.1％。选用PII52.5水泥为胶凝材料，当W/B(水胶比)为0.33、聚羧酸减水剂掺量为0.20％时，浆体强度fc-28为109.9MPa(≥105MPa)。最后，通过水泥浆体组成、浆体/骨料比例VP/VA(体积比)以及骨料粒径，就可获得高强、高透水凝土配合比。
实施例2
除以下技术特征外，其余技术特征同实施例1。
为了制备28d抗压强度FC-28达30MPa、透水系数k15达15mm/s透水混凝土，首先依据公式FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)，设定基体强度fc为115MPa、接触区浆体总面积CTPA为7.0cm2；根据公式
Figure BDA0001799255980000091
知，接触点数目N应小于174，因而设定N为150。由公式
Figure BDA0001799255980000092
知，N＝150所对应骨料的平均粒径
Figure BDA0001799255980000093
为9.9mm，当选取9.5～13.2mm骨料时，根据实际
Figure BDA0001799255980000094
(11.1mm)修正N值为121.6。根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算WT为5.756mm2；基于公式T＝1.82TPT、W＝0.5895ζ+1.666，确定骨料间浆体厚度T为1.055mm，进而由公式算得VP/VA为31.3％。选用PII52.5水泥、超细矿粉为胶凝材料，当水泥/矿粉质量比为4:1、W/B为0.28、聚羧酸减水剂掺量为0.80％时，浆体强度fc-28为123.3MPa(≥115MPa)。最后，通过水泥浆体组成、浆体/骨料比例VP/VA(体积比)以及骨料粒径，就可获得高强、高透水凝土配合比。
实施例3
除以下技术特征外，其余技术特征同实施例1。
为了制备28d抗压强度FC-28达35MPa、透水系数k15达10mm/s透水混凝土，首先依据公式FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)，设定基体强度fc为130MPa、接触区浆体总面积CTPA为6.7cm2；根据公式
Figure BDA0001799255980000096
知，接触点数目N应小于323，因而设定N为300。由公式
Figure BDA0001799255980000097
知，N＝300所对应骨料的平均粒径
Figure BDA0001799255980000098
为6.7mm，当选取4.75～9.5mm骨料时，根据实际
Figure BDA0001799255980000099
(7.2mm)修正N值为261.0。根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算WT为2.568mm2；基于公式T＝1.82TPT、W＝0.5895ζ+1.666，确定骨料间浆体厚度T为0.751mm，进而由公式算得VP/VA为34.4％。选用PII52.5水泥、超细矿粉、硅灰为胶凝材料，且三者质量比为70:24:6、W/B为0.25、聚羧酸减水剂掺量为1.30％(胶凝材料的质量分数)时，浆体强度fc-28为131.8MPa(≥130MPa)。最后，通过水泥浆体组成、浆体/骨料比例VP/VA(体积比)以及骨料粒径，就可获得高强、高透水凝土配合比。
通过实施例1～3可获知骨料粒径、浆体/骨料比例以及浆体组成，进而计算单方透水混凝土原材料用量。实施例中骨料的紧密堆积密度ρT为1826.3kg/m3，则单方透水混凝土骨料用量为1790.0kg/m3(0.98ρT)；根据该骨料的表观密度(2951.8kg/m3)，获知单方透水混凝土骨料的体积用量为0.6063m3，继而依据计算的浆体/骨料比获得各个配比的浆体体积用量。随后，通过测试各组浆体的密度，即可获知浆体的质量(胶凝材料、水、外加剂的总质量)，从而依据浆体各组分比例计算其用量。计算结果如下表1所示：
表1透水混凝土配合表
试验制备C1透水混凝土28d抗压强度为28.7MPa、透水系数为23.5mm/s，具备良好的透水性能；C2透水混凝土28d抗压强度达到33.0MPa、透水系数为21.2mm/s，同时具备良好的力学与透水性能；C3透水混凝土28d抗压强度高达37.2MPa、透水系数为14.1mm/s，力学性能优异。此外，透水混凝土28d抗压强度预测值与实测值非常接近，比目标值高出3.2～4.4MPa，最大偏差为4.2％；当透水系数目标值为20mm/s时，预测值与实测值仅相差2.6％，表明本发明的配合比设计方法能够准确地设计透水混凝土抗压强度与透水系数。

Claims (3)

1.一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：确定透水混凝土28d抗压强度FC-28及透水系数k15的目标值；
第二步：依据透水混凝土28d抗压强度FC-28的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；所述抗压强度FC-28与基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA的关系满足：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)；
第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值以及第二步获得的接触区浆体总面积CTPA计算接触点数目N，确定骨料平均粒径并修正接触点数目；所述透水系数k15、接触区浆体总面积CTPA与接触点数目N的关系服从：
Figure FDA0001799255970000012
接触点数目N与骨料平均粒径
Figure FDA0001799255970000013
的关系满足：
Figure FDA0001799255970000014
第四步：根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算接触区浆体平均面积WT，再根据目标浆体包裹层厚度TPT、骨料平均粒径
Figure FDA0001799255970000015
确定骨料间浆体厚度T并计算浆体/骨料比例VP/VA；
所述接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N’ ×W× T，其中N’ 为修正后的接触点数目，W×T为接触区浆体平均面积WT；骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT的关系服从：T＝1.82TPT，骨料平均粒径
Figure FDA0001799255970000016
与目标浆体包裹层厚度TPT的乘积定义为ζ，ζ与接触区宽度W呈线性关系：W＝0.5895ζ+1.666；利用接触区浆体平均面积WT，骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT的关系以及骨料平均粒径
Figure FDA0001799255970000017
目标浆体包裹层厚度TPT与接触区宽度W间的关系计算出骨料间浆体厚度T；
所述浆体/骨料比例即VP/VA的关系为：利用骨料间浆体厚度T 计算浆体/骨料比例；
第五步：通过调控胶凝材料的种类、凝胶材料的用量、水胶比、外加剂的种类及掺量中一种或多种因素，使得硬化水泥浆体的实际强度f′c≥fc即基体实际强度≥设定的基体强度，获得水泥浆体组成；
第六步：依据浆体/骨料比、骨料粒径范围以及水泥浆体组成，即可获得混凝土配比。
2.根据权利要求1所述基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：第三步中所述修正接触点数目是指根据计算得到的骨料平均粒径选取骨料粒径范围，再根据实际的骨料平均粒径计算接触点数目，从而完成修正。
3.根据权利要求1所述基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：第六步中，混凝土配比是根据骨料的紧密堆积密度，表观密度，计算出单方透水混凝土骨料的体积用量，继而依据浆体/骨料比获得的浆体体积用量；随后，通过测试浆体的密度，即可获知浆体的质量，利用水泥浆体组成，获得各组分的用量，即为混凝土的配比。
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