CN109459461B - 一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用 - Google Patents

一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用，通过对单位质量、不同水灰比水泥浆体的横向弛豫时间T2的第一回波峰振幅值随水化时间变化的试验数据，采用模型拟合，得到模型与水灰比、水化热调控材料掺量之间的关系；并通过求导得到水化反应速率模型，使得模型可以反映水灰比以及水化热调控材料掺量对水化速率的影响；通过该模型，可以很方便的得知不同水灰比、不同水化热调控材料掺量在不同时刻的水化速率，而不需要通过测试装置实时测试，对于水泥基材料性能研究具有深刻意义。

Description

一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的 构建方法及应用
技术领域
本发明涉及一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用，属于混凝土建筑技术领域。
背景技术
随着现代混凝土的推广、以及大体积混凝土结构的应用，由水化热引起的混凝土早期裂缝问题愈加严峻，近年来基于温度场调控掺入水化热调控材料的裂缝防控技术在实际工程中成效显著。水化热调控材料是以天然淀粉为原料制成，可以调节水泥水化进程、降低水化放热速率峰值，有效降低混凝土内部温升进而进行裂缝防控。然而，目前该材料调控水泥水化的规律和机理还不够明确，需要进一步分析表征其对水泥水化过程的影响，以便为实际混凝土工程裂缝防控提供理论基础和技术支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法，基于低场核磁共振技术、对不同水灰比和水化热调控材料掺量的水泥基材料早龄期水化速率变化发展规律进行研究，建立掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化速率的预测模型，为水泥基材料早龄期水化过程的分析提供可靠的参数。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法，用于针对掺水化热调控材料的目标水泥基材料，实现早龄期水化反应速率模型的构建，包括如下步骤：
步骤001.浇筑预设份数的目标水泥基材料样品，且各份目标水泥基材料样品彼此具有不同水灰比w/c、不同水化热调控材料掺量mH，并分别针对各目标水泥基材料样品进行标准养护，然后进入步骤002；
步骤002.分别针对各份目标水泥基材料样品，获得目标水泥基材料样品分别对应各观测时刻的横向驰豫时间T2的分布，然后进入步骤003；
步骤003.针对各份目标水泥基材料样品的水灰比w/c、水化热调控材料掺量mH，以及其分别对应各观测时刻、横向驰豫时间T2的分布进行分析，提出单位质量目标水泥基材料横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅随水化时间变化模型，如下所示：
T(t)＝γH(a-bexp(-ct))
式中，T(t)表示单位质量目标水泥基材料对应水化时间t时、横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅值；参数a、b、c分别为与目标水泥基材料中矿物组分、细度、水灰比有关的表征参数；γH表示水化热调控材料掺量影响系数，t表示目标水泥基材料早龄期水化时间，然后进入步骤004；
步骤004.依据针对各份目标水泥基材料样品的水灰比w/c、水化热调控材料掺量mH，以及其分别对应于各个观测时刻、横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅值的分析，获得参数a、b、c分别与水灰比w/c的关系如下：
a＝-2850(w/c)2+3434.9(w/c)-643.6
b＝-154(w/c)2-1835.1(w/c)+150.6
c＝-0.1(w/c)2-0.247(w/c)+0.1827
影响系数γH与水化热调控材料掺量mH、以及早龄期水化时间t的关系如下：
γH＝d+e×t+f×lnt+g/t
d＝15721.6(mH)2-2358.5mH+0.9929
e＝-56.2(mH)2+8.404mH-0.0005
f＝-408.3(mH)2+61.89mH+0.0077
g＝-128.1(mH)2+19.53mH-0.0043
其中，d、e、f、g为关于水化热调控材料掺量mH的函数，然后进入步骤005；
步骤005.针对单位质量目标水泥基材料横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅随水化时间变化模型进行求导运算，获得目标水泥基材料早龄期水化反应速率模型如下：
v(t)＝a(e+f/t-g/t2)+((d+et+flnt+g/t)c-e-f/t+g/t2)bexp(-ct)
式中，v(t)表示单位质量目标水泥基材料对应早龄期水化时间t的水化反应速率。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤001中，浇筑预设份数的目标水泥基材料样品的过程中，将各种水泥试样分别搅拌后，分别装入直径为27mm，长200mm的圆柱形玻璃管进行浇筑，且各份目标水泥基材料样品的浇筑高度为2cm～3cm。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤002中，分别针对各份目标水泥基材料样品，按预设观测周期时间进行观测；
其中，在各个观测时刻中，首先通过核磁共振仪获得目标水泥基材料样品的横向磁矢量恢复过程图，接着采用核磁共振仪针对该横向磁矢量恢复过程图进行反演，获得目标水泥基材料样品对应该观测时刻、横向驰豫时间T2的分布；
进而分别获得各份目标水泥基材料样品对应于各观测时刻、横向驰豫时间T2的分布。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种基于掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法的应用，基于低场核磁共振技术、对不同水灰比和水化热调控材料掺量的水泥基材料早龄期水化速率变化发展规律进行研究，建立掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化速率的预测模型，为水泥基材料早龄期水化过程的分析提供可靠的参数。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法的应用，用于针对掺水化热调控材料的目标水泥基材料，实现目标水泥基材料早龄期水化反应速率的预测，包括如下步骤：
步骤A01.针对待检测目标水泥基材料，分别获得其水灰比w/c，以及其中水化热调控材料掺量mH，然后进入步骤A02；
步骤A02.将待检测目标水泥基材料的水灰比ω/c，以及其中水化热调控材料掺量mH，代入到所述目标水泥基材料早龄期水化反应速率模型中，即获得待检测目标水泥基材料对应早龄期预测水化时间的水化反应速率。
本发明所述一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用，通过对单位质量、不同水灰比水泥浆体的横向弛豫时间T2的第一回波峰振幅值随水化时间变化的试验数据，采用模型拟合，得到模型与水灰比、水化热调控材料掺量之间的关系；并通过求导得到水化反应速率模型，使得模型可以反映水灰比以及水化热调控材料掺量对水化速率的影响；通过该模型，可以很方便的得知不同水灰比、不同水化热调控材料掺量在不同时刻的水化速率，而不需要通过测试装置实时测试，对于水泥基材料数值化研究具有深刻意义。
附图说明
图1是本发明设计应用中不同水灰比的单位质量水泥浆体在不同水化时间的试验数据与本发明模型预测曲线示意图；
图2是本发明设计应用中不同水化热调控材料掺量的单位质量水泥浆体在不同水化时间的试验数据与本发明模型预测曲线示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法，用于针对掺水化热调控材料的目标水泥基材料，实现早龄期水化反应速率模型的构建，实际应用中，具体包括如下步骤：
步骤001.浇筑预设份数的目标水泥基材料样品，且各份目标水泥基材料样品彼此具有不同水灰比w/c、不同水化热调控材料掺量mH，将各份目标水泥基材料样品分别搅拌后，分别装入直径为27mm，长200mm的圆柱形玻璃管进行浇筑，且各份目标水泥基材料样品的浇筑高度为2cm～3cm，然后分别针对各目标水泥基材料样品进行标准养护，然后进入步骤002。
步骤002.分别针对各份目标水泥基材料样品，按预设观测周期时间进行观测；其中，在各个观测时刻中，首先通过核磁共振仪获得目标水泥基材料样品的横向磁矢量恢复过程图，接着采用核磁共振仪针对该横向磁矢量恢复过程图进行反演，获得目标水泥基材料样品对应该观测时刻、横向驰豫时间T2的分布；进而分别获得各份目标水泥基材料样品对应于各观测时刻、横向驰豫时间T2的分布，然后进入步骤003。
步骤003.针对各份目标水泥基材料样品的水灰比w/c、水化热调控材料掺量mH，以及其分别对应各观测时刻、横向驰豫时间T2的分布进行分析，提出单位质量目标水泥基材料横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅随水化时间变化模型，如下所示：
T(t)＝γH(a-bexp(-ct))
式中，T(t)表示单位质量目标水泥基材料对应水化时间t时、横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅值；参数a、b、c分别为与目标水泥基材料中矿物组分、细度、水灰比有关的表征参数；γH表示水化热调控材料掺量影响系数，t表示目标水泥基材料早龄期水化时间，然后进入步骤004。
步骤004.依据针对各份目标水泥基材料样品的水灰比w/c、水化热调控材料掺量mH，以及其分别对应于各个观测时刻、横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅值的分析，获得参数a、b、c分别与水灰比w/c的关系如下：
a＝-2850(w/c)2+3434.9(w/c)-643.6
b＝-154(w/c)2-1835.1(w/c)+150.6
c＝-0.1(w/c)2-0.247(w/c)+0.1827
影响系数γH与水化热调控材料掺量mH、以及早龄期水化时间t的关系如下：
γH＝d+e×t+f×lnt+g/t
d＝15721.6(mH)2-2358.5mH+0.9929
e＝-56.2(mH)2+8.404mH-0.0005
f＝-408.3(mH)2+61.89mH+0.0077
g＝-128.1(mH)2+19.53mH-0.0043
其中，d、e、f、g为关于水化热调控材料掺量mH的函数，然后进入步骤005；
步骤005.针对单位质量目标水泥基材料横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅随水化时间变化模型进行求导运算，获得目标水泥基材料早龄期水化反应速率模型如下：
v(t)＝a(e+f/t-g/t2)+((d+et+flnt+g/t)c-e-f/t+g/t2)bexp(-ct)
式中，v(t)表示单位质量目标水泥基材料对应早龄期水化时间t的水化反应速率。
基于上述所述掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型，进一步设计了基于该模型的应用，用于针对掺水化热调控材料的目标水泥基材料，实现目标水泥基材料早龄期水化反应速率的预测，包括如下步骤：
步骤A01.针对待检测目标水泥基材料，分别获得其水灰比w/c，以及其中水化热调控材料掺量mH，然后进入步骤A02。
步骤A02.将待检测目标水泥基材料的水灰比ω/c，以及其中水化热调控材料掺量mH，代入到所述目标水泥基材料早龄期水化反应速率模型中，即获得待检测目标水泥基材料对应早龄期预测水化时间的水化反应速率。
将上述所设计掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法及应用，应用于实际当中，试验原材料为PII 52.5型硅酸盐水泥、水化热调控材料HHRM，并按如下表1，浇筑预设份数的目标水泥基材料样品，且各份目标水泥基材料样品彼此具有不同水灰比w/c、不同水化热调控材料掺量mH，将各份目标水泥基材料样品分别搅拌后，分别装入直径为27mm，长200mm的圆柱形玻璃管进行浇筑，且各份目标水泥基材料样品的浇筑高度为2cm～3cm，然后分别针对各目标水泥基材料样品进行标准养护。
Figure GDA0002305732730000061
表1
表1中水化热调控材料掺量为胶凝材料质量的百分比，掺入的方式均为外掺，拌入方式为将水化热调控材料固体粉末直接与水泥混合均匀，然后加水搅拌成浆体。应用中，采用origin软件对数据分析和绘图。
如图1和图2所示，可以看出随着水化时间的增长，曲线变化速率逐渐变缓。
从试验数据与拟合结果的比较可以看出，单位质量水泥基材料T2的第一回波峰振幅值随时间变化的试验值与拟合值吻合较好，相关度较高，说明模型能够很好地表征T2的第一回波峰振幅值随时间变化的趋势，也符合水泥水化发展的规律。且模型参数与水灰比之间关系表达式简便，可以用于表征水灰比对模型的影响。说明该预测模型能够较好的表征掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期T2的第一回波峰振幅值变化发展的规律，进而表征水泥水化速率的变化发展规律。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法，用于针对掺水化热调控材料的目标水泥基材料，实现早龄期水化反应速率模型的构建，其特征在于，包括如下步骤：
步骤001.浇筑预设份数的目标水泥基材料样品，且各份目标水泥基材料样品彼此具有不同水灰比w/c、不同水化热调控材料掺量mH，并分别针对各目标水泥基材料样品进行标准养护，然后进入步骤002；
步骤002.分别针对各份目标水泥基材料样品，获得目标水泥基材料样品分别对应各观测时刻的横向驰豫时间T2的分布，然后进入步骤003；
步骤003.针对各份目标水泥基材料样品的水灰比w/c、水化热调控材料掺量mH，以及其分别对应各观测时刻、横向驰豫时间T2的分布进行分析，提出单位质量目标水泥基材料横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅随水化时间变化模型，如下所示：
T(t)＝γH(a-bexp(-ct))
式中，T(t)表示单位质量目标水泥基材料对应水化时间t时、横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅值；参数a、b、c分别为与目标水泥基材料中矿物组分、细度、水灰比有关表征参数；γH表示水化热调控材料掺量影响系数，t表示目标水泥基材料早龄期水化时间，然后进入步骤004；
步骤004.依据针对各份目标水泥基材料样品的水灰比w/c、水化热调控材料掺量mH，以及其分别对应于各个观测时刻、横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅值的分析，获得参数a、b、c分别与水灰比w/c的关系如下：
a＝-2850(w/c)2+3434.9(w/c)-643.6
b＝-154(w/c)2-1835.1(w/c)+150.6
c＝-0.1(w/c)2-0.247(w/c)+0.1827
影响系数γH与水化热调控材料掺量mH、以及早龄期水化时间t的关系如下：
γH＝d+e×t+f×lnt+g/t
d＝15721.6(mH)2-2358.5mH+0.9929
e＝-56.2(mH)2+8.404mH-0.0005
f＝-408.3(mH)2+61.89mH+0.0077
g＝-128.1(mH)2+19.53mH-0.0043
其中，d、e、f、g为关于水化热调控材料掺量mH的函数，然后进入步骤005；
步骤005.针对单位质量目标水泥基材料横向驰豫时间T2的第一回波峰振幅随水化时间变化模型进行求导运算，获得目标水泥基材料早龄期水化反应速率模型如下：
v(t)＝a(e+f/t-g/t2)+((d+et+flnt+g/t)c-e-f/t+g/t2)bexp(-ct)
式中，v(t)表示单位质量目标水泥基材料对应早龄期水化时间t的水化反应速率。
2.根据权利要求1所述一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法，其特征在于：所述步骤001中，浇筑预设份数的目标水泥基材料样品的过程中，将各种水泥试样分别搅拌后，分别装入直径为27mm，长200mm的圆柱形玻璃管进行浇筑，且各份目标水泥基材料样品的浇筑高度为2cm～3cm。
3.根据权利要求1或2所述一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的构建方法，其特征在于：所述步骤002中，分别针对各份目标水泥基材料样品，按预设观测周期时间进行观测；
其中，在各个观测时刻中，首先通过核磁共振仪获得目标水泥基材料样品的横向磁矢量恢复过程图，接着采用核磁共振仪针对该横向磁矢量恢复过程图进行反演，获得目标水泥基材料样品对应该观测时刻、横向驰豫时间T2的分布；
进而分别获得各份目标水泥基材料样品对应于各观测时刻、横向驰豫时间T2的分布。
4.一种基于权利要求1至3中任意一项所述一种掺水化热调控材料的水泥基材料早龄期水化预测模型的应用，用于针对掺水化热调控材料的目标水泥基材料，实现目标水泥基材料早龄期水化反应速率的预测，包括如下步骤：
步骤A01.针对待检测目标水泥基材料，分别获得其水灰比w/c，以及其中水化热调控材料掺量mH，然后进入步骤A02；
步骤A02.将待检测目标水泥基材料的水灰比ω/c，以及其中水化热调控材料掺量mH，代入到所述目标水泥基材料早龄期水化反应速率模型中，即获得待检测目标水泥基材料对应早龄期预测水化时间的水化反应速率。
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Application publication date: 20190312

Assignee: SHANGHAI WATER ENGINEERING GROUP CO.,LTD.

Assignor: HOHAI University

Contract record no.: X2021320000117

Denomination of invention: Construction method and application of early age hydration prediction model of cement-based materials mixed with hydration heat control materials

Granted publication date: 20200317

License type: Common License

Record date: 20211119