CN109684783B - 一种基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，包括建立混凝土扩展度SF预测模型，按一定配合比配置纯砂浆并测试纯砂浆的屈服应力与塑性粘度，将实测的纯砂浆屈服应力与砂浆膜厚度代入到混凝土扩展度预测模型中预测出混凝土的扩展度；将预测的混凝土扩展度、纯砂浆塑性粘度与设定的自密实混凝土扩展度阈值范围、混凝土抗离析所需纯砂浆最小塑性粘度进行比较；在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内且纯砂浆塑性粘度满足要求，根据粗骨料级配计算单位体积粗骨料用量下砂浆的总用量V_m1；设计精准度高，能在在材料选择过程中较好地完成了对组分的优化和性能控制，减少了因反复试配调整带来时间、人力、材料和能源浪费。

Description

一种基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明涉及建筑工程混凝土技术领域，特别涉及一种基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法。

背景技术

自密实混凝土是指拌合物具有很高的流动性并在混凝土的浇筑过程中不发生离析、泌水，能够在不经过振捣的情况下完全依靠自身重力作用而能充满和包裹钢筋的混凝土。自密实混凝土与普通混凝土相比，新拌阶段具有良好的工作性便于施工。硬化后，自密实混凝土由于其空隙率小，具有较高的强度与抗外部环境侵蚀的能力。目前，从国内外自密实混凝土研究的文献上看，配合比计算方法主要有固定砂石体积含量法、全计算法、改进的全计算法、骨料比表面法等。以上的自密实混凝土配合比设计方法在研究时需要进行混凝土试验，且往往需要多次试配调整，容易导致材料浪费，消耗大量的人力和时间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自密实混凝土配合比设计方，通过砂浆膜厚和纯砂浆流变特性计算出自密实混凝土的各原料配合比，设计精度更高，更准确，能在材料选择过程中较好地完成了对组分的优化和性能控制，总体设计步骤和思路清晰、操作简便合理，避免了现有技术操作中的盲目性、减少了因反复试配调整带来时间、人力、材料和能源浪费，因而具有更好的可操作性和实用性。

本发明的基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

a.建立混凝土扩展度SF预测模型，模型如下：

SF＝(a×T_m-b)×τ_纯砂浆+c，其中a、b、c分别为根据筛出砂浆屈服应力与纯砂浆屈服应力拟合关系、筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度拟合关系整理所得的关系值，T_m为砂浆膜厚度，τ_纯砂浆为纯砂浆屈服应力值；

b.按一定配合比配置纯砂浆并旋转球法测试纯砂浆的屈服应力、塑性粘度，并将实测的纯砂浆屈服应力、拟定的砂浆膜厚度(利用粗骨料比表面积计算所得的包裹在其表面的砂浆膜厚度)代入到混凝土扩展度预测模型中预测混凝土的扩展度；

c.将预测的混凝土扩展度、纯砂浆塑性粘度与设定的自密实混凝土扩展度阈值范围、纯砂浆所需最小塑性粘度进行比较，如果预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内且同时纯砂浆塑性粘度满足要求，则进入下一步，如果预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围外或纯砂浆塑性粘度小于门槛值，则重新调整配合比配置纯砂浆，并返回步骤b中，直至预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内且纯砂浆塑性粘度大于门槛值；

d.利用混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内的纯砂浆的配合比，并根据粗骨料级配计算单位体积粗骨料用量下砂浆的总用量V_m1，其中，砂浆膜厚T_m≥2.1mm；

e.将单位体积粗骨料和砂浆总量换算为自密实混凝土配合比；

进一步，步骤d中，步骤d中，利用粗骨料级配、实测表观密度ρ_sd、实测堆积密度ρ_pd，按公式1计算单位体积粗骨料的堆积空隙V_v1，按公式2计算单位体积粗骨料的表面积A_c1：

公式1，

公式2，

式中：K_i为第i级粒径骨料所占总骨料的质量分数，％；

为第i级粗骨料简化粒径，计算公式为：

其中D_i+1、D_i-1表示相邻筛孔尺寸。

进一步，步骤d中，利用单位体积粗骨料的堆积空隙的比表面积A_c1通过公式3计算包裹单位绝体积粗骨料所需剩余砂浆的体积V_e1，通过公式4计算单位体积粗骨料用量下所需砂浆总体积V_m1：

公式3，V_e1＝T_m·A_c1，

公式4，V_m1＝V_e1+V_v1；

进一步，步骤e中，利用单位体积粗骨料用量下所需砂浆总体积V_m1，通过公式5计算单位体积自密实混凝土中粗集料体积V_g，通过公式6计算计算单位体积自密实混凝土中砂浆体积V_m：

公式5，

本发明的有益效果：本发明的基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，基于悬浮体系水泥混凝土拌和物的特性，研究发现，当粗骨料裹砂浆厚度达到一定厚度后，纯砂浆与筛出砂浆流变特性具有强相关性，筛出砂浆流变特性与自密实混凝土扩展度呈线性相关关系。因此采用纯砂浆的流变特性进行自密实混凝土的配合比设计。基于此，本发明采用两组分法，将自密实混凝土视为砂浆与粗骨料组成的两相混合材料，通过纯砂浆与筛出砂浆流变参数在一定砂浆膜厚度下的强关联性，利用筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度之间的线性相关性，利用纯砂浆流变参数计算出自密实混凝土的各原料配合比，设计精准度更高，更接近于实际，能在在材料选择过程中较好地完成了对组分的优化和性能控制，总体设计步骤和思路清晰、操作简便合理，避免了现有技术操作中的盲目性、减少了因反复试配调整带来时间、人力、材料和能源浪费，因而具有更好的可操作性和实用性。该方法也适用于或用于流态混凝土配合比设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1筛出砂浆屈服应力与纯砂浆屈服应力比值与砂浆膜厚的关系。

图2混凝土扩展度随砂浆膜厚变化的趋势。

图3筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度关系。

具体实施方式

本实施例的基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

a.根据发现的筛出砂浆与纯砂浆(基体砂浆)的屈服剪切应力比与砂浆膜厚度的关系、筛出砂浆屈服剪切应力与混凝土混合料的扩展度关系建立基于砂浆膜厚度、纯砂浆屈服剪切应力的混凝土扩展度SF预测模型，模型如下：

SF＝(a×T_m-b)×τ_纯砂浆+c，其中a、b、c分别为筛出砂浆屈服应力与纯砂浆屈服应力拟合关系、筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度拟合关系整理所得的关系值，其中，a、b、c是基于有限实验数据拟合得到，可根据大量的试验数据进行优化，但并不影响本发明的实质。本实施例中，a、b、c分别为3.329、11.228、726.29 6，T_m为砂浆膜厚度，τ_纯砂浆为纯砂浆屈服应力值；

b.按一定配合比配置纯砂浆并采用旋转球法测试纯砂浆的屈服应力、塑性粘度，并将实测的纯砂浆屈服应力、拟定的砂浆膜厚度(利用粗骨料比表面积计算所得的包裹在其表面的砂浆膜厚度)代入到混凝土扩展度预测模型中预测混凝土的扩展度；按照混凝土强度要求，结合经验进行纯砂浆配合比设计并配制出相应的纯砂浆，然后通过旋转式流变仪测试纯砂浆的屈服应力、塑性粘度，将测试所得的纯砂浆屈服应力代入模型中预测混凝土扩展度，(以粗骨料最大沉降距离为一个砂浆膜厚时，纯砂浆所需最小塑性粘度控制自密实混凝土抗离析性能，即防止新拌混凝土拌合料发生离析的门槛值)利用公式1计算纯砂浆所需最小塑性粘度：

公式1，

式中：η_min为纯砂浆所需最小塑性粘度；β为纯砂浆相对于筛出砂浆塑性粘度下降系数，根据塑性粘度拟合关系取为0.79；D_max为粗骨料最大粒径；ρ_pd为粗骨料表观密度；ρ_m纯砂浆密度；

c.将预测的混凝土扩展度、纯砂浆塑性粘度与设定的自密实混凝土扩展度阈值范围、纯砂浆最小塑性粘度进行比较，如果预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内且纯砂浆塑性粘度满足要求，则进入下一步，如果预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围外或纯砂浆塑性粘度小于门槛值，则重新调整配合比配置纯砂浆，并返回步骤b中，直至预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内；若预测扩展度满足规定的自密实混凝土扩展度要求(即：自密实混凝土扩展度阈值)且纯砂浆塑性粘度大于门槛值，则进行下一步的砂浆总量计算；反之，则重新调整砂浆配合比进行砂浆流变参数测试直至满足要求；

d.利用混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内的纯砂浆的配合比计算砂浆的总用量V_m1，其中，设定砂浆膜厚T_m≥2.1mm；具体为：

利用粗骨料级配通过公式1计算单位体积粗骨料的堆积空隙V_v1，通过公式2计算单位体积粗骨料的表面积A_c1：

公式1，

公式2，

式中：K_i为i第级粒径骨料所占总骨料的质量分数，％；

为第i级粗骨料简化粒径，计算公式为：

其中D_i+1、D_i-1表示相邻筛孔尺寸。

利用单位体积粗骨料的堆积空隙的比表面积A_c1通过公式3计算包裹单位绝体积粗骨料所需砂浆的体积V_e1，通过公式4计算单位体积粗骨料用量下所需砂浆总体积V_m1：

公式3，V_e1＝T_m·A_c1，

公式4，V_m1＝V_e1+V_v1。

e.通过砂浆总用量计算单位体积自密实混凝土中各种原材料配合比；具体为：利用单位体积粗骨料用量下所需砂浆总体积V_m1，通过公式5计算单位体积自密实混凝土中粗集料体积V_g，通过公式6计算计算单位体积自密实混凝土中砂浆体积V_m：

公式5，

再根据纯砂浆配合比，将单位体积粗骨料和砂浆总量换算为自密实混凝土配合比。

本实施例中，砂浆膜厚T_m≥2.1mm时，筛出砂浆屈服应力与纯砂浆屈服应力存在明显相关性，筛出砂浆屈服应力大小接近纯砂浆屈服应力；筛出砂浆塑性粘度总体趋于稳定变化，值均低于纯砂浆塑性粘度。如图1所示：当砂浆膜厚达到2.1后，筛出砂浆与纯砂浆(基体砂浆)的屈服剪切应力存在良好的相关性，当砂浆膜厚达到2.5后，筛出砂浆与纯砂浆屈服应力比值趋近于1。如图2所示，当砂浆膜厚在T_m≥2.1mm时，混凝土扩展度随砂浆膜厚变化的趋势趋于平缓，此时筛出砂浆屈服应力也趋于平缓，因此，当砂浆膜厚在T_m≥2.1mm时，砂浆膜厚增大对混凝土扩展度变化的影响已经很小，此时混凝土扩展度主要受砂浆屈服应力的影响。基于上述混凝土扩展度、筛出砂浆屈服应力与砂浆膜厚的关系，砂浆膜厚固定为T_m≥2.1mm时，砂浆膜厚增加对混凝土扩展度增加的影响极小，混凝土扩展度主要受砂浆屈服应力的影响，并且筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度之间存在较好的线性相关性，如图3所示。因此，利用筛出砂浆流变屈服应力与纯砂浆屈服应力之间的关系、砂浆膜厚与混凝土扩展度之间的关系和筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度之间良好的线性关系，设定砂浆膜厚T_m≥2.1mm时，仅对纯砂浆的屈服应力进行测试，利用纯砂浆屈服应力计算出对应混凝土理论的扩展度，若计算出混凝土扩展度未达到要求则仅需对砂浆配合比进行调整即可。

本实施例中，采用旋转球法进行测试，其他流变测试方法也适用，扩展度预测模型可能会存在少许差异，但是采用的配合比设计原理不变。

本实施例中，对C30、C40、C50三种强度的自密实混凝土进行了配合比设计，按照表1所示出砂浆配合比进行纯砂浆的配制，并对纯砂浆屈服应力、塑性粘度进行了测试。本实施例中，对三种强度的自密实混凝土各选定2.5mm、2.9mm两种砂浆膜厚，进行6组自密实混凝土配合比设计，参照纯砂浆屈服应力与混凝土扩展度的拟合公式，求出理论扩展度，并求出纯砂浆所需最小塑性粘度，如表2所示，计算结果表明该配合比情况下对应的混凝土扩展度均能到550mm以上，满足自密实混凝土扩展度要求且纯砂浆塑性粘度大于门槛值。

按照本文所述步骤计算砂浆膜厚为2.5mm、2.9mm时，所对应的自密实混凝土配合比，6组自密实混凝土的配合比参数如表3所示。按照自密实混凝土配合比配制自密实混凝土，并对自密实混凝土扩展度与56天立方体抗压强度进行测试，结果如表4所示，结果表明规定砂浆膜厚为2.5mm、2.9mm后，按照该方法通过纯砂浆屈服应力预测的自密实混凝土扩展度与实测的自密实混凝土扩展度相近，能够通过固定砂浆膜厚为T_m≥2.1mm后通过纯砂浆的屈服应力测试预测自密实混凝土扩展度。按照该配合比设计的自密实混凝土抗压强度均能满足要求。

表1纯砂浆配合比设计参数

注：A为C30自密实混凝土对应纯砂浆编号；B为C40自密实混凝土对应纯砂浆编号；C为C50自密实混凝土对应纯砂浆编号。

表2纯砂浆流变参数与预测的混凝土工作性

表3自密实混凝土配合比设计参数

表4自密实混凝土扩展度与56d强度

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.建立混凝土扩展度SF预测模型，模型如下：

SF＝(a×T_m-b)×τ_纯砂浆+c，其中a、b、c为根据筛出砂浆屈服应力与纯砂浆的屈服应力拟合关系、筛出砂浆屈服应力与混凝土扩展度拟合关系所得的关系值，T_m为砂浆膜厚度，τ_纯砂浆为纯砂浆屈服应力值；

b.按一定配合比配置纯砂浆并采用旋转球法测试纯砂浆的屈服应力、塑性粘度，将实测的纯砂浆屈服应力、拟定的砂浆膜厚度代入到混凝土扩展度预测模型中预测混凝土的扩展度；

c.将预测的混凝土扩展度、纯砂浆塑性粘度与设定的自密实混凝土扩展度阈值范围、纯砂浆所需最小塑性粘度进行比较，如果预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内且纯砂浆塑性粘度满足要求，则进入下一步，如果预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围外，则重新调整配合比配置纯砂浆，并返回步骤b中，直至预测的混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内；

d.利用混凝土扩展度在设定的自密实混凝土扩展度阈值范围内的纯砂浆的配合比，并根据粗骨料级配计算单位体积粗骨料用量下砂浆的总用量V_m1，其中，砂浆膜厚T_m≥2.1mm；

e.将单位体积粗骨料和砂浆总量换算为自密实混凝土配合比。

2.根据权利要求1所述的基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：步骤d中，利用粗骨料级配、实测表观密度ρ_sd、实测堆积密度ρ_pd，按公式1计算单位体积粗骨料的堆积空隙V_v1，按公式2计算单位体积粗骨料的表面积A_c1：

公式1，

公式2，

式中：K_i为第i级粒径骨料所占总骨料的质量分数；

为第i级粗骨料简化粒径，计算公式为：

其中D_i+1、D_i-1表示相邻筛孔尺寸。

3.根据权利要求2所述的基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：步骤d中，利用单位体积粗骨料的堆积空隙V_v1、表面积A_c1通过公式3计算包裹单位绝体积粗骨料所需砂浆的体积V_e1，通过公式4计算单位体积粗骨料用量下所需砂浆总体积V_m1：

公式3，V_e1＝T_m·A_c1；

公式4，V_m1＝V_e1+V_v1。

4.根据权利要求3所述的基于砂浆流变特性的自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：步骤e中，利用单位体积粗骨料用量下所需砂浆总体积V_m1，通过公式5计算单位体积自密实混凝土中粗集料体积V_g，通过公式6计算单位体积自密实混凝土中砂浆体积V_m：

公式5，

公式6，

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