CN110414178A - 一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计通过粗骨料空隙确定细骨料体积分数，再根据粗、细骨料组成的嵌锁骨架的空隙率确定水泥用量，最后结合水灰比确定用水量。基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法考虑颗粒间的相互作用，引入松动效应、附壁效应的影响修正混凝土各材料在堆积体系中的空隙率。按照配合比经过常规成型流程制备的混凝土骨料体积分数较高，且性能优于普通混凝土。采用该配合比可以提高骨料之间的嵌锁、降低混凝土收缩、改善混凝土界面过渡区性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，涉及一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法。
背景技术
骨料作为混凝土多项混合体系的重要构成部分之一，其强度、体积稳定性等通常是所有组分中最好的。较高的骨料含量，可以提高混凝土的抗压强度和抗劈拉强度等力学性能，降低混凝土的收缩和徐变。常规混凝土模型存在富余浆量，浆体在填充砂—石堆积体系后，富余的浆体使骨料悬浮其中，阻止骨料之间相互嵌锁、搭接，进而不能很好的发挥骨料的骨架作用；另外，富余的浆体在水化过程中体积收缩，水泥浆体和骨料之间的差异运动产生拉应力作用，生成大量收缩裂缝，容易导致混凝土破坏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，提高了混凝土中骨料体积含量，使骨料之间相互嵌锁、搭接。
本发明提供一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据混凝土中粗骨料堆积空隙率确定粗骨料体积分数；
步骤2：根据粗骨料堆积空隙率、细骨料堆积空隙率确定骨架结构体积分数；
步骤3：根据混凝土中粗骨料、细骨料及水泥空隙率确定三者总体积分数，并考虑邻级材料颗粒之间的相互影响对混凝土堆积体系中粗骨料、细骨料及水泥的空隙率进行修正；
步骤4：建立修正后的堆积体系体积分数表达式，求解修正后混凝土堆积体系中粗骨料、细骨料、水泥的空隙率；
步骤5：计算设计中粗骨料、细骨料、水泥的初始质量，并根据水泥的初始质量结合水灰比确定混凝土中初始用水量；
步骤6：将粗骨料、细骨料、水泥、水的体积分数总和缩放到1，根据各材料同步缩放后的体积分数确定单方质量，进而确定基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比。
在本发明的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法中，所述步骤1中根据下式计算粗骨料体积分数：
其中，y1为混凝土中粗骨料体积分数，为粗骨料堆积空隙率。
在本发明的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法中，所述步骤2中根据下式计算骨架结构体积分数：
其中，y2为混凝土中粗骨料体积分数，为细骨料堆积空隙率。
在本发明的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法中，所述步骤3中根据下式计算混凝土中粗骨料空隙率、细骨料空隙率及水泥空隙率确定总体积分数：
修正后的总体积分数为：
其中，γ21＝1-f1(x1)，γ12＝1-f2(x1)，γ32＝1-f1(x2)，γ23＝1-f2(x2)，
式中，为水泥空隙率，γ21为细骨料对粗骨料空间占位上的影响，γ12为粗骨料对细骨料空间占位上的影响，γ32为水泥对细骨料空间占位上的影响，γ23为细骨料对水泥空间占位上的影响；分别为粗骨料、细骨料、水泥的特征粒径，具体表示为其不同粒径筛余百分数wj与对应的筛孔径dij的乘积，x1为粗骨料特征粒径与细骨料特征粒径比值，x2为细骨料特征粒径与水泥特征粒径比值，f1(x1)、f2(x1)为堆积试验确定的粒径比值为x1时粗骨料、细骨料的剩余堆积体积分数，f1(x2)、f2(x2)为堆积试验确定的粒径比值为x2时细骨料和水泥的剩余堆积体积分数。
在本发明的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法中，所述步骤4中建立修正后的堆积体系体积分数表达式为：
联立粗骨料体积分数得到：
联立细骨料体积分数得到：
联立水泥体积分数得到：
解得：
其中为修正后材料粗骨料、细骨料及水泥空隙率。
在本发明的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法中，所述步骤5中根据下列公式计算粗骨料、细骨料、水泥和水的初始质量：
其中，m1'粗骨料初始质量，m2'为细骨料初始质量，m3'为水泥初始质量，mw'为水初始质量，ρ01为粗骨料表观密度，ρ02为细骨料表观密度，ρ03为水泥表观密度，w/c为设计的水灰比。
在本发明的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法中，所述步骤6中根据下列公式计算各材料同步缩放后的体积分数确定单方质量：
其中，η为缩放系数。
本发明的一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法至少具有以下有益效果：
(1)较大的骨料体积使混凝土中骨料相互嵌锁、搭接的概率增大。使混凝土在受力过程中，除水泥水化产物产生的胶结作用承担外力、传递荷载，骨料之间的机械咬合作用也承担了一部分荷载，使混凝土强度有所提高。
(2)常规混凝土中骨料体积占比相对所建模型较小，水泥浆体占比较大，导致混凝土收缩裂缝增多。相比常规混凝土，本模型混凝土用灰量减少，水泥用量减少，一方面使混凝土体积稳定性增强，降低了混凝土水泥水化热、自收缩，使骨料和水化产物的相对运动缩小，使界面过渡区得到改善；另一方面也减小了用水量，使混凝土因为孔隙失水导致的干缩下降，进一步提高了混凝土体积稳定性，使混凝土性能得到改善，同时还降低了混凝土造价。
附图说明
图1为本发明的一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法；
图2为常规混凝土切割断面示意图；
图3为骨料嵌锁混凝土切割断面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图所限。
如图1所示，本发明的一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据混凝土中粗骨料堆积空隙率确定粗骨料体积分数；
具体根据下式计算粗骨料体积分数：
其中，y1为混凝土中粗骨料体积分数，为粗骨料堆积空隙率。
步骤2：根据粗骨料堆积空隙率、细骨料堆积空隙率确定骨架结构体积分数；
具体根据下式计算骨架结构体积分数：
其中，y2为混凝土中粗骨料体积分数，为细骨料堆积空隙率。
步骤3：根据混凝土中粗骨料、细骨料及水泥空隙率确定三者总体积分数，并考虑邻级材料颗粒之间的相互影响对混凝土堆积体系中粗骨料、细骨料及水泥的空隙率进行修正；
具体根据下式计算混凝土中粗骨料空隙率、细骨料空隙率及水泥空隙率确定总体积分数：
修正后的总体积分数为：
其中，γ21＝1-f1(x1)，γ12＝1-f2(x1)，γ32＝1-f1(x2)，γ23＝1-f2(x2)，
式中，为水泥空隙率，γ21为细骨料对粗骨料空间占位上的影响，γ12为粗骨料对细骨料空间占位上的影响，γ32为水泥对细骨料空间占位上的影响，γ23为细骨料对水泥空间占位上的影响；分别为粗骨料、细骨料、水泥的特征粒径，具体表示为其不同粒径筛余百分数wj与对应的筛孔径dij乘积后在求和。x1为粗骨料特征粒径与细骨料特征粒径比值，x2为细骨料特征粒径与水泥特征粒径比值。
f1(x1)、f2(x1)为堆积试验确定的粒径比值为x1时粗骨料、细骨料的剩余堆积体积分数，f1(x2)、f2(x2)为堆积试验确定的粒径比值为x2时细骨料和水泥的剩余堆积体积分数。其中，f1(x)＝axb；f2(x)＝cxd，a、b、c、d为拟合参数，材料不同取值不同。
步骤4：建立修正后的堆积体系体积分数表达式，求解修正后混凝土堆积体系中粗骨料、细骨料、水泥的空隙率；
建立修正后的堆积体系体积分数表达式为：
联立粗骨料体积分数得到：
联立细骨料体积分数得到：
联立水泥体积分数得到：
解得：
其中为修正后材料粗骨料、细骨料及水泥空隙率。
步骤5：计算设计中粗骨料、细骨料、水泥的初始质量，并根据水泥的初始质量结合水灰比确定混凝土中初始用水量；
具体根据下列公式计算粗骨料、细骨料、水泥和水的初始质量：
其中，m1'粗骨料初始质量，m2'为细骨料初始质量，m3'为水泥初始质量，mw'为水初始质量，ρ01为粗骨料表观密度，ρ02为细骨料表观密度，ρ03为水泥表观密度，w/c为设计的水灰比。
步骤6：将粗骨料、细骨料、水泥、水的体积分数总和缩放到1，根据各材料同步缩放后的体积分数确定单方质量，进而确定基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比；
具体根据下列公式计算各材料同步缩放后的体积分数确定单方质量：
其中，η为缩放系数。
实施例：
依据本发明方法对混凝土配合比进行设计，粗骨料、细骨料、水泥的空隙率分别为46.2％、43.5％、52.5％，表观密度分别为2728kg/m3、2607kg/m3、3158kg/m3，特征粒径分别为15.862mm、0.991mm、20.8μm，分别在不同粒径比值下进行堆积试验拟合得到f1(x)＝0.21204x-0.32697，f2(x)＝0.08936x-0.71465，进而得到粗骨料和细骨料之间的相互作用引起的剩余堆积分数分别为f1(x1)＝0.0856、f2(x1)＝0.0123，细骨料和水泥之间的相互作用引起的剩余堆积分数分别为f1(x2)＝0.06、f2(x2)＝0.00565。
修正后各材料空隙率为：
水灰比为0.52时基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计中粗骨料、细骨料、水泥、水的初始质量如下所示：
缩放系数η＝1.046，收缩后的混凝土配合比中粗骨料、细骨料、水泥和水的质量为：m1＝1282.9kg，m2＝603.9kg，m3＝356.1kg，mw＝185.2kg。
图2为常规混凝土切割断面示意图；图3为骨料嵌锁混凝土切割断面示意图。通过本发明方法的配比制成的骨料嵌锁混凝土的用灰量减少，水泥用量减少，一方面使混凝土体积稳定性增强，降低了混凝土水泥水化热、自收缩，使骨料和水化产物的相对运动缩小，使界面过渡区得到改善；另一方面也减小了用水量，使混凝土因为孔隙失水导致的干缩下降，进一步提高了混凝土体积稳定性，使混凝土性能得到改善，同时还降低了混凝土造价。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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 (7)
1.一种基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据混凝土中粗骨料堆积空隙率确定粗骨料体积分数；
步骤2：根据粗骨料堆积空隙率、细骨料堆积空隙率确定骨架结构体积分数；
步骤3：根据混凝土中粗骨料、细骨料及水泥空隙率确定三者总体积分数，并考虑邻级材料颗粒之间的相互影响对混凝土堆积体系中粗骨料、细骨料及水泥的空隙率进行修正；
步骤4：建立修正后的堆积体系体积分数表达式，求解修正后混凝土堆积体系中粗骨料、细骨料、水泥的空隙率；
步骤5：计算设计中粗骨料、细骨料、水泥的初始质量，并根据水泥的初始质量结合水灰比确定混凝土中初始用水量；
步骤6：将粗骨料、细骨料、水泥、水的体积分数总和缩放到1，根据各材料同步缩放后的体积分数确定单方质量，进而确定基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比。
2.如权利要求1所述的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤1中根据下式计算粗骨料体积分数：
其中，y1为混凝土中粗骨料体积分数，为粗骨料堆积空隙率。
3.如权利要求1所述的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤2中根据下式计算骨架结构体积分数：
其中，y2为混凝土中粗骨料体积分数，为细骨料堆积空隙率。
4.如权利要求1所述的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤3中根据下式计算混凝土中粗骨料空隙率、细骨料空隙率及水泥空隙率确定总体积分数：
修正后的总体积分数为：
其中，γ21＝1-f1(x1)，γ12＝1-f2(x1)，γ32＝1-f1(x2)，γ23＝1-f2(x2)，
式中，为水泥空隙率，γ21为细骨料对粗骨料空间占位上的影响，γ12为粗骨料对细骨料空间占位上的影响，γ32为水泥对细骨料空间占位上的影响，γ23为细骨料对水泥空间占位上的影响；分别为粗骨料、细骨料、水泥的特征粒径，具体表示为其不同粒径筛余百分数wj与对应的筛孔径dij的乘积，x1为粗骨料特征粒径与细骨料特征粒径比值，x2为细骨料特征粒径与水泥特征粒径比值，f1(x1)、f2(x1)为堆积试验确定的粒径比值为x1时粗骨料、细骨料的剩余堆积体积分数，f1(x2)、f2(x2)为堆积试验确定的粒径比值为x2时细骨料和水泥的剩余堆积体积分数。
5.如权利要求4所述的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤4中建立修正后的堆积体系体积分数表达式为：
联立粗骨料体积分数得到：
联立细骨料体积分数得到：
联立水泥体积分数得到：
解得：
其中为修正后材料粗骨料、细骨料及水泥空隙率。
6.如权利要求5所述的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤5中根据下列公式计算粗骨料、细骨料、水泥和水的初始质量：
其中，m1'粗骨料初始质量，m2'为细骨料初始质量，m3'为水泥初始质量，mw'为水初始质量，ρ01为粗骨料表观密度，ρ02为细骨料表观密度，ρ03为水泥表观密度，w/c为设计的水灰比。
7.如权利要求6所述的基于空隙的骨料嵌锁混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤6中根据下列公式计算各材料同步缩放后的体积分数确定单方质量：
其中，η为缩放系数。
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