CN111377671B - 一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法 - Google Patents

一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于所需混凝土目标塑形每粘度和抗压强度的钢渣自密实混凝土配合比的设计方法。其特点在于使用钢渣作为粗骨料，节省材料成本，提供设计图作为配合比设计指南而增加了其简单性和实用性。其中混合物的目标塑性粘度在3‑15Pa s之间，28天龄期的特征立方体强度在30‑80MPa之间。本发明的新型钢渣自密实混凝土配合比设计方法，确定目标塑性粘度后计算含水量与胶凝材料比率，而后根据设计图曲线求出胶凝材料含量、含水量、固相成分，计算出实际混凝土塑性粘度，与目标塑性粘度比较，以满足目标塑性粘度要求。保证混凝土的性能稳定，通过此方法达到合理的钢渣自密实混凝土配合比。

Description

一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法
技术领域
本发明涉及钢渣自密实混凝土配合比设计方法，属于土木工程材料领域。
背景技术
自密实混凝土(简称SCC)是指依靠自身重力，能够流动、密实，在钢筋密集的情况下也能完全填充模板，同时具有良好匀质性，并且不需要附加振动的混凝土。因其优越的施工性能和良好的耐久性而在建筑工程领域受到越来越多的应用。伴随我国基础建设事业的不断发展，我国对于自密实混凝土的应用也越来越广泛。但是如果自密实混凝土的流动性过大会影响混凝土的强度，过小则会导致无法达到较好填充效果，因此如何选择最合适的配合比成为了比较重要的问题。然而，对自密实混凝土(SCC)流变性能的广泛研究工作极大地改善了自密实混凝土混合料的配比。在此条件下一些学者研究出了较为严格的SCC混合料的配比方法，并且基于合理的物理原理，但它产生了一系列令人困惑的混合料，这些混合料达到了目标塑性粘度，但没有给出任何关于如何选择最合适的混合料的实用指南，因此设计配合比的过程较为复杂，并且工作量极大。此外，该方法是在已知立方体抗压强度范围的参考混合物的基础上发展起来的，但后者并没有明确地作为设计标准，因此其可靠程度依然存在问题。
另外，我国每年钢渣的排放量达到上亿吨，大量的钢渣弃置堆积，既污染环境又占用了大量的土地。经研究，钢渣的成分可以作为混凝土的掺合料使用。因此本发明设计了一种将钢渣用作自密实混凝土的骨料，并研究出一种基于目标塑性粘度和抗压强度的钢渣自密实混凝土配合比的设计方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法，有效减少配合比设计所需实验次数，降低自密实混凝土的配合比的设计难度和复杂程度，适用范围广，可行性好。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
S01：选择目标塑性粘度ηmix及抗压强度fcu；
S02：选择自密实混凝土所用材料；
S03：根据公式
Figure GDA0003122419040000021
计算产生目标立方体特性强度的水与胶凝材料的比率w/cm；式中，fcu是28天的等效立方体抗压强度(MPa)，w/cm是水与胶凝材料(即水泥+水泥替代材料)的比率，此处，胶凝材料组成成分为25％磨细高炉矿渣与75％水泥；
S04：由设计图计算胶凝材料含量及含水量，其中根据设计图可知
Figure GDA0003122419040000022
比值，由于η已知，可以求出cm，根据w/cm求出水的含量；
S05：假设试验用超增塑剂(SP)用量为胶凝材料质量的0.4-0.8％；
S06：根据w/cm和SP/cm比通过查表估算膏体(即水泥、ggbs与水搅拌后的混合物)的塑性粘度；
S07：根据设计图计算固相成分LP、FA和CA，已知目标塑性粘度，由设计图自下第二条曲线查出
Figure GDA0003122419040000023
比值，由于cm、η已知，从而求出LP含量，同理求出FA、CA；
S08：计算混合物的总体积
Figure GDA0003122419040000024
若总体积不足1m3，需调整配料，将总体积缩放至1m3；
S09：使用方程式
Figure GDA0003122419040000025
计算混合物的塑性粘度，并将其与所需的粘度进行比较，计算粘度差异A；
Figure GDA0003122419040000026
Figure GDA0003122419040000027
式中ηmix为混合物的塑性粘度；ηpaste为膏体的塑性粘度；φLP为填料的体积分数；φFA为细骨料的体积分数；φCA为粗骨料的体积分数；Φm为最大体积分数；
S10：若检验差异在±5％以内，配方设计完成；若检验差异在5％-15％，则
Figure GDA0003122419040000028
替换为现有
Figure GDA0003122419040000029
重复S04-S10步骤；若检验差异在15％及以上，则
Figure GDA00031224190400000210
替换为现有
Figure GDA00031224190400000211
重复S04-S10步骤；若检验差异在-15％-5％，则
Figure GDA00031224190400000212
替换为现有
Figure GDA00031224190400000213
重复S04-S10步骤；若检验差异在-15％及以下，则
Figure GDA00031224190400000214
替换为现有
Figure GDA00031224190400000215
重复S04-S10步骤。
作为优选，体积
Figure GDA00031224190400000216
0.02为参与气泡体积，混凝土中存在约2％的滞留气泡。计算混合物总体积公式：
Figure GDA00031224190400000217
Figure GDA00031224190400000218
各组分比例为组分实际含量与其密度的比值；对于混凝土的粘度计算，在加入胶凝材料、填料、细骨料与粗骨料的过程中混凝土粘度也发生了改变，当第一个固相加入到胶凝材料中时，填料是松散的，因此适合采用立方填料。然而，当胶凝材料中加入最后一个固相时，填料非常致密，宜采用六边形密填料，对于不同的颗粒形状其Φm也不同，六角密排的Φm值为0.74，随机六角密排的Φm值为0.63，立方密排的Φm值为0.524，在添加固相时其最大体积分数Φm也在不断增加，因此在S09中
Figure GDA0003122419040000031
Figure GDA0003122419040000032
有益效果：本发明的钢渣自密实混凝土配合比设计方法，将钢渣作为自密实混凝土骨料，并基于其目标塑性粘度和抗压强度的钢渣自密实混凝土配合比的设计方法。通过提供设计图作为配合比的设计指南，能够满足一般范围内的自密实混凝土强度和塑性粘度要求，有效降低了自密实混凝土配合比的设计难度，实用性较强。
附图说明
图1为抗压强度30MPa的混凝土塑性粘度及成分组成关系设计图。
图2为抗压强度40MPa的混凝土塑性粘度及成分组成关系设计图。
图3为抗压强度50MPa的混凝土塑性粘度及成分组成关系设计图。
图4为抗压强度60MPa的混凝土塑性粘度及成分组成关系设计图。
图5为抗压强度70MPa的混凝土塑性粘度及成分组成关系设计图。
图6为抗压强度80MPa的混凝土塑性粘度及成分组成关系设计图。
图7为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图7所示，一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
S01：选择目标塑性粘度ηmix及抗压强度fcu；
S02：选择自密实混凝土所用材料；
S03：根据公式
Figure GDA0003122419040000033
计算产生目标立方体特性强度的水与胶凝材料的比率w/cm；式中，fcu是28天的等效立方体抗压强度(MPa)，w/cm是水与胶凝材料(即水泥+水泥替代材料)的比率，其中，胶凝材料组成成分为25％磨细高炉矿渣与75％水泥；
S04：由设计图计算胶凝材料含量及含水量，其中根据设计图可知
Figure GDA0003122419040000041
比值，由于η已知，可以求出cm，根据w/cm求出水的含量；
S05：假设试验用超增塑剂(SP)用量为胶凝材料质量的0.4-0.8％；
S06：根据w/cm和SP/cm比通过查表估算膏体(即水泥、ggbs与水搅拌后的混合物)的塑性粘度；
S07：根据设计图计算固相成分LP、FA和CA，已知目标塑性粘度，由设计图自下第二条曲线查出
Figure GDA0003122419040000042
比值，由于cm、η已知，从而求出LP含量，同理求出FA、CA；
S08：计算混合物的总体积
Figure GDA0003122419040000043
若总体积不足1m3，需调整配料，将总体积缩放至1m3；
S09：使用方程式
Figure GDA0003122419040000044
计算混合物的塑性粘度，并将其与所需的粘度进行比较，计算粘度差异A；
Figure GDA0003122419040000045
Figure GDA0003122419040000046
式中ηmix为混合物的塑性粘度；ηpaste为膏体的塑性粘度；φLP为填料的体积分数；φFA为细骨料的体积分数；φCA为粗骨料的体积分数；Φm为最大体积分数；
S10：若检验差异在±5％以内，配方设计完成；若检验差异在5％-15％，则
Figure GDA0003122419040000047
替换为现有
Figure GDA0003122419040000048
重复S04-S10步骤；若检验差异在15％及以上，则
Figure GDA0003122419040000049
替换为现有
Figure GDA00031224190400000410
重复S04-S10步骤；若检验差异在-15％-5％，则
Figure GDA00031224190400000411
替换为现有
Figure GDA00031224190400000412
重复S04-S10步骤；若检验差异在-15％及以下，则
Figure GDA00031224190400000413
替换为现有
Figure GDA00031224190400000414
重复S04-S10步骤。
实施例1：
一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
S01：选择目标塑性粘度ηmix＝11Pa s及抗压强度fcu＝80MPa；
S02：选择水泥、外加剂、矿物掺合料、填料、细骨料和粗骨料；此处水泥、磨细高炉矿渣(ggbs)、超增塑剂、填料、细骨料、粗骨料密度分别为2950、2400、1070、2400、2650、2800；
S03：根据公式
Figure GDA0003122419040000051
计算产生目标立方体特性强度的水与胶凝材料的比率w/cm；由fcu＝80MPa，w/cm＝0.35；式中，fcu是28天的等效立方体抗压强度(MPa)，w/cm是水与胶凝材料(即水泥+水泥替代材料)的比率。其中，胶凝材料组成成分为25％磨细高炉矿渣(ggbs)与75％水泥；
S04：由设计图计算胶凝材料含量及含水量；由
Figure GDA0003122419040000052
cm＝45×11＝495kg/m3，c＝0.75×495＝371.25kg/m3，ggbs＝0.25×495＝123.75kg/m3，由w/cm＝0.35，w＝0.35×495＝173.25kg/m3；
S05：假设试验用超增塑剂(SP)用量为胶凝材料质量的0.4-0.8％；此处超增塑剂用量为胶凝材料质量的0.6％，SP＝0.6％×495＝3kg/m3；
S06：根据w/cm和SP/cm比估计膏体的塑性粘度(见表1)；此处膏体的塑性粘度为0.37；
表1
w/cm η<sub>paste</sub>(Pas) η<sub>paste+airviods</sub>(Pas)
0.63 0.104 0.11
0.57 0.176 0.18
0.53 0.224 0.23
0.47 0.286 0.29
0.40 0.330 0.34
0.35 0.365 0.37
S07：根据设计图计算固相成分(LP、FA和CA)；根据设计图，
Figure GDA0003122419040000053
LP＝121kg/m3,
Figure GDA0003122419040000054
FA＝737kg/m3,
Figure GDA0003122419040000055
CA＝836kg/m3；
S08：计算混合物的总体积，若总体积不足1m3，需调整配料，将总体积缩放至1m3；
Figure GDA0003122419040000056
Figure GDA0003122419040000057
调整配料体积c＝371.04kg/m3；ggbs＝123.68kg/m3；w＝173.15kg/m3；SP＝3kg/m3；LP＝120.93kg/m3；FA＝736.59kg/m3；CA＝835.53kg/m3；
S09：使用方程式
Figure GDA0003122419040000061
计算混合物的塑性粘度，并将其与所需的粘度进行比较，检验差异是否在±5％以内：粘度差异
Figure GDA0003122419040000062
Figure GDA0003122419040000063
Figure GDA0003122419040000064
式中ηmix为混合物的塑性粘度；
ηpaste为膏体的塑性粘度；
φLP为填料的体积分数；
φFA为细骨料的体积分数；
φCA为粗骨料的体积分数；
Φm为最大体积分数。
S10：粘度差异在±5％范围内，本实验中粘度差异合格。
S11:根据各组分具体含量可以得到组分体积实际比例为：水泥:磨细高炉矿渣:塑剂
Figure GDA0003122419040000067
:超增填料:细骨料:粗骨料＝1：0.721：1.379：0.022：0.410：2.106：2.140
实施例2：
一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
S01：选择目标塑性粘度ηmix＝10Pa s及抗压强度fcu＝60MPa；
S02：选择水泥、外加剂、矿物掺合料、填料、细骨料和粗骨料；此处水泥、磨细高炉矿渣(ggbs)、超增塑剂、填料、细骨料、粗骨料密度分别为2950、2400、1070、2400、2650、2800；
S03：根据公式
Figure GDA0003122419040000065
计算产生目标立方体特性强度的水与胶凝材料的比率w/cm；由fcu＝60MPa，w/cm＝0.47；式中，fcu是28天的等效立方体抗压强度(MPa)，w/cm是水与胶凝材料(即水泥+水泥替代材料)的比率。其中，胶凝材料组成成分为25％磨细高炉矿渣(ggbs)与75％水泥；
S04：由设计图计算胶凝材料含量及含水量；由
Figure GDA0003122419040000066
cm＝40×10＝400kg/m3，c＝0.75×400＝300kg/m3，ggbs＝0.25×400＝100kg/m3，由w/cm＝0.47，w＝0.47×400＝188kg/m3；
S05：假设试验用超增塑剂(SP)用量为胶凝材料质量的0.4-0.8％；此处超增塑剂用量为胶凝材料质量的0.6％，SP＝0.6％×400＝2.4kg/m3；
S06：根据w/cm和SP/cm比估计膏体的塑性粘度(见表1)；此处膏体的塑性粘度为0.29；
S07：根据设计图计算固相成分(LP、FA和CA)；根据设计图，
Figure GDA0003122419040000071
LP＝120kg/m3,
Figure GDA0003122419040000072
FA＝750kg/m3,
Figure GDA0003122419040000073
CA＝930kg/m3；
S08：计算混合物的总体积，若总体积不足1m3，需调整配料，将总体积缩放至1m3
Figure GDA0003122419040000074
Figure GDA0003122419040000075
调整配料体积c＝294.47kg/m3；ggbs＝98.158kg/m3；w＝184.54kg/m3；SP＝2.36kg/m3；LP＝117.79kg/m3；FA＝736.19kg/m3；CA＝912.87kg/m3；
S09：使用方程式
Figure GDA0003122419040000076
计算混合物的塑性粘度，粘度差异
Figure GDA0003122419040000077
Figure GDA0003122419040000078
Figure GDA0003122419040000079
式中ηmix为混合物的塑性粘度；
ηpaste为膏体的塑性粘度；
φLP为填料的体积分数；
φFA为细骨料的体积分数；
φCA为粗骨料的体积分数；
Φm为最大体积分数。
S10：检验差异为12.7％，位于5％-15％之间，
Figure GDA00031224190400000710
取值为41；
S11：由设计图计算胶凝材料含量及含水量；选择
Figure GDA00031224190400000711
cm＝41×10＝40kg/m3，c＝0.75×410＝307.5kg/m3，ggbs＝0.25×410＝102.5kg/m3，由w/cm＝0.47，w＝0.47×410＝192.7kg/m3；
S12：假设试验用超增塑剂(SP)用量为胶凝材料质量的0.4-0.8％；此处超增塑剂用量为胶凝材料质量的0.6％，SP＝0.6％×410＝2.5kg/m3；
S13：根据w/cm和SP/cm比估计膏体的塑性粘度(见表1)；此处膏体的塑性粘度为0.29；
S14：根据设计图计算固相成分(LP、FA和CA)；根据设计图，
Figure GDA0003122419040000081
Figure GDA0003122419040000082
LP＝110kg/m3,
Figure GDA0003122419040000083
FA＝750kg/m3,
Figure GDA0003122419040000084
CA＝930kg/m3；
S15：计算混合物的总体积，若总体积不足1m3，需调整配料，将总体积缩放至1m3；
Figure GDA0003122419040000085
Figure GDA0003122419040000086
需要调整体积至1m3，因此成分含量：c＝307.5÷1.023＝300.6kg/m3，ggbs＝102.5÷1.023＝100.2kg/m3，w＝192.7÷1.023＝188.4kg/m3，SP＝2.5÷1.023＝2.4kg/m3，LP＝110÷1.023＝107.5kg/m3，FA＝750÷1.023＝733.1kg/m3，CA＝930÷1.023＝909.1kg/m3，
Figure GDA0003122419040000087
Figure GDA0003122419040000088
S16：使用方程式
Figure GDA0003122419040000089
计算混合物的塑性粘度，粘度差异
Figure GDA00031224190400000810
Figure GDA00031224190400000811
Figure GDA00031224190400000812
式中ηmix为混合物的塑性粘度；
ηpaste为膏体的塑性粘度；
φLP为填料的体积分数；
φFA为细骨料的体积分数；
φCA为粗骨料的体积分数；
Φm为最大体积分数。
S17：粘度在±5％范围内，本实验中粘度差异合格。
S18:根据各组分具体含量可以得到组分实际比例为：水泥:磨细高炉矿渣:水:超增塑剂:填料:细骨料:粗骨料＝1：0.409：1.847：0.022：0.439：2.712：3.183
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种钢渣自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01：选择目标塑性粘度ηmix及抗压强度fcu；
S02：选择自密实混凝土所用材料；
S03：根据公式
Figure FDA0002828012150000011
计算产生目标立方体特性强度的水与胶凝材料的比率w/cm，其中w为水的含量，cm为胶凝材料含量；式中，fcu是28天的等效立方体抗压强度(MPa)，w/cm是水与胶凝材料的比率，其中，胶凝材料组成成分为25％磨细高炉矿渣与75％水泥；
S04：由设计图计算胶凝材料含量及含水量，其中根据设计图可知
Figure FDA0002828012150000012
比值，由于η已知，可以求出胶凝材料含量cm，根据w/cm求出水的含量；
S05：假设试验用超增塑剂用量为胶凝材料质量的0.4-0.8％；
S06：根据w/cm和SP/cm比通过查表估算膏体的塑性粘度；
S07：根据设计图计算固相成分，包括填料含量LP、细骨料含量FA和粗骨料含量CA，已知目标塑性粘度，由设计图自下第二条曲线查出
Figure FDA0002828012150000013
比值，由于cm、η已知，从而求出LP，同理求出FA、CA；
S08：计算混合物的总体积
Figure FDA0002828012150000014
其中c为水泥含量，ρc为所选水泥密度，ggbs为磨细高炉矿渣含量，ρggbs为磨细高炉矿渣密度，w为水的含量，ρw为水的密度，SP为超增塑剂含量，ρSP为超增塑剂密度，LP为填料含量，ρLP为填料密度，FA为细骨料含量，ρFA为细骨料密度，CA为粗骨料含量，ρCA为粗骨料密度，若总体积不足1m3，需调整配料，将总体积缩放至1m3；
S09：使用方程式
Figure FDA0002828012150000015
计算混合物的塑性粘度，并将其与所需的粘度进行比较，计算粘度差异A；
Figure FDA0002828012150000016
Figure FDA0002828012150000017
式中ηmix为混合物的塑性粘度；ηpaste为膏体的塑性粘度；φLP为填料的体积分数；φFA为细骨料的体积分数；φCA为粗骨料的体积分数；Φm为组分最大体积分数；
S10：若检验差异在±5％以内，配方设计完成；若检验差异在5％-15％，则
Figure FDA0002828012150000018
替换为现有
Figure FDA0002828012150000019
重复S04-S10步骤；若检验差异在15％及以上，则
Figure FDA00028280121500000110
替换为现有
Figure FDA00028280121500000111
重复S04-S10步骤；若检验差异在-15％-5％，则
Figure FDA00028280121500000112
替换为现有
Figure FDA00028280121500000113
重复S04-S10步骤；若检验差异在-15％及以下，则
Figure FDA0002828012150000021
替换为现有
Figure FDA0002828012150000022
重复S04-S10步骤。
2.根据权利要求1所述的钢渣自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：其中S08中
Figure FDA0002828012150000023
S09中
Figure FDA0002828012150000024
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