CN111798931A - 一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法 - Google Patents
一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：1）根据机制砂石骨料预应力混凝土的特点，确定以低徐变为其主要设计目标；2）基于混凝土徐变与弹性模量的关系模型，建立了混凝土徐变与骨料、界面及浆体的关系；3）明确了低徐变机制砂石骨料预应力混凝土用原材料的选材原则和优化技术。本发明创新了基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，所配制的机制砂石骨料预应力混凝土具有极低徐变和不同组分形变匹配性好的特点，可以更好的服役于高速铁路等重大工程，大幅度降低预应力混凝土结构的上拱变形能力。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其是涉及一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法。
背景技术
随着我国建筑领域工程发展战略的稳步推进，铁路、公路等重大工程发展迅速，而受河砂资源限采政策以及季节性影响，满足要求的混凝土用河砂原材料资源严重短缺，以云、贵、川地区为主的山区工程尤为显著。这不仅造成原材料质量不稳定和价格上涨，还影响工程建设工期，严重时导致工程耐久性不足和质量下降，影响工程的服役性能和使用寿命。应用机制砂石骨料是解决混凝土用砂困难的主要措施，也是绿色建材发展的重要方向。《高速铁路预制后张法预应力混凝土简支梁》（TB/T 3423-2016）、《高速铁路 CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板》（Q/CR 567-2017）、《混凝土枕》（TB/T 2190-2013）等现行铁路工程预应力结构的标准提出，梁体、轨道板、轨枕等预应力结构用混凝土中细骨料应当采用天然洁净的硬质河砂。
针对标准的限制以及当前机制砂在铁路工程预应力结构的应用研究较少的现状，铁科院钟美秦研究采用机制砂混凝土制备铁路预应力构件的可能性，虽然研究结果表明机制砂应用于铁路混凝土预应力构件是可行的，但是对于铁路用机制砂石骨料预应力混凝土的收缩、徐变没有研究。近年来，铁科院李化建等人对铁路用机制砂石骨料预应力混凝土的性能进行了系统地研究，预制出满足标准要求的机制砂混凝土T梁、轨道板、轨枕，但没有提出基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土的配合比设计方法。中国专利CN 109369097A《一种低收缩低徐变抗裂高性能大体积混凝土》公开了一种低收缩低徐变抗裂高性能大体积混凝土，本发明的显著特点是用该混凝土配合比拌制混凝土无特殊搅拌工艺、搅拌简便、可改变搅拌加料顺序，并且配制的混凝土具有低徐变的特点，365d干缩率≤519×10-6、365d的受压徐变度≤28.0×10-6/MPa、365d受压徐变系数≤0.72，但本发明主要针对现浇大体积混凝土结构，对于预应力混凝土结构的徐变未见报道；中国专利CN 102701654 B《一类低徐变混凝土》公开了低徐变混凝土的配方，配方最大的优点在于可根据低徐变值的不同要求，采用弹性模量不同的惰性掺合料进行匹配制备。但是这些专利缺乏理论支撑和指导，缺少对机制砂混凝土或预应力混凝土低徐变的研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而发明一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）根据机制砂石骨料预应力混凝土的特点，确定以低徐变为其主要设计目标；2）基于混凝土徐变与弹性模量的关系模型，建立了混凝土徐变与骨料、界面及浆体的关系；3）明确了低徐变机制砂石骨料预应力混凝土用原材料的选材原则和优化技术。
所述的步骤1）中机制砂石骨料预应力混凝土7d开始持荷，持荷360d的徐变度指标主要包括三个级别：I级为徐变度小于10×10-6，级为徐变度介于10×10-6~25×10-6，
级为徐变度大于25×10-6。
优选的，所述的低徐变度设计目标等级为I级。
所述的步骤2）中混凝土的徐变与骨料、界面及浆体的关系建立主要基于混凝土徐变与弹性模量的预测模型、基于砂石骨料和浆体的混凝土弹性模量预测模型及基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型的联立。
优选的，所述的步骤2）中基于混凝土徐变与弹性模量预测模型的计算式为：
εct=g1·g2·g3·g4·g5·σc/E28 （1）
式中εct为混凝土的受压徐变，σc为混凝土的压应力，E28为混凝土28d时的弹性模量，g1、g2、g3、g4、g5分别代表环境相对湿度、加载前混凝土养护龄期、混凝土拌合物组成（水泥用量和水胶比）、结构形状和尺寸、持荷时间。
优选的，所述的步骤2）中假定混凝土各部分应变相同，作为初步近似，忽略横向变形，基于骨料和浆体弹性模量的混凝土弹性模量预测模型的计算式为：
E28=EmVm+EgVg （2）
式中Em、Eg分别为浆体和骨料的弹性模量，Vm、Vg分别为浆体和骨料的体积分数，且Vm+Vg=1。
优选的，所述的步骤3）中基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型计算式为：
Em=4.0279σs 0.1794 （3）
式中σs为浆体抗压强度。
联立式（1）~（3）可得，
εct=g1·g2·g3·g4·g5·σc/(4.0279σs 0.1794Vm+EgVg) （4）
计算式（4）建立了混凝土徐变与骨料、界面及浆体的关系。
所述的步骤3）中低徐变混凝土用原材料的选材原则和优化技术主要针对骨料、界面和浆体。
优选的，所述的步骤3）中骨料选材原则为选取高弹性模量、大粒径、粒形和级配较好的粗骨料，选取粒形、级配好、MB值低及石粉含量少，骨料优化技术为提升骨料占混凝土的体积分数。
进一步优选的，所述的高弹性模量为100GPa~130GPa，单轴抗压强度不小于100MPa，母岩主要为闪长岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩、凝灰岩和石英岩中的一种。
进一步优选的，所述的机制砂石骨料为0mm~31.5mm连续级配，其细度模数为4.6~6.0。
进一步优选的，所述的为粗骨料粒形较好为粗骨料圆形度大于0.75，且针片状含量小于粗骨料总质量的5%。
进一步优选的，所述的机制砂为圆形度大于0.80，长径比小于1.6，机制砂级配为II区中砂，机制砂MB值为小于1.4，石粉含量小于5%。
进一步优选的，所述的骨料占混凝土的体积分数介于70%~80%。
优选的，所述的步骤3）中界面的优化技术为减小界面过渡区厚度和减小界面过渡区的孔隙率。
进一步优选的，所述的减小界面过渡区厚度和孔隙率主要通过使用低水胶比、掺入硅基材料中的一种或几种。
更优选的，所述的低水胶比为小于0.32，且掺入聚羧酸高效减水剂。
更优选的，所述的硅基材料为粉煤灰、硅灰、稻壳灰、矿渣粉、偏高岭土中的一种或几种。
优选的，所述的步骤3）中浆体的选材原则和优化技术为掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料和减小浆体含气量。
进一步优选的，所述的掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料为能提高水泥浆体中的钙硅比和超细矿物掺合料。
更优选的，所述的掺入能提高水泥浆体中的钙硅比的矿物掺合料为碳酸钙粉。
更优选的，所述的超细矿物掺合料主要为纳米二氧化硅、磨细石粉中的一种或几种。
进一步优选的，所述的减小浆体含气量为控制浆体含气量介于2%~4%。
更优选的，所述的控制浆体含气量介于2%~4%可以通过使用消泡剂或使用少量引气剂中的一种或几种。
所述的基于形变控制机制砂石骨料预应力混凝土是由同一岩性机制砂石骨料和石粉质掺合料辅以胶凝材料、水、外加剂等组成，由以下组分按照重量份配制而成：
强度等级>42.5级的水泥 100，
比表面积不小于600m2/kg磨细石粉 7-15，
矿物掺合料 10-55，
0mm~31.5mm连续级配的混合机制砂石骨料 330-416，
聚羧酸系高效减水剂 0.8-1.5，
水 32.76-54.4。
所述的制备方法为按比例向振动式搅拌装置中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制搅拌60s~180s后制得混凝土拌合物，然后开启振动装置60s~120s，使水泥、机制砂石骨料和水混合的更加均匀。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）机制砂石骨料低徐变的定量设计。前期发明对于机制砂石骨料预应力混凝土的徐变研究较少，并且公开的发明专利所配制的混凝土徐变度仍较高，无法满足低徐变等级机制砂石骨料预应力混凝土的设计目标。本发明基于理论设计，材料优选和优化等技术，定量设计出低徐变机制砂石骨料预应力混凝土。
（2）选材原则得当可靠。在优先考虑设计低徐变度机制砂石骨料预应力混凝土的基础上，同时考虑混凝土不同组分之间徐变度的差值，而这一点是其他发明专利未曾考虑的，也是对混凝土徐变影响十分重要的特性。本发明通过优选原材料，减小了不同组分弹性模量和热力学性质的差异。
（3）配合比设计方法先进。本发明配合比设计理念是由同一岩性机制砂石骨料和石粉质掺合料辅以胶凝材料、水、外加剂等组成，从粉体改性、机制砂关键指标要求、粗骨料关键指标控制，矿物掺合料优选，基于相关理论支撑，通过不同组分、不同尺度提出机制砂石骨料预应力混凝土的配合比设计，方法具有极高的先进性。
一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法原理如下：
一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法的目的为提高混凝土整体弹性模量为主和减小不同组分弹性模量差值为辅，因此，建立了机制砂石骨料预应力混凝土徐变与骨料、界面和浆体相关的预测模型如下式：
εct=g1·g2·g3·g4·g5·σc/(4.0279σs 0.1794Vm+EgVg)
式中εct为混凝土结构的受压徐变，σc为压应力，E28为混凝土28d时的弹性模量，g1、g2、g3、g4、g5分别代表环境相对湿度、加载前混凝土养护龄期、混凝土拌合物组成（水泥用量和水灰比）、结构形状和尺寸、持荷时间，Em、Eg分别为浆体和骨料的弹性模量，Vm、Vg分别为浆体和骨料的体积分数，且Vm+Vg=1，σs为浆体抗压强度。
基于低徐变度的优化理论预测模型，将混凝土弹性模量具体分为骨料、界面和浆体三个部分，可以更好的建立混凝土徐变与混凝土用原材料之间的关系。
对于骨料来说，在混凝土中，骨料占有较大的体积分数，发挥着骨架的作用，并且骨料的弹性模量很高，因此骨料弹性模量对混凝士弹性模量影响最显著。当粗骨料弹性模量Eg越大，所占体积分数Vg越大时，混凝土弹性模量就越大，其徐变度就越低；而粗骨料最大粒径越大、级配越好同样可以使得其所占体积分数越大，进而提升混凝土弹性模量；此外，粗骨料和细骨料粒形较好可以使得预测模型中影响因子g4较小，进而降低混凝土徐变度。
对于界面来说，其是降低混凝土弹性模量的关键影响因素，可以通过减小界面过渡区厚度和孔隙率来提升界面的弹性模量。具体为使用较低水胶比或者掺入硅基矿物掺合料等措施改善，主要机理为减少过渡区的水分、孔隙率和氢氧化钙的含量等。
对于浆体来说，其主要由C-S-H凝胶和孔隙组成，因此其弹性模量的提升主要通过提高水泥浆体中的钙硅比来提升C-S-H凝胶的弹性模量，掺入超细石粉和矿物掺合料可以起到晶核促进水化作用和填充水泥石孔隙的作用，进而促进浆体弹性模量的提升。
通过上述原材料选材原则和优化技术，可以配制出低徐变度的机制砂石骨料预应力混凝土，同时基于粗骨料弹性模量较高，而浆体和界面弹性模量较低的特点，本发明在配合比设计上通过提升界面和浆体的弹性模量来减小不同组分之间弹性模量的差值，同时通过使用相同岩性的石、砂、粉来尽可能缩小不同组分之间弹性模量的差值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明基于一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明的范围。
实施例1
机制砂石骨料预应力混凝土受压360d的徐变度设计目标为小于10×10-6/MPa，混凝土尺寸为100mm×100mm×300mm，养护环境的平均温度为20℃、相对湿度为95%，混凝土养护7d后拆模，承受荷载σc=200KN。
原材料中，水泥为P.O42.5级，水泥用量为400kg/m3，水胶比为0.32，粗骨料为玄武岩，机制砂石骨料为0mm~31.5mm连续级配，其细度模数为5.2，粗骨料圆形度为0.75，针片状含量为4%，细骨料为玄武岩机制砂，级配为II区中砂，MB值为1.2，石粉含量为4%，机制砂圆形度为0.81，长径比为1.58，骨料所占体积分数为74%，粉煤灰为I级粉煤灰，用量为60kg/m3，稻壳灰用量为60kg/m3，磨细玄武岩石粉的比表面积为800m2/kg，用量为20kg/m3，含气量为3%。按比例向振动式搅拌装置中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制搅拌60s~180s后制得混凝土拌合物，然后开启振动装置60s~120s，使水泥、机制砂石骨料和水混合的更加均匀。
实施例2
机制砂石骨料预应力混凝土受压360d的徐变度设计目标为小于10×10-6/MPa，混凝土尺寸为100mm×100mm×300mm，养护环境的平均温度为20℃、相对湿度为95%，混凝土养护7d后拆模，承受荷载σc=200KN。
原材料中，水泥为P.O42.5级，水泥用量为380kg/m3，水胶比为0.30，粗骨料为闪长岩，机制砂石骨料为0mm~31.5mm连续级配，其细度模数为5.4，粗骨料圆形度为0.8，针片状含量为4%，细骨料为闪长岩机制砂，级配为II区中砂，MB值为1.0，石粉含量为3%，机制砂圆形度为0.83，长径比为1.5，骨料所占体积分数为80%，粉煤灰为I级粉煤灰，用量为60kg/m3，稻壳灰用量为60kg/m3，磨细闪长岩石粉的比表面积为1000m2/kg，用量为30kg/m3，纳米二氧化硅用量为10kg/m3，含气量为2%。按比例向振动式搅拌装置中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制搅拌60s~180s后制得混凝土拌合物，然后开启振动装置60s~120s，使水泥、机制砂石骨料和水混合的更加均匀。
实施例3
机制砂石骨料预应力混凝土受压360d的徐变度设计目标为小于10×10-6/MPa，混凝土尺寸为100mm×100mm×300mm，养护环境的平均温度为20℃、相对湿度为95%，混凝土养护7d后拆模，承受荷载σc=200KN。
原材料中，水泥为P.O42.5级，水泥用量为350kg/m3，水胶比为0.28，粗骨料为细粒花岗岩，机制砂石骨料为0mm~31.5mm连续级配，其细度模数为5.5，粗骨料圆形度为0.85，针片状含量为4%，细骨料为闪长岩机制砂，级配为II区中砂，MB值为0.8，石粉含量为3%，机制砂圆形度为0.85，长径比为1.4，骨料所占体积分数为77%，稻壳灰用量为70kg/m3，偏高岭土用量为70kg/m3，磨细细粒花岗岩石粉的比表面积为1500m2/kg，用量为30kg/m3，纳米二氧化硅用量为30kg/m3，含气量为2.5%。按比例向振动式搅拌装置中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制搅拌60s~180s后制得混凝土拌合物，然后开启振动装置60s~120s，使水泥、机制砂石骨料和水混合的更加均匀。
将本实施例1~3提供的低徐变机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计和对比机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计的所测的性能见表1。
表1 不同配比的机制砂石骨料预应力混凝土性能测试
由表1可以看出，与对比配合比设计的机制砂石骨料预应力混凝土相比，实施例1~3的混凝土徐变度明显更低，基本实现了低徐变度设计的目标，此外可以看出，实施例1~3的混凝土不同组分的弹性模量差值相对较小，进而可知这几组混凝土的不同组分之间徐变度相对较均一。进一步分析可知，由实施例1~3可以看出，实施例2和3满足本发明低徐变度的设计目标，同时可以发现，实施例3虽然徐变度略微大于实施例2，但是其不同组分之间的弹性模量更加接近，符合本发明设计的目标，有利于实现机制砂石骨料预应力混凝土长期安全的使用。
Claims (11)
1.一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1）根据机制砂石骨料预应力混凝土的特点，确定以低徐变为其主要设计目标；2）基于混凝土徐变与弹性模量的关系模型，建立了混凝土徐变与骨料、界面及浆体的关系；3）明确了低徐变机制砂石骨料预应力混凝土用原材料的选材原则和优化技术。
2.根据权利要求1所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤1）中机制砂石骨料预应力混凝土7d开始持荷，持荷360d的徐变度指标主要包括三个级别：I级为徐变度小于10×10-6，级为徐变度介于10×10-6~25×10-6，
级为徐变度大于25×10-6。
3.根据权利要求1所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤2）中混凝土的徐变与骨料、界面及浆体的关系建立主要基于混凝土徐变与弹性模量的预测模型、基于砂石骨料和浆体的混凝土弹性模量预测模型及基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型的联立。
4.根据权利要求3所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤2）中基于混凝土徐变与弹性模量预测模型的计算式为：
εct=g1·g2·g3·g4·g5·σc/E28 （1）
式中εct为混凝土的受压徐变，σc为混凝土的压应力，E28为混凝土28d时的弹性模量，g1、g2、g3、g4、g5分别代表环境相对湿度、加载前混凝土养护龄期、混凝土拌合物组成（水泥用量和水胶比）、结构形状和尺寸、持荷时间；
基于骨料和浆体弹性模量的混凝土弹性模量预测模型的计算式为：
E28=EmVm+EgVg （2）
式中Em、Eg分别为浆体和骨料的弹性模量，Vm、Vg分别为浆体和骨料的体积分数，且Vm+Vg=1；
基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型计算式为：
Em=4.0279σs 0.1794 （3）
式中σs为浆体抗压强度；
联立式（1）~（3）可得，
εct=g1·g2·g3·g4·g5·σc/(4.0279σs 0.1794Vm+EgVg) （4）
计算式（4）建立了混凝土徐变与骨料、界面及浆体的关系。
5.根据权利要求1所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤3）中低徐变混凝土用原材料的选材原则和优化技术主要针对混凝土中的骨料、界面和浆体。
6.根据权利要求5所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤3）中机制砂石骨料选材原则为选取高弹性模量、大粒径、粒形和级配较好的粗骨料，选取粒形、级配好、MB值低及石粉含量少，机制砂石骨料优化技术为提升骨料占混凝土的体积分数；界面的优化技术为减小界面过渡区厚度和减小界面过渡区的孔隙率；浆体的选材原则和优化技术为掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料和减小浆体含气量。
7.根据权利要求6所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤3）中机制砂石骨料选材原则具体指标如下：机制砂石骨料的母岩弹性模量为100GPa~130GPa，单轴抗压强度不小于100MPa，母岩主要为闪长岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩、凝灰岩和石英岩中的一种，机制砂石骨料为0mm~31.5mm连续级配，其细度模数为4.6~6.0；粗骨料粒形较好为粗骨料圆形度大于0.75，且针片状含量小于粗骨料总质量的5%；机制砂的粒形较好为圆形度大于0.80，长径比小于1.6，机制砂级配为II区中砂，机制砂MB值为小于1.4，石粉含量小于5%；机制砂石骨料占混凝土的体积分数介于70%~80%。
8.根据权利要求6所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤3）中界面的优化技术为减小界面过渡区厚度和孔隙率，具体优化技术如下：主要通过使用水胶比小于0.32以下的低水胶比、掺入聚羧酸高效减水剂和掺入粉煤灰、硅灰、稻壳灰、矿渣粉、偏高岭土材料中的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤3）中浆体的选材原则和优化技术为掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料和减小浆体含气量，具体选材原则和优化技术如下：掺入碳酸钙粉、纳米二氧化硅、磨细石粉中的一种或几种，浆体含气量介于2%~4%可以通过使用消泡剂或使用少量引气剂中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的基于形变控制机制砂石骨料预应力混凝土是由同一岩性机制砂石骨料和石粉质掺合料辅以胶凝材料、水、外加剂等组成，由以下组分按照重量份配制而成：
强度等级不低于42.5级的水泥 100，
比表面积不小于600m2/kg磨细石粉 7-15，
矿物掺合料 10-55，
0mm~31.5mm连续级配的混合机制砂石骨料 330-416，
聚羧酸系高效减水剂 0.8-1.5，
水 32.76-54.4。
11.根据权利要求1所述的一种基于形变控制的机制砂石骨料预应力混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的制备方法为按比例向振动式搅拌装置中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制搅拌60s~180s后制得混凝土拌合物，然后开启振动装置60s~120s，使水泥、机制砂石骨料和水混合的更加均匀。
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