CN112035930B - 一种基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于道路材料技术领域，公开了一种基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法，以解决现有技术中中流动性混凝土配合比设计中存在的技术问题，该方法包括：1）获取中流动性混凝土的初始配合比；2）获取中流动性混凝土等效砂浆屈服应力阈值和粘度阈值；3）测试混凝土等效砂浆的屈服应力试验值和粘度试验值；4）屈服应力实验值与屈服应力阈值比较，粘度实验值与粘度阈值比较，若满足条件则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比；若不满足条件则调整混凝土砂率、水灰比、外加剂掺量，重新进行步骤3）。本发明试配过程易于操作，无需制备混凝土样品，减少了工作量，对于中流动性混凝土配合比设计有重要的理论意义和实际价值。
Description
技术领域
本发明涉及道路材料技术领域，具体涉及一种基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的快速发展，我国铁路与公路交通建设有着巨大的需求。中流动性混凝土是指流动性介于普通混凝土和自密实混凝土之间的扩展度范围在35-50cm的混凝土，因其具有原材料成本低、在施工振捣过程中流动性大，充填效果好等优点，常用于隧道衬砌、桥梁等钢筋配置密集，振捣困难的结构中。
目前，中流动性混凝土配合比设计相关方法较少，国内尚未出现针对性强的配合比设计方法，主要采用标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011进行中流动性混凝土配合比设计，该方法存在对中流动性混凝土针对性不强，混凝土适配过程中需要多次拌制混凝土样品，工作量大等缺点，日本学者编制了《隧道施工管理要领：中流动性混凝土篇》用于指导中流动性混凝土配合比设计，该方法设计参数多根据工程经验进行确定，缺乏理论依据，且同样存在混凝土适配过程中需要多次拌制混凝土样品，工作量大的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中中流动性混凝土配合比设计中存在的技术问题，提供了一种简单有效的基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）计算1m3混凝土中水泥、矿物掺合料、水、细骨料、粗骨料、外加剂用量，由此得出中流动性混凝土初始配合比；
（2）根据步骤（1）中的初始配合比获取中流动性混凝土等效砂浆屈服应力阈值和粘度阈值；
（3）将步骤（1）中的混凝土进行砂浆流变试验，测试混凝土等效砂浆的屈服应力试验值和粘度试验值；
（4）若屈服应力实验值不大于屈服应力阈值，粘度实验值不小于粘度阈值，则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比；
（5）若屈服应力实验值大于屈服应力阈值，或粘度实验值小于粘度阈值，则调整混凝土砂率、水灰比、外加剂掺量，重新进行步骤（3）。
进一步地，所述步骤（1）中中流动性混凝土初始配合比通过以下步骤进行计算：
设定粗骨料包裹砂浆膜厚δ，根据公式（1）、（2）计算出1m3混凝土中粗骨料用量；
（1）
式中，V exc ——粗骨料包裹砂浆体积，m3；
V g ——粗骨料体积，m3；
ρ a ——粗骨料表观密度，kg/m3；
ρ t ——粗骨料振实密度，kg/m3；
（2）
式中，a i %——相邻两筛之间粗骨料质量百分数；
D i ——粗骨料i的筛分粒径，m；
δ——粗骨料包裹砂浆膜厚，m；
（b）确定1m3混凝土中细骨料用量：设定砂率为β s ，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，计算1m3混凝土中细骨料用量V s ；
（c）确定1m3混凝土中胶凝材料和水的用量：
①设定混凝土设计强度等级，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，确定混凝土水胶质量比；
②设定矿物掺合料种类及掺量；
③根据如下公式（3）、（4）、（5）计算出1m3混凝土中水泥、矿物掺合料和水的用量；
（3）
式中，V W ——水的体积，m3；
ρ W ——水的密度，kg/m3；
V C ——水泥体积，m3；
ρ C ——水泥表观密度，kg/m3；
V ai ——矿物掺合料体积，m3；
ρ ai ——矿物掺合料表观密度，kg/m3；
m W ——水的质量，kg；
m B ——胶凝材料总质量，kg；
（4）
式中，a i %——矿物掺合料i占胶凝材料的质量百分比；
（5）
式中，α—混凝土的含气量百分数；根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，在不使用引气型外加剂时，α可取为1；
（d）确定1m3混凝土中外加剂的用量：根据厂家推荐掺量范围及试验经验确定外加剂掺量。
进一步地，步骤（2）中砂浆屈服应力阈值为屈服应力最大值τ max ，粘度阈值为粘度最小值η min ，且通过以下公式进行计算：
（6）
式中，τ max ——中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值，Pa；
Δρ——粗骨料与砂浆密度差，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
r——粗骨料平均半径，m；
（7）
式中，η min ——中流动性混凝土等效砂浆粘度最小值，Pa•s；
T f ——混凝土流动时间（T f ≈7s）；
H——坍落度试验混凝土流动过程中，最上层碎石的位移阈值，m（根据中流动性混凝土坍落度范围18.5-23.5cm，取H = 0.235m）。
本发明提供了一种基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法，混凝土可被看作由砂浆和粗骨料组成的两相材料，混凝土等效砂浆流变特性与混凝土工作性具有很好的相关性，砂浆的流变特性与膜厚决定了混凝土的工作性，因此从砂浆流变学角度开发出一种简单有效的中流动性混凝土配合比设计方法具有重要意义。能够从砂浆流变学角度精准有效的对中流动性混凝土配合比进行设计与调整，而且试配过程易于操作，只需测试混凝土等效砂浆流变学参数，无需制备混凝土样品，减少了工作量，对于工程中中流动性混凝土配合比设计有重要的理论意义和实际价值。
附图说明
图1为骨料级配曲线。
图2为基于砂浆流变特性的中流动性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作进一步说明。
实验原材料：
本实验所用水泥为祁连山P·O 42.5普通硅酸盐水泥，表观密度为3060 kg/m3；粉煤灰等级为I级，表观密度为2400kg/m3；细骨料为水洗砂，表观密度为2665 kg/m3；粗骨料为5-20 mm连续级配石灰岩碎石，表观密度为2750 kg/m3，振实密度为2013 kg/m3，振实空隙率为26.8%，骨料级配曲线如图1所示；减水剂为SiKa ViscoCrete-540P聚羧酸高效减水剂，减水率为30%，掺量范围为胶凝材料的0.05%-0.5%；水为自来水。
实施例1：配制C30中流动性混凝土，粉煤灰掺量为胶凝材料总量的25%。
（1）计算1m3混凝土中水泥、矿物掺合料、水、细骨料、粗骨料、外加剂用量，得出中流动性混凝土初始配合比。
（a）确定1m3混凝土中粗骨料用量：
设定粗骨料包裹砂浆膜厚δ为2.4mm，，根据公式（1）、（2）计算出1m3混凝土中粗骨料用量Vg为0.2583m3；
（1）
式中，V exc ——粗骨料包裹砂浆体积，m3；
V g ——粗骨料体积，m3；
ρ a ——粗骨料表观密度，kg/m3；
ρ t ——粗骨料振实密度，kg/m3；
（2）
式中，a i %——相邻两筛之间粗骨料质量百分数；
D i ——粗骨料i的筛分粒径，m；
δ——粗骨料包裹砂浆膜厚，m；
（b）确定1m3混凝土中细骨料用量：
设定砂率β s =55%，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，1m3混凝土中细骨料用量V s 为0.3258m3。
（c）确定1m3混凝土中胶凝材料和水的用量：
①混凝土设计强度等级为C30，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，确定混凝土水胶质量比为0.44。
②矿物掺合料为粉煤灰，掺量为胶凝材料总量的20%。
③根据公式（3）、（4）、（5）计算出1m3混凝土中水泥用量为0.1314m3、粉煤灰用量为0.0487m3，水的用量为0.2258m3；
（3）
式中，V W ——水的体积，m3；
ρ W ——水的密度，kg/m3；
V C ——水泥体积，m3；
ρ C ——水泥表观密度，kg/m3；
V ai ——矿物掺合料体积，m3；
ρ ai ——矿物掺合料表观密度，kg/m3；
m W ——水的质量，kg；
m B ——胶凝材料总质量，kg；
（4）
式中，a i %——矿物掺合料i占胶凝材料的质量百分比。
（5）
式中，α—混凝土的含气量百分数；根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，在不使用引气型外加剂时，α可取为1；
（d）确定1m3混凝土中外加剂的用量：
根据厂家推荐掺量范围及试验经验，减水剂用量为胶凝材料总量的0.16%。
（2）计算中流动性混凝土等效砂浆屈服应力阈值和粘度阈值。
根据公式（6），中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值τ max 为17.36Pa，根据公式（7），中流动性混凝土粘度最小值η min 为0.70Pa•s。
（6）
式中，τ max ——中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值，Pa；
Δρ——粗骨料与砂浆密度差，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
r——粗骨料平均半径，m；
（7）
式中，η min ——中流动性混凝土等效砂浆粘度最小值，Pa•s；
T f ——混凝土流动时间（T f ≈7s）；
H——坍落度试验混凝土流动过程中，最上层碎石的位移阈值。
（3）进行砂浆流变试验，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力实验值为16.26 Pa＜τ max ，屈服应力满足要求，粘度实验值为3.08 Pa•s ＞η min ，粘度满足要求，则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比，体积配合比如表1所示，质量配合比如表2所示，对该混凝土配合比进行试配，测得混凝土坍落度为23cm，扩展度为48.25cm，满足中流动性混凝土坍落扩展度要求。
实施例2：配制C25中流动性混凝土，粉煤灰掺量为胶凝材料总量的20%。
（1）计算1m3混凝土中水泥、矿物掺合料、水、细骨料、粗骨料、外加剂用量，得出中流动性混凝土初始配合比；
（a）确定1m3混凝土中粗骨料用量：
设定粗骨料包裹砂浆膜厚δ为1.82mm，根据公式（1）、（2）计算出1m3混凝土中粗骨料用量Vg为0.3276m3。
（b）确定1m3混凝土中细骨料用量。
设定砂率β s =50%，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，1m3混凝土中细骨料用量V s 为0.3380m3。
（c）确定1m3混凝土中胶凝材料和水的用量：
①混凝土设计强度等级为C25，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，确定混凝土水胶质量比为0.54。
②矿物掺合料为粉煤灰，掺量为胶凝材料总量的20%。
③根据公式（3）、（4）、（5）计算出1m3混凝土中水泥用量为0.09585m3、粉煤灰用量为0.03055m3，水的用量为0.1980m3。
（d）确定1m3混凝土中外加剂的用量。
根据厂家推荐掺量范围及试验经验，减水剂用量为胶凝材料总量的0.18%。
（2）计算中流动性混凝土等效砂浆屈服应力阈值和粘度阈值；
根据公式（6），中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值τ max 为22.53Pa，根据公式（7），中流动性混凝土粘度最小值η min 为0.69Pa•s。
（3）进行砂浆流变试验，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力实验值为7.51 Pa＜τ max ，屈服应力满足要求，粘度实验值为0.06 Pa•s＜η min ，砂浆粘性不足；
（4）调整减水剂掺量为0.16%，之后按照步骤（3）进行测试，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力为21.26 Pa＜τ max ，屈服应力满足要求，粘度为0.71 Pa•s＞η min ，粘度满足要求，则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比，体积配合比如表1所示，质量配合比如表2所示，对该混凝土配合比进行试配，测得混凝土坍落度为18.5cm，扩展度为36.5cm，满足中流动性混凝土坍落扩展度要求。
实施例3：配制C25中流动性混凝土。
（1）计算1m3混凝土中水泥、矿物掺合料、水、细骨料、粗骨料、外加剂用量，得出中流动性混凝土初始配合比。
（a）确定1m3混凝土中粗骨料用量。
设定粗骨料包裹砂浆膜厚δ为1.82mm，根据公式（1）、（2）计算出1m3混凝土中粗骨料用量Vg为0.3276m3。
（b）确定1m3混凝土中细骨料用量：
设定砂率β s =50%，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，1m3混凝土中细骨料用量V s 为0.3380m3。
（c）确定1m3混凝土中胶凝材料和水的用量：
①混凝土设计强度等级为C25，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，确定混凝土水灰质量比为0.6，对应水灰体积比为1.84。
②根据公式（3）、（4）、（5）计算出1m3混凝土中水泥用量为0.1144m3，水的用量为0.2100m3。
（d）确定1m3混凝土中外加剂的用量：
根据厂家推荐掺量范围及试验经验，减水剂用量为胶凝材料总量的0.2%。
（2）计算中流动性混凝土等效砂浆屈服应力和粘度阈值；
根据公式（6），中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值τ max 为24.1Pa，根据公式（7），中流动性混凝土粘度最小值η min 为0.6Pa•s。
（3）进行砂浆流变试验，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力实验值为23.1 Pa＜τ max ，屈服应力满足要求，粘度实验值为-3.3 Pa•s＜η min ，砂浆粘性不足。
（4）调整水灰体积比为1.69，之后按照步骤（3）进行测试，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力为19.5 Pa＜τ max ，屈服应力满足要求，粘度为0.9 Pa•s＞η min ，粘度满足要求，则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比，体积配合比如表1所示，质量配合比如表2所示，对该混凝土配合比进行试配，测得混凝土坍落度为21cm，扩展度为45cm，满足中流动性混凝土坍落扩展度要求。
实施例4：配制C35中流动性混凝土。
（1）计算1m3混凝土中水泥、矿物掺合料、水、细骨料、粗骨料、外加剂用量，得出中流动性混凝土初始配合比。
（a）确定1m3混凝土中粗骨料用量：
设定粗骨料包裹砂浆膜厚δ为1.8mm，根据公式（1）、（2）计算出1m3混凝土中粗骨料用量Vg为0.3298m3。
（b）确定1m3混凝土中细骨料用量：
设定砂率β s =50%，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，1m3混凝土中细骨料用量V s 为0.3403m3。
（c）确定1m3混凝土中胶凝材料和水的用量：
①混凝土设计强度等级为C35，根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011，确定混凝土水灰质量比为0.5。
②根据公式（3）、（4）、（5）计算出1m3混凝土中水泥用量为0.1264m3，水的用量为0.1935m3。
（d）确定1m3混凝土中外加剂的用量：
根据厂家推荐掺量范围及试验经验，减水剂用量为胶凝材料总量的0.24%。
（2）计算中流动性混凝土等效砂浆屈服应力和粘度阈值；
根据公式（6），中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值τ max 为21.98Pa，根据公式（7），中流动性混凝土粘度最小值η min 为0.56Pa•s。
（3）进行砂浆流变试验，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力实验值为24.57 Pa＞τ max ，屈服应力不满足要求，粘度实验值为-1.13 Pa•s＜η min ，砂浆粘性不足。
（4）调整砂率为53%，之后按照步骤（3）进行测试，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力为26.1 Pa＞τ max ，屈服应力不满足要求，粘度为1.06 Pa•s＞η min ，粘度满足要求。
（5）调整减水剂掺量为0.25%，之后按照步骤（3）进行测试，测试得出混凝土等效砂浆的屈服应力实验值为20.74 Pa＜τ max ，屈服应力满足要求，粘度实验值为0.73Pa•s＞η min ，粘度满足要求；则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比，体积配合比如表1所示，质量配合比如表2所示，对该混凝土配合比进行试配，测得混凝土坍落度为22cm，扩展度为47.5cm，满足中流动性混凝土坍落扩展度要求。
Claims (1)
1.一种基于砂浆流变特性的中流动性混凝土配合比设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1)、获取中流动性混凝土中水泥、矿物掺合料、水、细骨料、粗骨料、外加剂的初始配合比；
(a)设定粗骨料包裹砂浆膜厚δ，根据公式(1)、(2)计算出1m3混凝土中粗骨料用量；
式中，Vexc——粗骨料包裹砂浆体积，m3；
Vg——粗骨料体积，m3；
ρa——粗骨料表观密度，kg/m3；
ρt——粗骨料振实密度，kg/m3；
式中，ai％——相邻两筛之间粗骨料质量百分数；
Di——粗骨料i的筛分粒径，m；
δ——粗骨料包裹砂浆膜厚，m；
(b)确定1m3混凝土中细骨料用量：设定砂率为βs，计算1m3混凝土中细骨料用量Vs；
(c)确定1m3混凝土中胶凝材料和水的用量：
①设定混凝土设计强度等级，并确定混凝土水胶质量比；
②设定矿物掺合料种类及掺量；
③根据如下公式(3)、(4)、(5)计算出1m3混凝土中水泥、矿物掺合料和水的用量；
式中，VW——水的体积，m3；
ρW——水的密度，kg/m3；
VC——水泥体积，m3；
ρC——水泥表观密度，kg/m3；
Vai——矿物掺合料体积，m3；
ρai——矿物掺合料表观密度，kg/m3；
mW——水的质量，kg；
mB——胶凝材料总质量，kg；
式中，ai％——矿物掺合料i占胶凝材料的质量百分比；
式中，α—混凝土的含气量百分数；
(d)确定1m3混凝土中外加剂的用量：根据厂家推荐掺量范围及试验经验确定外加剂掺量；
步骤2)、根据步骤(1)中的初始配合比获取中流动性混凝土等效砂浆屈服应力阈值和粘度阈值；
砂浆屈服应力阈值为屈服应力最大值τmax，粘度阈值为粘度最小值ηmin，且通过以下公式进行计算：
式中，τmax——中流动性混凝土等效砂浆屈服应力最大值，Pa；
Δρ——粗骨料与砂浆密度差，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
r——粗骨料平均半径，m；
式中，ηmin——中流动性混凝土等效砂浆粘度最小值，Pa·s；
Tf——混凝土流动时间(Tf≈7s)；
H——坍落度试验混凝土流动过程中，最上层碎石的位移阈值，m；步骤3)、将步骤(1)中的混凝土进行砂浆流变试验，测试混凝土等效砂浆的屈服应力试验值和粘度试验值；
步骤4)、若屈服应力实验值不大于屈服应力阈值，粘度实验值不小于粘度阈值，则此时的配合比即为中流动性混凝土配合比；
步骤5)、若屈服应力实验值大于屈服应力阈值，或粘度实验值小于粘度阈值，则调整混凝土砂率、水灰比、外加剂掺量，重新进行步骤3。
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