CN112052590A - 基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，包括：S1、将橡胶集料抽象成单一球型颗粒模型，以建立橡胶集料混凝土中，水在冻融条件下的迁移模型；S2、基于迁移模型得到橡胶集料对应的体积掺量；S3、基于连续堆积理论确定砂石集料的组成，根据骨料紧密堆积后的空隙率和骨料表面浆体厚度确定浆体体积；S4、设置水胶比，并根据工作性能确定所需的减水剂用量，调整橡胶集料的间距及粒径，获得超高抗冻性能的橡胶集料混凝土。本发明提供一种基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，简单有效，省时省力，可以获得抗冻次数大于600次的超高抗冻性能混凝土，为应用于高原高海拔地区混凝土提供设计基础。

Description

基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明涉及一种在建筑材料中对橡胶集料混凝土的配合比进行设计的方法。更具体地说，本发明涉及一种基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法。

背景技术

融冻破坏已经成为影响混凝土耐久性的重要因素，特别是高原高海拔地区，比如中国西部，环境气压低，昼夜温差大、常负温、季节冻土，这种严酷环境加剧了混凝土的冻融劣化过程及程度，严重缩短了混凝土的使用寿命，同时由于环境气压低，掺引气剂的混凝土气泡易破裂，导致引气混凝土质量不稳定，难以达到混凝土的抗冻设计要求。

经过研究发现，掺橡胶集料的混凝土比普通混凝土具有更好的抗冻融破坏能力，综合耐久性也表现出了良好的优势，能适用于高原高寒等严酷环境，但是，对于橡胶集料混凝土的制备方法，大多是依照普通混凝土的设计方法，故提高橡胶集料混凝土抗冻性的关键要求是优化橡胶集料混凝土原材料组成，需要对混凝土配合比进行适当的设计，以在保证其其它性能满足使用要求的前提下，明显提高其抗冻能力。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，包括：

S1、将橡胶集料抽象成单一球型颗粒模型，以建立橡胶集料混凝土中，水在冻融条件下的迁移模型；

S2、基于迁移模型得到橡胶集料对应的体积掺量；

S3、基于连续堆积理论确定砂石集料的组成，根据骨料紧密堆积后的空隙率和骨料表面浆体厚度确定浆体体积；

S4、设置水胶比，并根据工作性能确定所需的减水剂用量，调整橡胶集料的间距及粒径，获得超高抗冻性能的橡胶集料混凝土。

优选的是，在S1中，所述单一球型颗粒模型是将不同粒径的橡胶集料抽象成具有均一粒径的单一球形颗粒。

优选的是，在S1中，所述迁移模型的建立被配置为包括：

S11、计算橡胶集料的颗粒间距系数(L)，其通过以下公式1以得到：

其中，γ＝水的表面张力，r＝弯曲液面的曲率半径，R＝橡胶集料的粒径，P_max为水泥基材料极限抗拉强度，L₁为孔溶液迁移距离，τ为孔隙壁的内摩擦应力，K为橡胶集料的弹性模量，L₀为静水压理论中的水的迁移距离，而L＝2L₁；

S12、基于颗粒间距系数(L)，计算在一方混凝土中橡胶集料的体积掺量V_RA，其通过以下公式2以得到：

其中，D为橡胶集料单一球形颗粒的直径。

优选的是，在S3中，所述浆体体积的获得方式被配置为包括：

S31、砂石集料是根据现场的砂石集料，按紧密堆积理论对集料进行优化，进而确定砂石集料的组成，并结合《建筑用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)测得优化后的集料空隙率；

S32、根据《建筑用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)获得优化后的砂石集料粒度分布，找到中位径，结合骨料表面浆体厚度，确定比例系数k；

S33、基于绝对体积法和S31中获得的集料空隙率，获得骨料体积及浆体体积。

优选的是，在S32中，比例系数k的获取方式被配置为包括：

S321、按照绝对体积法采用如下公式得到骨料表面的浆体体积V_P：

其中：D_i＝第i个骨料粒径；V_P＝骨料表面浆体体积；e_i＝骨料粒径为D_i的表面浆体厚度，N_i为D_i粒径下骨料颗粒个数；

S322、基于不同的骨料尺寸，其骨料表面浆体的厚度并不相同，但与骨料的尺寸成比例的原则，在原始骨料直径与含浆体骨料的总直径之间定义一个比例因子k，则有：

其中，D_M为骨料的中位径，e_M为中值粒径表面的浆体厚度，其值为10～20μm。

优选的是，在S4中，所述水胶比是基于《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476-2008)以确定，同时确定胶凝材料和水的用量。

本发明至少包括以下有益效果：其一、本发明针对高原高海拔地区，抓住橡胶集料混凝土具有较好抗冻性的特性设计混凝土，主要从抗冻机理的角度，建立了橡胶集料在冻融条件下的受力模型，并结合静水压理论，指导了橡胶集料的掺量设计，进一步结合紧密堆积等理论，得到了骨料和浆体的体积掺量，该设计方法简单有效，省时省力，可以获得抗冻次数大于600次的超高抗冻性能混凝土，为应用于高远高海拔地区混凝土提供设计基础。

其二，本发明的橡胶集料混凝土配比，其在有效提高其抗冻性能的基础上，使得混凝土的其它性能满足实际使用需要，产品性能稳定，使用寿命更长。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所用的砂石集料粒度分布图；

图2为本发明所用的砂石集料级配优化图(砂：小石：大石的比例＝1.18：1：1.21)；

图3为本发明质量损失率变化曲线图；

图4为本发明相对动弹模量变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

根据本发明的基于超高抗冻橡胶集料混凝土配合比设计方法，包括以下几个步骤：

(1)将橡胶集料抽象成单一球型颗粒模型，结合本发明提出的设计理论，按照所需的橡胶集料间距及粒径，确定橡胶集料体积。

(2)根据现场所拥有的砂石集料，按紧密堆积理论对集料进行优化，确定砂石集料的组成，并结合《建筑用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)测得优化后的集料空隙率。

(3)根据《建筑用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)获得优化后的砂石集料粒度分布，找到中位径，结合骨料表面浆体厚度，确定比例系数k，再结合绝对体积法和第2步获得的空隙率，最终获得骨料体积及浆体体积。

(4)根据《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)，确定水胶比，胶凝材料和水的用量。

(5)根据以上步骤获得的配合比，按照所需工作性能，调整减水剂用量。

(6)调整橡胶集料的间距及粒径，混凝土超高抗冻性能橡胶集料混凝土。在这种方案中，其设计方法是从抗冻机理的角度，建立了橡胶集料在冻融条件下的受力模型，并结合静水压理论，指导了橡胶集料的掺量设计，结合紧密堆积等理论，得到了骨料和浆体的体积掺量，设计方法简单有效，省时省力，可以获得抗冻次数大于600次的超高抗冻性能混凝土。为应用于高远高海拔地区混凝土提供设计基础。

进一步，步骤(1)中，橡胶集料混凝土的水迁移模型为：

公式1，

其中，γ＝水的表面张力(mN/m)，r＝弯曲液面的曲率半径(μm)，R＝橡胶集料的粒径(μm)，L₁为孔溶液迁移距离(μm)，L₀＝静水压理论中的水的迁移距离(μm)，τ为孔隙壁的内摩擦应力(MPa)，K为橡胶集料的弹性模量(GPa)。

根据上述提出的颗粒间距系数，则一方混凝土中，橡胶集料掺量：

公式2，

其中，V_RA为橡胶集料的体积掺量，L为橡胶集料间距系数(μm)；D为橡胶集料颗粒直径(μm)，而L＝2L₁；

在步骤3中，按照绝对体积法：

公式3，V_RA+V_A+α+V_P＝1

其中，V_P为骨料表面浆体体积(％)；α为空隙体积(％)；V_A为砂、石集料体积(％)，V_RA为橡胶集料的体积掺量(％)。

因此，上式可以转化为：

公式4，V_A+V_P＝1-V_RA-α

所有的骨料表面的浆体体积为：

公式5，

其中：D_i＝第i个骨料粒径(μm)；V_P＝骨料表面浆体体积(％)；e_i＝骨料粒径为D_i的表面浆体厚度(μm)，N_i为D_i粒径下骨料颗粒个数。

而对于不同的骨料尺寸，骨料表面浆体的厚度并不相同，但与骨料的尺寸成比例。原始骨料直径与含浆体骨料总直径之间可以定义一个比例因子k，则有：

公式6，

则有：

公式7，

则骨料的体积：

公式8，

因此水泥浆体体积：

公式9，

其中，V_t为水泥浆体总体积。

为了方便计算，可以将k值等效为：

公式10，

其中，D_M为骨料的中位径，e_M为中值粒径表面的浆体厚度，其值为10～20μm。

进一步，步骤(6)中：对橡胶集料混凝土进行抗折、抗压强度、抗冻性试验，最终获得满足抗压强度大于30MPa，抗折强度大于5MPa，抗冻次数大于600次的超高抗冻性能橡胶集料混凝土，使得其相对于现有技术中的配比而言，本发明抓住橡胶集料混凝土具有较好抗冻性的特性，以及橡胶集料在混凝土中难以起骨架作用，但可以提高混凝土抗冻性的特点，从能量守恒的角度，建立了橡胶集料在冻融条件下的受力模型，指导了橡胶集料混凝土的配合比设计，通过调整橡胶集料的间距及粒径，实现混凝土的超高抗冻性。该方法设计精度较好，设计步骤简单，思路清晰，操作合理，减少了大量试配带来的时间、人力、材料、能源等浪费，大大提高工作效率，因此就有较好的可操作性和实用性，故经设计的橡胶集料混凝土比普通混凝土具有更好的抗冻融破坏能力，综合耐久性也表现出了良好的优势，能适用于高原高寒等严酷环境下的需求。

实施例：

砂、石集料的粒度分布如图1所示，砂、石集料级配优化如图2所示，得到砂：小石：大石的比例＝1.18：1：1.21.在根据《建筑用碎石卵石》(GB/T14685-2011)测得优化后的集料空隙率。

实例1：

基于超高抗冻行橡胶集料混凝土配合比设计方法，掺入的橡胶粉粒径大小为40-60目(D＝0.36mm)，掺量为144kg/m3，其他组分配比为：水泥399kg/m3，砂557kg/m3，小石472kg/m3，大石571kg/m3，水156kg/m3，水胶比为0.39，L为0.25mm。

制备方法如下：按以上配合比称取配料，在混凝土的搅拌时间为4分钟，以获得均匀的混合料。用混凝土坍落度试验测定了混合料的和易性，然后将拌合物分别浇筑在100×100×400mm的模具中，然后连同模具放在20±2℃和95％相对湿度的环境中等待24h。脱模后，试样在20±2℃和95％相对湿度的养护室中养护24d，放在水中养护4d。

对橡胶集料混凝土试件进行快速冻融试验，得到不同冻融循环次数下的质量损失率和相对动弹模量的变化规律，由图4可以看出，经过250次冻融循环后，实例1的混凝土相对动弹模量保持在98％以上，具有较好的抗冻性。

实例2：

基于超高抗冻行橡胶集料混凝土配合比设计方法，与实施例1所不同的是：掺入的橡胶粉粒径大小为40-60目(D＝0.36mm)，掺量为114kg/m3，其他组分配比为：水泥399kg/m3，砂578kg/m3，小石489kg/m3，大石592kg/m3，水156kg/m3，水胶比为0.39，L为0.3mm。

制备方法如下：按以上配合比称取配料，在混凝土的搅拌时间为4分钟，以获得均匀的混合料。用混凝土坍落度试验测定了混合料的和易性，然后将拌合物分别浇筑在100×100×400mm的模具中，然后连同模具放在20±2℃和95％相对湿度的环境中等待24h。脱模后，试样在20±2℃和95％相对湿度的养护室中养护24d，放在水中养护4d。

对橡胶集料混凝土试件进行快速冻融试验，得到不同冻融循环次数下的质量损失率和相对动弹模量的变化规律，由图4可以看出，经过250次冻融循环后，实例2的混凝土相对动弹模量保持在98％以上，具有较好的抗冻性。

实例3：

基于超高抗冻行橡胶集料混凝土配合比设计方法，与实施例1所不同的是：掺入的橡胶粉粒径大小为40-60目(D＝0.36mm)，掺量为91kg/m3，其他组分配比为：水泥399kg/m3，砂593kg/m3，小石502kg/m3，大石608kg/m3，水156kg/m3，水胶比为0.39，L为0.35mm。

制备方法如下：按以上配合比称取配料，在混凝土的搅拌时间为4分钟，以获得均匀的混合料。用混凝土坍落度试验测定了混合料的和易性，然后将拌合物分别浇筑在100×100×400mm的模具中，然后连同模具放在20±2℃和95％相对湿度的环境中等待24h。脱模后，试样在20±2℃和95％相对湿度的养护室中养护24d，放在水中养护4d。

对橡胶集料混凝土试件进行快速冻融试验，得到不同冻融循环次数下的质量损失率和相对动弹模量的变化规律，由图4可以看出，经过250次冻融循环后，实例3的混凝土相对动弹模量保持在97％以上，具有较好的抗冻性。

实例4：

基于超高抗冻行橡胶集料混凝土配合比设计方法，与实施例1所不同的是：掺入的橡胶粉粒径大小为40-60目(D＝0.36mm)，掺量为74kg/m3，其他组分配比为：水泥399kg/m3，砂604kg/m3，小石512kg/m3，大石619kg/m3，水156kg/m3，水胶比为0.39，L为0.4mm。

制备方法如下：按以上配合比称取配料，在混凝土的搅拌时间为4分钟，以获得均匀的混合料。用混凝土坍落度试验测定了混合料的和易性，然后将拌合物分别浇筑在100×100×400mm的模具中，然后连同模具放在20±2℃和95％相对湿度的环境中等待24h。脱模后，试样在20±2℃和95％相对湿度的养护室中养护24d，放在水中养护4d。

对橡胶集料混凝土试件进行快速冻融试验，得到不同冻融循环次数下的质量损失率和相对动弹模量的变化规律，由图4可以看出，经过250次冻融循环后，实例4的混凝土相对动弹模量保持在97％以上，具有较好的抗冻性。

本发明从抗冻机理的角度，建立了橡胶集料在冻融条件下的受力模型，并结合静水压理论，指导了橡胶集料的掺量设计，结合紧密堆积等理论，得到了骨料和浆体的体积掺量，从实施例中的数据可以看出，本发明的橡胶集料混凝土比普通混凝土具有更好的抗冻融破坏能力，综合耐久性也表现出了良好的优势，能适用于高原高寒等严酷环境下的需求，该设计方法简单有效，省时省力，可以获得抗冻次数大于600次的超高抗冻性能混凝土，为应用于高远高海拔地区混凝土提供设计基础。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括：

S1、将橡胶集料抽象成单一球型颗粒模型，以建立橡胶集料混凝土中，水在冻融条件下的迁移模型；

S2、基于迁移模型得到橡胶集料对应的体积掺量；

S3、基于连续堆积理论确定砂石集料的组成，根据骨料紧密堆积后的空隙率和骨料表面浆体厚度确定浆体体积；

S4、设置水胶比，并根据工作性能确定所需的减水剂用量，调整橡胶集料的间距及粒径，获得超高抗冻性能的橡胶集料混凝土。

2.如权利要求1所述的基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，其特征在于，在S1中，所述单一球型颗粒模型是将不同粒径的橡胶集料抽象成具有均一粒径的单一球形颗粒。

3.如权利要求1所述的基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，其特征在于，在S1中，所述迁移模型的建立被配置为包括：

S11、计算橡胶集料的颗粒间距系数L，其通过以下公式1以得到：

其中，γ＝水的表面张力，r＝弯曲液面的曲率半径，R＝橡胶集料的粒径，P_max为水泥基材料极限抗拉强度，L₁为孔溶液迁移距离，τ为孔隙壁的内摩擦应力，K为橡胶集料的弹性模量，L₀为静水压理论中的水的迁移距离，而L＝2L₁；

S12、基于颗粒间距系数L，计算在一方混凝土中橡胶集料的体积掺量V_RA，其通过以下公式2以得到：

其中，D为橡胶集料单一球形颗粒的直径。

4.如权利要求1所述的基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，其特征在于，在S3中，所述浆体体积的获得方式被配置为包括：

S31、砂石集料是根据现场的砂石集料，按紧密堆积理论对集料进行优化，进而确定砂石集料的组成，并结合《建筑用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)测得优化后的集料空隙率；

S32、根据《建筑用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)获得优化后的砂石集料粒度分布，找到中位径，结合骨料表面浆体厚度，确定比例系数k；

S33、基于绝对体积法和S31中获得的集料空隙率，获得骨料体积及浆体体积。

5.如权利要求4所述的基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，其特征在于，在S32中，比例系数k的获取方式被配置为包括：

S321、按照绝对体积法采用如下公式得到骨料表面的浆体体积V_P：

其中：D_i＝第i个骨料粒径；V_P＝骨料表面浆体体积；e_i＝骨料粒径为D_i的表面浆体厚度，N_i为D_i粒径下骨料颗粒个数；

S322、基于不同的骨料尺寸，其骨料表面浆体的厚度并不相同，但与骨料的尺寸成比例的原则，在原始骨料直径与含浆体骨料的总直径之间定义一个比例因子k，则有：

其中，D_M为骨料的中位径，e_M为中值粒径表面的浆体厚度，其值为10～20μm。

6.如权利要求1所述的基于抗冻机理的橡胶集料混凝土配合比设计方法，其特征在于，在S4中，所述水胶比是基于《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)以确定，同时确定胶凝材料和水的用量。

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