CN112142398A - 基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法 - Google Patents

基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，包括步骤：1)测定配比原材料的性能；2)获取机制砂和粗骨料的球体类似度，计算粒形函数；3)根据机制砂和粗骨料的粒形函数确定单位体积混凝土中组分间的体积分数关系；4)根据设计强度计算水胶比；5)确定石粉用水量；6)根据单位体积混凝土中组分间关系确定各组分质量；7)根据工作性要求调整外加剂用量；8)根据强度调整粉煤灰掺量，重复过程5)～8)，直至满足强度要求。与现有技术相比，本发明具有方法简单明确、省时省力、具有较好的坍落度、扩展度和粘聚性等优点。

Description

基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法。
背景技术
自密实混凝土拌合物由于具有较高的流动性并在混凝土的浇筑过程中不会发生离析、泌水，能够在不经过振捣的情况下完全依靠自身重力作用实现密实填充的特点，已在我国大量基础建设和民用建设中得到广泛应用。随着河砂资源的匮乏以及混凝土可持续发展认识的逐步提高，机制砂逐步替代河砂成为混凝土可持续发展的必然趋势。因由机械破碎而成，机制砂具有无规则的颗粒形状，且含有大量的石粉(粒径<75μm)，这些特征使得机制砂自密实混凝土的性能受机制砂特征的影响尤为显著，与河砂混凝土相比，机制砂混凝土易泌水、离析且粘度较大。
骨料粒形对自密实混凝土工作性影响显著，但已有的自密实混凝土配合比设计方法均没有考虑骨料粒形的影响。此外，石粉存在于机制砂中，砂率的变化意味着混凝土中石粉掺量的变化，也即为拌合物中浆体含量的变化，因此机制砂自密实混凝土配合比更为复杂。实际工程中，机制砂自密实混凝土配合比设计主要以经验为依据，所需配合比往往需要经过大量的试验工作方能获取，耗时耗力。因此，提出基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，以指导制备性能优异的混凝土重要而迫切。
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提供一种基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，该方法无需大量实际试验即可成功配比出符合要求的机制砂自密实混凝土，方法简单明确、省时省力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，该方法具体包括如下步骤：
S1：测定配比原材料的性能，包括水泥表观密度、粉煤灰表观密度、石粉表观密度、机制砂颗粒的表观密度、机制砂颗粒的堆积密度、粗骨料的表观密度、粗骨料的堆积密度以及机制砂中的石粉含量。
S2：测定机制砂的球体类似度和粗骨料的球体类似度，并计算机制砂和粗骨料的粒形函数。
机制砂的球体类似度与粗骨料的球体类似度的获取过程包括：
a)利用相机从多个方向对机制砂颗、粗骨科进行拍照，获取机制砂颗粒、粗骨科的各方向的数码影像；
b)对数码影像进行预处理为二维影像；
c)获取同一机制砂颗粒、同一粗骨科在各方向二维影像中的圆形度，根据各方向的圆形度获取该机制砂颗粒、粗骨科的球体类似度。
球体类似度Q的计算公式为：
Figure BDA0002666667490000024
式中：Q为球体类似度，∑Y为同一机制砂颗粒或粗骨科的n个投影方向的圆形度总和，n为空间投影方向总数。Y为机制砂颗粒或粗骨科的圆形度，其为机制砂颗粒或粗骨科的投影面积与其最小外接圆面积之比，其计算公式为：
Figure BDA0002666667490000021
L＝D
式中：G是机制砂颗粒或粗骨科的投影面积，S为投影机制砂颗粒或粗骨科的最小外接圆面积，L为投影机制砂颗粒或粗骨科的最大粒径，D为投影机制砂颗粒或粗骨科的最小外接圆直径。
机制砂的粒形函数fMS和和粗骨料的粒形函数fG的计算式为：
Figure BDA0002666667490000022
Figure BDA0002666667490000023
式中，QMS为机制砂的球体类似度，QG为粗骨料的球体类似度。
S3：根据机制砂和粗骨料的粒形函数确定单位体积混凝土中组分间的体积分数关系。
单位体积混凝土中组分间的体积分数关系的表达式为：
Figure BDA0002666667490000031
Figure BDA0002666667490000032
式中，Vpaste为单位体积混凝土中浆体体积；Vmortar为单位体积混凝土中砂浆体积；VMS为单位体积混凝土中机制砂体积；VG为单位体积混凝土中碎石体积；
Figure BDA0002666667490000033
为机制砂的堆积空隙率，其值等于1-ρB,MS/ρA,MS；ρA,MS和ρB,MS分别为机制砂颗粒的表观密度和堆积密度；
Figure BDA0002666667490000034
为粗骨料的堆积空隙率，其值等于1-ρB,G/ρA,G；ρA,G和ρB,G分别为粗骨料的表观密度和堆积密度。
S4：设定粉煤灰参量，根据设计强度计算水胶比。
水胶比
Figure BDA0002666667490000035
的计算式为：
Figure BDA0002666667490000036
式中：fce为水泥砂浆28d强度标准值；fcu,0为混凝土设计强度；γ为粉煤灰的胶凝系数；β为设定的胶凝材料中粉煤灰掺量。
S5：测定水泥-粉煤灰复合胶凝材料在步骤S4得到的水胶比下的流动度，确定具有相同流动度的石粉用水量。
S6：根据单位体积混凝土中组分间关系确定单位体积混凝土中机制砂的质量、单位体积混凝土中水泥的质量、单位体积混凝土中粉煤灰的质量和单位体积混凝土用水量。具体地：
61)获取单位体积混凝土中各组分与粗骨科的质量之间的关系；
各组分与粗骨科的质量之间的关系包括：
Figure BDA0002666667490000037
Figure BDA0002666667490000038
Figure BDA0002666667490000039
Figure BDA00026666674900000310
式中：MMS为单位体积混凝土中机制砂的质量；Mc为单位体积混凝土中水泥的质量；MFA为单位体积混凝土中粉煤灰的质量；MW为单位体积混凝土用水量；ρW为水的密度，β为步骤4)中设定的胶凝材料中粉煤灰掺量，fce为水泥砂浆28d强度标准值；fcu,0为混凝土设计强度；γ为粉煤灰的胶凝系数；ρC为水泥表观密度，ρFA为粉煤灰表观密度，ρSP为石粉表观密度，ρA,MS和ρB,MS分别为机制砂颗粒的表观密度和堆积密度；ρA,G和ρB,G分别为粗骨料的表观密度和堆积密度。
62)求解粗骨科的质量，根据步骤61)的关系计算单位体积混凝土中各组分的质量。粗骨科的质量按下式求解：
Figure BDA0002666667490000041
S7：根据工作性要求调整外加剂用量。
S8：根据强度要求调整粉煤灰掺量，重复步骤S5～S8，直至满足强度要求，完成最终配合比。具体地：
所述的强度要求为实际混凝土抗压强度大于设计强度，且富余量不超过15％。若实际混凝土抗压强度富余15％以上，则提高粉煤灰掺量；若实际混凝土抗压强度小于设计强度，则降低粉煤灰掺量；调整粉煤灰掺量后重复步骤S5～S8，直至满足强度要求。
本发明提供的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
一、本发明方法在不同层次明确机制砂自密实混凝土各组分作用，基于骨料粒形原理，即通过对无规则骨料弥补一定的悬浮介质以提供其自由旋转的空间对机制砂自密实混凝土进行配合比设计，无需大量实际试验即可成功配比出符合要求的机制砂自密实混凝土，方法简单明确、省时省力；
二、利用球体类似度这一指标更好表征机制砂实际颗粒形貌，可快速、有效评价颗粒球体类似度，避免因指标参数过多带来的不便；
三、采用本发明方法配制出的机制砂自密实混凝土具有较好的坍落度、扩展度和粘聚性。
附图说明
图1为混凝土组成与骨料球化体系示意图；
图2为实施例中基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法的流程示意图。
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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，本发明方法的基本原理在于：在不同层次分析混凝土组成，机制砂自密实混凝土拌合物可看作由粗骨料悬浮于砂浆悬浮介质中的悬浮液；砂浆用于填充粗骨料的堆积空隙并“球化”无规则形状的粗骨料，砂浆可以看作机制砂颗粒(>75μm)悬浮于由胶凝材料、石粉和水组成的浆体介质中的悬浮液；浆体用于填充机制砂颗粒的堆积空隙并“球化”机制砂颗粒。上述“球化”即通过对无规则骨料弥补一定的悬浮介质以提供其自由旋转的空间。本发明方法中将石粉看作浆体组成但不作为胶凝材料。
具体地，如图2所示，本发明基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法具体步骤如下：
步骤一、测定原材料性能：水泥表观密度ρc、粉煤灰表观密度ρFA、石粉表观密度ρsP、机制砂颗粒的表观密度ρA,MS和堆积密度ρB,MS、粗骨料的表观密度ρA,G和堆积密度ρB,G、机制砂中石粉含量α；
步骤二、测试机制砂的球体类似度QMS和粗骨料的球体类似度QG，并计算机制砂和粗骨料的粒形函数。
机制砂的球体类似度QMS和粗骨料的球体类似度QG的获取过程为：
使用数码相机从多个方向对机制砂颗、粗骨科进行拍照，并获取机制砂颗粒、粗骨科的各方向的数码影像。然后对数码影像进行预处理，将数码影像处理为二维影像；随后获取同一机制砂颗粒、同一粗骨科在各方向二维影像中的圆形度，并根据各方向的圆形度获取该机制砂颗粒、粗骨科的球体类似度。
球体类似度Q的计算公式为：
Figure BDA0002666667490000051
其中，Q为球体类似度，∑Y为同一机制砂颗粒或粗骨科的n个投影方向的圆形度总和，n为空间投影方向总数。Y为机制砂颗粒或粗骨科的圆形度，其为机制砂颗粒或粗骨科的投影面积与其最小外接圆面积之比，公式为：
Figure BDA0002666667490000061
L＝D (3)
其中，G是机制砂颗粒或粗骨科的投影面积，S为投影机制砂颗粒或粗骨科的最小外接圆面积，L为投影机制砂颗粒或粗骨科的最大粒径，D为投影机制砂颗粒或粗骨科的最小外接圆直径。
根据上述过程获取机制砂的球体类似度QMS和粗骨料的球体类似度QG后，计算机制砂的粒形函数fMS和粗骨料的粒形函数fG，计算式如下：
Figure BDA0002666667490000062
Figure BDA0002666667490000063
步骤三、根据机制砂和骨料的粒形函数确定单位体积混凝土中组分间的体积分数关系：
Figure BDA0002666667490000064
Figure BDA0002666667490000065
式中：
Vpaste—单位体积混凝土中浆体体积；
Vmortar—单位体积混凝土中砂浆体积；
VMS—单位体积混凝土中机制砂的体积，m3；
VG—单位体积混凝土中碎石的体积，m3；
Figure BDA0002666667490000066
—机制砂的堆积空隙率，等于1-ρB,MS/ρA,MS；
Figure BDA0002666667490000067
—粗骨料的堆积空隙率，等于1-ρB,G/ρA,G；
上述两个关系式为“对无规则骨料弥补一定的悬浮介质以提供其自由旋转的空间”的数学表达式，即通过机制砂的堆积空隙率和球体类似度确定浆体体积、通过粗骨料的堆积空隙率和球体类似度确定砂浆的体积。
步骤四、设定胶凝材料中粉煤灰掺量β为20％，根据设计强度计算水胶比
Figure BDA0002666667490000068
Figure BDA0002666667490000069
式中：
fce—水泥砂浆28d强度标准值；
fcu,0—混凝土设计强度；
γ—粉煤灰的胶凝系数，为0.4。
步骤五、测定水泥-粉煤灰复合胶凝材料在上述水胶比下的流动度，确定具有相同流动度的石粉用水量MW,SP。
步骤六、设定单位体积混凝土中粗骨料的质量为x kg，通过下式分别将各组分表达为x的函数。
Figure BDA0002666667490000071
Figure BDA0002666667490000072
Figure BDA0002666667490000073
Figure BDA0002666667490000074
式中：
MMS—单位体积混凝土中机制砂的质量，kg；
Mc—单位体积混凝土中水泥的质量，kg；
MFA—单位体积混凝土中粉煤灰的质量，kg；
MW—单位体积混凝土用水量，kg；
ρW—水的密度，取1000kg/m3。
步骤七、根据下式求解未知数x，进而根据式(9)-(12)分别计算单位体积混凝土中各组分质量。
Figure BDA0002666667490000075
式中：
MG—单位体积混凝土中粗骨料质量，kg，等于x。
步骤八、根据工作性要求调整外加剂用量。
本步骤工作性根据实际的设计需求而定，通常可采用：调整外加剂用量，使混凝土拌合物的坍落扩展度大于550mm，坍落度大于240mm。
步骤九、根据强度要求调整粉煤灰掺量。本实施例设定的强度要求为实际强度大于设计强度但富余量不超过15％。若混凝土抗压强度富余15％以上，则提高粉煤灰掺量；若强度小于设计强度，则降低粉煤灰掺量；调整粉煤灰掺量后重复步骤六～步骤九，直至满足强度要求。
按照上述方法流程，本实施例实现了一种用于桥梁索塔结构的C60机制砂自密实混凝土，其中水泥为P.O 42.5水泥，28d抗压强度为45MPa，表观密度为3150kg/m3；粉煤灰表观密度为2300kg/m3；机制砂为石灰石机制砂，其中石粉含量为15％，机制砂颗粒表观密度为2820kg/m3，堆积密度为1950kg/m3，石粉表观密度为2850kg/m3；粗骨料表观密度为2800kg/m3，堆积密度1710kg/m3；机制砂颗粒和粗骨料的球体类似度分别为0.60和0.64。本实施例得到的C60机制砂自密实混凝土配合比如表1所示。
表1 C60机制砂自密实混凝土配合比
Figure BDA0002666667490000081
对上述用于桥梁索塔结构的C60机制砂自密实混凝土测试工作性和强度，如表2所示，各组配合比得到的混凝土粘聚性均良好。
表2 C60机制砂自密实混凝土测试性能
Figure BDA0002666667490000082
本发明方法在不同层次明确机制砂自密实混凝土各组分作用，基于骨料粒形原理，即通过对无规则骨料弥补一定的悬浮介质以提供其自由旋转的空间对机制砂自密实混凝土进行配合比设计，无需大量实际试验即可成功配比出符合要求的机制砂自密实混凝土，方法简单明确、省时省力；配制出的机制砂自密实混凝土具有较好的坍落度、扩展度和粘聚性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)测定配比原材料的性能，包括水泥表观密度、粉煤灰表观密度、石粉表观密度、机制砂颗粒的表观密度、机制砂颗粒的堆积密度、粗骨料的表观密度、粗骨料的堆积密度以及机制砂中的石粉含量；
2)测定机制砂的球体类似度和粗骨料的球体类似度，并计算机制砂和粗骨料的粒形函数；
3)根据机制砂和粗骨料的粒形函数确定单位体积混凝土中组分间的体积分数关系；
4)设定粉煤灰参量，根据设计强度计算水胶比；
5)测定水泥-粉煤灰复合胶凝材料在步骤4)得到的水胶比下的流动度，确定具有相同流动度的石粉用水量；
6)根据单位体积混凝土中组分间关系确定单位体积混凝土中机制砂的质量、单位体积混凝土中水泥的质量、单位体积混凝土中粉煤灰的质量和单位体积混凝土用水量；
7)根据工作性要求调整外加剂用量；
8)根据强度要求调整粉煤灰掺量，重复步骤5)～8)，直至满足强度要求，完成最终配合比。
2.根据权利要求1所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤2)中，机制砂的粒形函数fMS和和粗骨料的粒形函数fG的计算式为：
Figure FDA0002666667480000011
Figure FDA0002666667480000012
式中，QMS为机制砂的球体类似度，QG为粗骨料的球体类似度。
3.根据权利要求1所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤3)中，单位体积混凝土中组分间的体积分数关系的表达式为：
Figure FDA0002666667480000021
Figure FDA0002666667480000022
式中，Vpaste为单位体积混凝土中浆体体积；Vmortar为单位体积混凝土中砂浆体积；VMS为单位体积混凝土中机制砂体积；VG为单位体积混凝土中碎石体积；
Figure FDA0002666667480000023
为机制砂的堆积空隙率，其值等于1-ρB，MS/ρA，MS；ρA，MS和ρB，MS分别为机制砂颗粒的表观密度和堆积密度；
Figure FDA0002666667480000024
为粗骨料的堆积空隙率，其值等于1-ρB，G/ρA，G；ρA，G和ρB，G分别为粗骨料的表观密度和堆积密度。
4.根据权利要求1所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤4)中，水胶比
Figure FDA0002666667480000025
的计算式为：
Figure FDA0002666667480000026
式中，fce为水泥砂浆28d强度标准值；fcu，0为混凝土设计强度；γ为粉煤灰的胶凝系数；β为设定的胶凝材料中粉煤灰掺量。
5.根据权利要求1所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤6)具体包括以下步骤：
61)获取单位体积混凝土中各组分与粗骨科的质量之间的关系；
62)求解粗骨科的质量，根据步骤61)的关系计算单位体积混凝土中各组分的质量。
6.根据权利要求5所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，各组分与粗骨科的质量之间的关系包括：
Figure FDA0002666667480000027
Figure FDA0002666667480000028
Figure FDA0002666667480000029
Figure FDA00026666674800000210
式中，MMS为单位体积混凝土中机制砂的质量；Mc为单位体积混凝土中水泥的质量；MFA为单位体积混凝土中粉煤灰的质量；MW为单位体积混凝土用水量；ρW为水的密度，α为机制砂中石粉含量，β为步骤4)中设定的胶凝材料中粉煤灰掺量，fce为水泥砂浆28d强度标准值；fcu，0为混凝土设计强度；γ为粉煤灰的胶凝系数；ρC为水泥表观密度，ρFA为粉煤灰表观密度，ρSP为石粉表观密度，ρA，MS和ρB，MS分别为机制砂颗粒的表观密度和堆积密度；ρA，G和ρa，G分别为粗骨料的表观密度和堆积密度。
7.根据权利要求6所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤62)中，粗骨科的质量按下式求解：
Figure FDA0002666667480000031
式中，MG为单位体积混凝土中粗骨料质量。
8.根据权利要求1所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤2)中，机制砂的球体类似度与粗骨料的球体类似度的获取过程包括下列步骤：
a)利用相机从多个方向对机制砂颗、粗骨科进行拍照，获取机制砂颗粒、粗骨科的各方向的数码影像；
b)对数码影像进行预处理为二维影像；
c)获取同一机制砂颗粒、同一粗骨科在各方向二维影像中的圆形度，根据各方向的圆形度获取该机制砂颗粒、粗骨科的球体类似度。
9.根据权利要求1所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，步骤8)中，所述的强度要求为实际混凝土抗压强度大于设计强度，且富余量不超过15％。
10.根据权利要求9所述的基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法，其特征在于，若实际混凝土抗压强度富余15％以上，则提高粉煤灰掺量；若实际混凝土抗压强度小于设计强度，则降低粉煤灰掺量；调整粉煤灰掺量后重复步骤5)～8)，直至满足强度要求。
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