CN112329326B - 基于修正cpm模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法 - Google Patents

基于修正cpm模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，首先，提出CPM模型修正形式，计算再生骨料与胶凝材料以不同比例混合后的堆积密实度，确定混凝土砂率及胶骨比；其次，根据设计强度及鲍罗米公式确定有效水胶比，采用体积法得到混凝土初步计算配合比；再次，根据混凝土设计要求及服役环境确定阻锈剂用量；最后，根据混凝土试配情况对配合比作出调整。本发明结合采用了堆积模型与阻锈剂，提高了海洋工程再生混凝土致密程度，延缓了钢筋脱钝锈蚀进程。

Description

基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法
技术领域
本发明涉及建筑固体废弃物在海洋工程中资源化利用领域，具体涉及一种基于修正 CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法。
背景技术
近年来在建设海洋强国背景下，我国海洋空间的开发利用进入了新高潮，大规模沿海或海岛基础设施正在建设中。混凝土作为主要建筑材料，需求量十分巨大，这会加速天然砂石资源消耗速率。若能以建筑固体废弃物为原料，破碎处理成再生粗细骨料用于混凝土浇筑，就能缓解天然砂石资源紧缺的态势。而且建筑固体废弃物易于就地采集，这有利于缩短工期，降低造价。与此类似，海洋工程因具有地域特殊性，若采用天然海水作为混凝土拌合用水，就能进一步提高工程就地取材率，还能有效节约淡水资源。
然而再生粗骨料与再生细骨料表面有老砂浆附着，会对混凝土力学性能与耐久性能产生显著不利影响。海工再生混凝土在恶劣的海洋环境中服役，会受到海浪、海风、盐雾等多种环境因素作用，若采用天然海水作为拌合用水，还会引入大量有害化学物质，促进膨胀性水化产物形成，加速钢筋锈蚀。因此，将常规的配合比设计方法应用于海工再生混凝土很难满足设计要求，应该有针对性地对配合比设计流程作出改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有混凝土设计的局限性，基于堆积模型及沉淀膜型阻锈剂防护提供一种科学实用的海洋工程再生混凝土配合比设计方法。
本发明具体采用下述技术方案实现：
一种基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，步骤如下：
(1)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料以不同比例混合后得到的混合料I的堆积密实度，根据峰值位置确定混凝土体积砂率；
(2)根据混凝土设计要求确定胶凝材料组成，即水泥及矿物掺合料的比例；
(3)在体积砂率既定的前提下，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料以不同体积比例混合后得到的混合料II的堆积密实度，根据峰值位置确定混凝土的胶骨体积比(即胶凝材料与再生粗细骨料的体积比)；
(4)计算再生混凝土配制强度，利用鲍罗米公式确定有效水胶比(即在不计再生粗细骨料吸收的水分时，混凝土中拌合用水与胶凝材料的质量比)；
(5)利用体积法确定混凝土的初步计算配合比，即再生粗骨料用量、再生细骨料用量、胶凝材料用量以及拌合用水量，根据再生粗细骨料吸水特性确定附加用水量；
(6)根据混凝土设计要求及服役环境确定阻锈剂用量；
(7)根据混凝土的初步计算配合比进行试配，基于流动性要求确定减水剂用量，基于力学及耐久性要求，允许对有效水胶比、胶凝材料组成、阻锈剂用量作出适当调整。
上述技术方案中，进一步地，步骤(1)以及步骤(3)中所述修正CPM模型待求量分别为混合料I和混合料II的实际堆积密实度Ф，按照下式计算，修正CPM模型相较于常规 CPM模型的差异关键在于压实系数K取值：
Figure GDA0003460111410000021
Figure GDA0003460111410000022
βti——以第i个粒级为主导时混合料的虚拟堆积密实度；
βi——第i个粒级的剩余堆积密实度；
ri——第i个粒级占所有颗粒的体积比例，
Figure GDA0003460111410000023
aij——第i个与第j个粒级间的松动效应系数，
Figure GDA0003460111410000024
bij——第i个与第j个粒级间的附壁效应系数，bij＝1-(1-di/dj)1.50；
di——第i个粒级的特征粒径，
Figure GDA0003460111410000025
其中dimax为第i个粒级的上限粒径，dimin为第i个粒级的下限粒径；
K——混合料的压实系数，压实系数K与外界提供给混合料的压实能量相关，在干燥状态下对混合料进行振捣，按照GB/T14685-2011《建筑用卵石碎石》第7.13.2.3节振捣混合料，K＝9.0-6.2rC，其中rC为胶凝材料颗粒占所有颗粒的体积比例。
再生粗骨料、再生细骨料、胶凝材料等各类颗粒通常涵盖多个粒级，彼此会存在交叠，存在交叠的粒级的剩余堆积密实度βi按照下式计算：
Figure GDA0003460111410000031
Rk——第k类颗粒占所有颗粒的体积比例，
Figure GDA0003460111410000032
rik——第k类颗粒中第i个粒级占该类颗粒的体积比例，
Figure GDA0003460111410000033
βik——第k类颗粒中第i个粒级的剩余堆积密实度，假设β1k＝β2k＝…＝βnk＝βk，要求得βk值，须通过堆积试验得到各类颗粒的实际堆积密实度Φk，代入修正CPM模型反算。
进一步地，步骤(4)中所述再生混凝土配制强度fcu,h＝fcu,k+Δf+1.645σ，其中fcu,k为强度标准值，Δf为配制强度调整系数，σ为强度标准差，设置配制强度调整系数是因为，再生粗细骨料物理性能与天然粗细骨料差异较大，会对混凝土力学性能产生显著不利影响，为弥合这种差异建议配制强度调整系数取值为15MPa～20MPa。
进一步地，步骤(5)中所述鲍罗米公式经验系数取值建议与碎石混凝土相等，即为αa＝0.53，αb＝0.20，或通过试验数据拟合确定。
进一步地，步骤(5)中所述附加用水量为再生粗骨料与再生细骨料2h吸水量，这是因为再生混凝土浇筑成型后在2h内再生粗细骨料基本能完成吸水过程。
进一步地，步骤(6)中所述阻锈剂选择沉淀膜型阻锈剂五水偏硅酸钠，以内掺方式拌入混凝土中，以质量计无水偏硅酸钠用量为胶凝材料用量的2.0％～3.0％。
进一步地，步骤(7)中所述力学及耐久性要求，主要关注混凝土抗压强度以及混凝土内部钢筋锈蚀情况，钢筋锈蚀情况采用半电池电位法、交流阻抗法、线性极化法等方法检测，采用腐蚀电位、腐蚀电流、极化电阻等电化学参数表征。
进一步地，所述的拌合用水可采用天然海水，原材料就地取用率就能达到65％～75％，具有良好生态效益与经济效益，且得到的再生混凝土具有良好的阻锈效果。
本发明中，所述水泥可以采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等，所述矿物掺合料可以采用粉煤灰、矿渣粉、微硅粉、沸石粉、偏高岭土等，所述减水剂可以采用聚羧酸减水剂、木质素减水剂、萘系减水剂、树脂系减水剂、脂肪族减水剂等。
本发明的发明原理为：
首先，采用颗粒堆积模型，即可在已知粗细骨料甚至胶凝材料基本物理性能的前提下，通过计算得到它们以不同体积比例混合后的堆积密实度，以此优化颗粒组成，提高混凝土的致密程度。在诸多颗粒堆积模型当中，可压缩堆积模型(简称CPM模型)考虑因素较多，计算精度较高，因此本发明选定CPM模型，作出必要修正，将其推广应用到了海工再生混凝土配合比设计中，使得确定砂率与胶骨比的过程更为科学合理。
其次，在混凝土中掺加适量阻锈剂，能起到延缓钢筋脱钝锈蚀的作用。根据成膜机理，阻锈剂可分为氧化膜型、沉淀膜型、吸附膜型等数种，本发明选定沉淀膜型阻锈剂五水偏硅酸钠应用于海工再生混凝土，能使得钢筋表面被离子反应产生的沉淀物覆盖，从而与孔溶液中自由氯离子等腐蚀介质隔离，抑制电化学腐蚀的发生，而且几乎不会对海工再生混凝土的抗压强度、抗折强度、孔隙率等宏微观性能指标产生负面影响。
相较于现有技术，本发明具有下述有益效果：
本发明通过系数修正，将常规CPM模型推广应用到了再生骨料与胶凝材料颗粒的堆积密实度预测中，以此优化了海工再生混凝土的颗粒组成，使得确定砂率与胶骨比的过程更有理论依据。修正CPM模型能提高海工再生混凝土致密程度，从而切实改善力学性能，弥补再生骨料物理性能较差的缺陷。本发明采用五水偏硅酸钠作为阻锈剂，于拌合过程中掺加到海工再生混凝土内，使得钢筋脱钝锈蚀得以延迟，混凝土劣化进程得以减缓。本发明中的拌合用水可采用天然海水，得到的再生混凝土具有良好的阻锈效果，能使钢筋在氯盐、硫酸盐等有害物质浓度较高的环境中不发生脱钝锈蚀。本发明的配合比设计方法步骤清晰，符合工程实际，有利于推进海洋建筑工程行业可持续发展。
附图说明
图1为实施例1再生粗骨料与再生细骨料堆积密实度计算值；
图2为实施例1再生粗细骨料与胶凝材料堆积密实度计算值；
图3为实施例3再生粗骨料与再生细骨料堆积密实度计算值；
图4为实施例3再生粗细骨料与胶凝材料堆积密实度计算值；
图5为实施例1至实施例4海工再生混凝土内部钢筋腐蚀电位值。
具体实施方式
为更透彻地理解本发明，结合实施例进行阐释，混凝土原材料性能如下所述：
再生粗骨料I由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2280kg/m3，紧堆密度为1250kg/m3， 2h吸水率为2.58％，最大粒径为31.5mm，粒度分布情况如下表所示：
Figure GDA0003460111410000041
再生粗骨料II由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2290kg/m3，紧堆密度为1280kg/m3，2h吸水率为3.04％，最大粒径为31.5mm，粒度分布情况如下表所示：
Figure GDA0003460111410000051
再生细骨料I由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2060kg/m3，紧堆密度为1220kg/m3， 2h吸水率为8.13％，细度模数2.9，粒度分布情况如下表所示：
Figure GDA0003460111410000052
再生细骨料II由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2090kg/m3，紧堆密度为1240kg/m3， 2h吸水率为7.32％，细度模数2.7，粒度分布情况如下表所示：
Figure GDA0003460111410000053
海水采用人工配制，在淡水中溶解NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2、KCl，浓度分别为23.0g/L、6.2g/L、3.7g/L、1.1g/L、1.0g/L，总盐度为3.50％。
基准水泥表观密度为3150kg/m3，紧堆密度为1230g/m3，粒度分布情况如下表所示：
Figure GDA0003460111410000054
矿渣粉表观密度为2900kg/m3，紧堆密度为1015g/m3，粒度分布情况如下表所示：
Figure GDA0003460111410000055
聚羧酸减水剂减水率在25～35％范围内，含固量为40％。
实施例1
本实施例采用再生粗骨料I与再生细骨料I配制海工再生混凝土，胶凝材料由基准水泥与矿渣粉组成，拌合用水为淡水，要求坍落度达到150mm，强度达到C40等级。
(1)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料的堆积密实度，如图1所示，再生细骨料体积比例44.8％时取到峰值0.698，即混凝土体积砂率取为44.8％。
(2)确定胶凝材料组成，以体积计基准水泥占80％，矿渣粉占20％。
(3)体积砂率保持44.8％不变，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料的堆积密实度，如图2所示，胶凝材料体积比例17.8％时取到峰值0.755，即混凝土胶骨体积比取为0.217。
(4)确定再生混凝土配制强度fcu,h＝fcu,k+Δf+1.645σ＝40+15+1.645×5＝63.2MPa，鲍罗米公式经验系数取为αa＝0.53，αb＝0.20，以质量计混凝土有效水胶比取为0.382。
(5)利用体积法确定初步计算配合比，含气量取为1.0％，单位体积混凝土中再生粗骨料用量为846.7kg/m3，再生细骨料用量为620.7kg/m3，基准水泥用量为366.3kg/m3，矿渣粉用量为84.2kg/m3，拌合用水量为172.0kg/m3。
(6)根据再生粗骨料与再生细骨料2h吸水率，单位体积再生混凝土附加用水量为846.7×2.58％+620.7×8.13％＝72.3kg/m3，总用水量为244.3kg/m3。
(7)确定阻锈剂用量，因为拌合用水为有害化学物质浓度极低的淡水，因此以质量计阻锈剂用量取为胶凝材料用量2.0％，单位体积混凝土用量为9.0kg/m3。
(8)根据初步计算配合比进行试配，以质量计聚羧酸减水剂掺量取为胶凝材料0.80％，单位体积混凝土聚羧酸减水剂掺量为3.6kg/m3，此时拌合物坍落度达到170mm。
根据上述分析计算，再生混凝土配合比如下表所示：
Figure GDA0003460111410000061
制备100mm×100mm×100mm立方体试件，拆模后在标准环境下养护，并利用压力机检测混凝土力学性能，发现3d龄期、7d龄期、28d龄期抗压强度分别达到22.5MPa、32.3MPa、46.0MPa，28d龄期劈裂抗拉强度达到3.46MPa。
实施例2
在实施例1基础上，将拌合用水由淡水改为海水，相应地五水偏硅酸钠阻锈剂用量由 2.0％增至3.0％，其他参数不变。此时混凝土坍落度达到160mm，3d、7d、28d龄期抗压强度分别达到25.4MPa、34.7MPa、45.1MPa，28d龄期劈裂抗拉强度达到3.24MPa。
实施例3
本实施例采用再生粗骨料II与再生细骨料II配制海工再生混凝土，胶凝材料由基准水泥与矿渣粉组成，拌合用水为淡水，要求坍落度达到150mm，强度达到C30等级。
(1)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料的堆积密实度，如图3所示，再生细骨料体积比例42.9％时取到峰值0.707，即混凝土体积砂率取为42.9％。
(2)确定胶凝材料组成，以体积计基准水泥占80％，矿渣粉占20％。
(3)体积砂率保持42.9％不变，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料的堆积密实度，如图4所示，胶凝材料体积比例17.0％时取到峰值0.760，即混凝土胶骨体积比取为0.205。
(4)确定再生混凝土配制强度fcu,h＝fcu,k+Δf+1.645σ＝30+15+1.645×5＝53.2MPa，鲍罗米公式经验系数取为αa＝0.53，αb＝0.20，以质量计混凝土有效水胶比取为0.447。
(5)利用体积法确定初步计算配合比，含气量取为1.0％，单位体积混凝土中再生粗骨料用量为869.3kg/m3，再生细骨料用量为596.6kg/m3，基准水泥用量为343.2kg/m3，矿渣粉用量为79.0kg/m3，拌合用水量为188.7kg/m3。
(6)根据再生粗骨料与再生细骨料2h吸水率，单位体积再生混凝土附加用水量为869.3×3.04％+596.6×7.32％＝70.1kg/m3，总用水量为258.8kg/m3。
(7)确定阻锈剂用量，因为拌合用水为有害化学物质浓度极低的淡水，因此以质量计阻锈剂用量取为胶凝材料用量2.0％，单位体积混凝土用量为8.4kg/m3。
(8)根据初步计算配合比进行试配，以质量计聚羧酸减水剂掺量取为胶凝材料0.80％，单位体积混凝土聚羧酸减水剂掺量为3.4kg/m3，此时拌合物坍落度达到190mm。
根据上述分析计算，再生混凝土配合比如下表所示：
Figure GDA0003460111410000071
制备100mm×100mm×100mm立方体试件，拆模后在标准环境下养护，并利用压力机检测混凝土力学性能，发现3d龄期、7d龄期、28d龄期抗压强度分别达到17.3MPa、25.8MPa、37.5MPa，28d龄期劈裂抗拉强度达到2.95MPa。
实施例4
在实施例1基础上，将拌合用水由淡水改为海水，相应地五水偏硅酸钠阻锈剂用量由 2.0％增至3.0％，其他参数不变。此时混凝土坍落度达到180mm，3d、7d、28d龄期抗压强度分别达到20.4MPa、28.1MPa、37.7MPa，28d龄期劈裂抗拉强度达到2.76MPa。
实施例1至实施例4海工再生混凝土另行制备100mm×100mm×100mm立方体试件，在试件内部插入经过除锈处理的钢筋电极。拆模后在标准环境下养护，启用电化学工作站，定期检测钢筋的腐蚀电位，采用半电池电位法来判断钢筋腐蚀情况。检测结果如图5所示，实施例1与实施例3采用淡水拌和，钢筋腐蚀电位高于-200mV，实施例2与实施例4采用海水拌和，钢筋腐蚀电位稳定在-250mV左右，这表明采用本发明方法设计得到的再生混凝土具有良好的阻锈效果，能使钢筋在氯盐、硫酸盐等有害物质浓度较高的环境中不发生脱钝锈蚀。
由此可见采用本发明配合比设计方法制备的海洋工程再生混凝土具有良好力学性能及耐久性能，而且由于再生粗骨料与再生细骨料取代率为100％，拌合用水允许采用天然海水，原材料就地取用率就能达到65％～75％，具有良好生态效益与经济效益。
以上所述仅为较为理想的实施例，本发明并不局限于此，在本发明的精神及权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改与等同替换，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料以不同比例混合后得到的混合料I的堆积密实度，根据峰值位置确定混凝土体积砂率；
(2)根据混凝土设计要求确定胶凝材料组成，即水泥及矿物掺合料的比例；
(3)在体积砂率既定的前提下，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料以不同体积比例混合后得到的混合料II的堆积密实度，根据峰值位置确定混凝土的胶骨体积比；
(4)计算再生混凝土配制强度，利用鲍罗米公式确定有效水胶比；
(5)利用体积法确定混凝土的初步计算配合比，即再生粗骨料用量、再生细骨料用量、胶凝材料用量以及拌合用水量，根据再生粗细骨料吸水特性确定附加用水量；
(6)根据混凝土设计要求及服役环境确定阻锈剂用量；
(7)根据混凝土的初步计算配合比进行试配，基于流动性要求确定减水剂用量，基于力学及耐久性要求，对有效水胶比、胶凝材料组成或阻锈剂用量作出调整；
基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法步骤(1)以及步骤(3)所述修正CPM模型待求量分别为混合料I和混合料II的实际堆积密实度Ф，按照下式计算：
Figure FDA0003460111400000011
Figure FDA0003460111400000012
βti——以第i个粒级为主导时混合料的虚拟堆积密实度；
βi——第i个粒级的剩余堆积密实度；
ri——第i个粒级占所有颗粒的体积比例，
Figure FDA0003460111400000013
aij——第i个与第j个粒级间的松动效应系数，
Figure FDA0003460111400000014
bij——第i个与第j个粒级间的附壁效应系数，bij＝1-(1-di/dj)1.50；
di——第i个粒级的特征粒径，
Figure FDA0003460111400000015
其中dimax为第i个粒级的上限粒径，dimin为第i个粒级的下限粒径；
K——混合料的压实系数，K＝9.0-6.2rc，其中rC为胶凝材料颗粒占所有颗粒的体积比例；
再生粗骨料、再生细骨料、胶凝材料这些颗粒涵盖多个粒级，彼此会存在交叠，存在交叠的粒级的剩余堆积密实度βi按照下式计算：
Figure FDA0003460111400000021
Rk——第k类颗粒占所有颗粒的体积比例，
Figure FDA0003460111400000022
rik——第k类颗粒中第i个粒级占该类颗粒的体积比例，
Figure FDA0003460111400000023
βik——第k类颗粒中第i个粒级的剩余堆积密实度，假设β1k＝β2k＝…＝βnk＝βk，要求得βk值，须通过堆积试验得到各类颗粒的实际堆积密实度Φk，代入修正CPM模型反算。
2.根据权利要求1所述的基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，其特征在于，步骤(4)所述再生混凝土配制强度fcu,h＝fcu,k+Δf+1.645σ，其中fcu,k为强度标准值，Δf为配制强度调整系数，σ为强度标准差，取值为15MPa～20MPa。
3.根据权利要求1所述的基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，其特征在于，步骤(4 )所述鲍罗米公式经验系数取值与碎石混凝土相等，或通过试验数据拟合确定。
4.根据权利要求1所述的基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，其特征在于，步骤(5)所述附加用水量为再生粗骨料与再生细骨料2h吸水量。
5.根据权利要求1所述的基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，其特征在于，步骤(6)所述阻锈剂选择沉淀膜型阻锈剂五水偏硅酸钠，以内掺方式拌入混凝土中，以质量计无水偏硅酸钠的用量为胶凝材料质量的2.0％～3.0％。
6.根据权利要求1所述的基于修正CPM模型及阻锈剂的海工再生砼配比设计方法，其特征在于，步骤(7)所述力学及耐久性要求，需关注混凝土抗压强度以及混凝土内部钢筋锈蚀情况。
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