CN112380708B - 水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法 - Google Patents

水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水泥‑集料‑外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，该方法为：先设定目标透水混凝土的力学性能，再确定掺入外加剂类型及最佳水灰比，之后确定各粒径集料对应的最大水泥用量及一个与最大堆积密度有关的目标集料级配曲线，并根据该集料级配曲线确定加权水泥用量，即得到一种高强透水混凝土配方。与现有技术相比，本发明从填充理论和最大密度理论入手，基于高强改性透水水泥混凝土的拌和、压实和力学强度生成机理，通过对透水混凝土中改性水泥胶浆、水泥用量和集料级配三个方面的整体顺序协调优化设计，实现透水混凝土性力学性能显著增加，同时保证其透水性能，能够高效、快速地设计满足性能要求的重载交通用改性透水水泥混凝土。

Description

水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法
技术领域
本发明属于交通工程建筑材料制作技术领域，涉及一种简便实用的基于水泥-集料-外加剂协调优化的高强透水混凝土设计方法。
背景技术
透水水泥混凝土材料的多孔结构在赋予其优良生态功能性(透水、水净化、降温等)的同时也带来了结构方面的缺陷。多孔隙透水材料为骨架-空隙型混合料，其内部多为石-石点接触，点接触处主要由胶结料提供粘附力，并且接触面较小，造成其强度偏低，通常并不具有与传统混凝土相同的强度和耐久性，这极大地阻碍了其推广及应用，尤其是重载交通区域。
目前，透水水泥混凝土的设计规范中，大多数选择水灰比(W/C)作为其设计指标。研究表明，级配设计和灰集比是影响透水水泥混凝土孔隙率、力学强度的两个关键因素。也有研究表明，设计高强度透水混凝土时，灰集比(C/A)才是影响混凝土强度的最重要因素。
此外，除配合比设计和材料选择外，添加改性凝胶材料、外加剂、各类纤维材料也是提高透水水泥混凝土性能的主要途径。一些研究表明，纳米材料和相关纳米改性技术应用于透水混凝土时可以有效提高混凝土的强度，但此类纳米技术成本较高。出于环境保护及资源可持续的目的，各种粉末化的固体废弃物已应用于路面施工，细度为微米级别的硅灰、粉煤灰也已被证实对混凝土的力学性能和耐久性方面具有提升作用。
国内外很多学者已认识到现有透水水泥混凝土设计方法的不足，尝试对现有的基于水灰比的单粒径设计方法进行改进，以期得到高力学强度的透水水泥混凝土。集料的级配设计是最常见、实用，同时也是最有效的手段。水泥用量、水泥胶浆性能的优化也是科研工作者关注的重点。目前的研究更多的是关注单一材料的特性，很少从制备全过程角度对透水水泥混凝土材料进行协调设计和评价，进而最大限度地提升其力学性能。尤为重要的是，至今为止，并没有任何一种设计方法，考虑外加剂对设计过程的影响。
此外，在工程应用过程中，现有设计方法多关注原材料种类与用量，依据经验设计透水混凝土配合比，往往需要进行大量试配试验，以及较长的水泥养护周期。本发明在明晰透水混凝土中改性水泥胶浆-最佳灰集比-集料级配内在关联的基础之上，合理选择操作简便准确、实验周期短的实验，即能够实现透水混凝土性能的可控设计，可以确保透水水泥混凝土的高抗折性能，同时保证其透水性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，以简化改性透水水泥混凝土的设计过程，舍弃有关水泥混凝土28天养护的相关实验，以简便准确的水泥胶浆、集料室内实验提高设计效率，同时获得载重交通适用的透水水泥混凝土。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，该方法为：先设定目标透水混凝土所需达到的力学性能，再确定掺入外加剂的类型和复合掺杂方法及最佳水灰比，之后确定各单粒径集料对应的最大水泥用量及一个与最大堆积密度有关的目标集料级配曲线，并根据目标集料级配曲线确定加权水泥用量，即得到一种高强透水混凝土的配方。
进一步地，该方法包括以下步骤：
1)根据实际需求，设定目标透水混凝土所需达到的力学性能，同时保证透水性能；
2)掺入外加剂的类型和复合掺杂方法确定后，配制高黏、低塑类型的改性水泥胶浆试样，之后采用水泥胶浆流动度实验，通过控制流动度值，保证制备过程中改性水泥胶浆与集料的粘结效果，同时确定最佳水灰比；
3)在最佳水灰比下，通过改性透水混凝土离析实验(用压力机以5KN的力压实)，确定各粒径集料对应的最大水泥用量；
4)在集料处于饱和面干状态下，通过集料堆积密度试验，同时控制细集料、最大粗集料百分比和最大堆积密度，以拟定混合料的级配曲线；
5)根据集料级配曲线确定加权水泥用量，即得到一种高抗折、抗压强度透水水泥混合料的配方。
进一步地，步骤1)中，透水性能需要满足的条件为：透水系数≥0.5mm/s。
进一步地，步骤2)中，所述的外加剂为单一外加剂或复合外加剂，所述的外加剂的掺量为产品说明书的推荐掺量。同时应考虑改性水泥胶浆的流动度、塑性孔洞情况：流动度过小，以0.5wt％的比例减小用量；塑性孔洞大于0.3mm，以0.3wt％的比例减小用量。
进一步地，所述的单一外加剂包括超细硅灰或水泥增粘剂中的一种，所述的复合外加剂包括超细硅灰/水泥增粘剂、超细硅灰/水泥增粘剂/玄武岩纤维或聚羧酸减水剂/水泥增粘剂/玄武岩纤维中的一种。
进一步地，步骤2)中，通过对水灰比(W/C)和外加剂掺量的调整，配制流动度为205-220mm的改性水泥胶浆试样，并控制塑性孔洞小于0.3mm。
进一步地，步骤2)中，最佳水灰比需要满足的条件为：干硬性拌和式混合料中的集料表面水泥胶浆粗糙，呈凹凸不平状，晃动时会出现银灰色反光现象。
进一步地，当选用单一外加剂时，水灰比控制在0.28至0.31之间；当选用复合外加剂时，水灰比控制在0.31至0.34之间。由于掺加单一改性剂与复合改性剂对水泥胶浆流动性的影响有明显区别，改性机理不同且复合改性水泥胶浆的黏塑性能更加显著，而改性水泥胶浆的流动度指标是本发明顺序协调优化设计的三大控制指标之一，故配制单一改性和复合改性水泥胶浆时应略有区别。
进一步地，步骤3)中，各粒径集料对应的最大水泥用量需要满足的条件为：各粒径集料下，成型试件底部开始产生水泥胶浆离析现象。
最佳水灰比条件下，集料粒径不同，集料比表面积不同，所粘附的改性水泥胶浆含量也明显不同；通过透水混凝土离析实验，不仅可以确定各档粒径集料的最大水泥用量，而且可以确定水泥用量对其透水性能影响，尤其是确定2.36-4.75mm粒径水泥用量的影响，同时有利于控制混合料的透水系数。
进一步地，步骤4)中，集料的粒径范围为2.36-13.2mm，并且各粒径集料中，粒径为4.75mm以下的集料控制在30wt％以下，粒径为9.5mm以上的集料控制在15％以下，堆积密度范围为1.496-1.646kg/m3。
考虑到本发明是改性水泥胶浆、水泥用量和集料级配三个方面的整体顺序协调优化设计，且其核心指标就是集料的级配指标，因此从多角度对其进行控制，以保证透水水泥混凝土的力学性能和透水系数。
步骤5)中，通过集料级配曲线各粒径的百分比及其各自最大水泥用量，加权得到最终水泥用量。这里需要说明的是，可以通过减小最大水泥用量，提高混合料的透水系数。
本发明提供了一种简便实用的高强透水混凝土优化设计方法，通过综合考虑水泥、集料和外加剂在尺寸和粘结性能上的差异与联系，基于材料关于级配的多尺度填充密实效应，从纳米、微米和厘米尺度对水泥-集料-外加剂的干硬性体系进行协调优化。本发明一方面利用材料的多尺度填充密实效应，通过添加合适比例的惰性(未水化/部分水化)水泥颗粒、外加剂(3000目以上粉粒，或增黏、降塑液体)和细集料，提高水泥胶浆/砂浆自身与粗集料的粘结性能，进而提高其混合料的力学强度和耐久性；另一方面利用水泥-外加剂胶凝体系(改性水泥胶浆)的粘塑、流动特性，结合其混合料硬性拌和、流动压实特性，提高集料表面裹覆的水泥胶浆膜厚度，以增强混合料的力学强度和耐久性。本发明通过加权各档集料的最大水泥用量、外加剂掺量来调整改性水泥胶浆的流动度，通过调整9.5mm以上(即9.5-13.2mm)和4.75mm以下(即2.36-4.75mm)集料的百分比调整混合料的表观密度，简便实用地获得一种高强透水水泥混凝土。本发明涉及实验简单、准确及便捷，但是能够明显提高透水水泥混凝土的力学强度，使其28天抗压强度达到45MPa以上，抗折强度在4.0MPa以上。对透水混凝土在交通重载区域的应用及标准化生产有重要的理论指导意义和实用价值。
与现有技术相比，本发明能够高效、快速地设计满足性能要求的重载交通用的改性透水水泥混凝土，免去繁琐试配过程中的诸多不便，尤其避免了28天养护周期。本发明方法基于高强改性透水水泥混凝土的拌和、压实和力学强度生成机理，通过对透水混凝土中改性水泥胶浆、水泥用量和集料级配三个方面的整体顺序协调优化设计，实现透水混凝土性力学性能显著增加，同时保证其透水性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
设计一种抗压强度为40MPa的高强透水混凝土，具体设计过程为：
1)根据设计抗压强度(40MPa)及高强改性透水水泥混凝土的拌和、压实和力学强度生成机理，外加剂选择双掺的复合配方，确定为超细硅灰+水泥增粘剂(液体)。
2)根据产品说明书的推荐掺量，确定超细硅灰含量为水泥用量的7％，水泥增粘剂为水泥用量的3％。
3)结合表1，根据外加剂类型可知，水灰比推荐值为0.31-0.34。考虑到超细硅灰的高活性以及水泥增粘剂会消耗部分自由水基团，水灰比确定为0.32。
表1外加剂种类对应的推荐水灰比
外加剂类型 水灰比范围
单一外加剂 0.28-0.31
复合外加剂 0.31-0.34
4)配制改性水泥胶浆试样，检查其流动度是否位于205-220mm之间，并相应微调水灰比，确定最佳水灰比A。
5)结合表2，依据成型试件底部开始产生水泥胶浆离析现象，确定各粒径集料改性混合料的最大水泥用量，即最大灰集比值A(会略大于表2的推荐值)。
表2单一粒径集料非改性混合料的最佳灰集比范围
粒径大小(mm) 2.36-4.75 4.75-9.5 9.5-13.2
灰集比 0.26-0.28 0.23-0.25 0.16-0.18
6)集料的粒径范围为2.36-13.2mm，并且各粒径集料中，粒径为4.75mm以下的集料控制在30wt％以下，粒径为9.5mm以上的集料控制在15％以下，堆积密度范围为1.496-1.646kg/m3。结合表3，依据最大堆积密度，确定级配曲线A。
表3级配曲线
Figure BDA0002784888690000051
7)依据级配曲线(各粒径比例)，加权各粒径集料的最大水泥用量(见表2)，确定该级配曲线的最大水泥用量。
8)在最佳水灰比A下，拌和上述级配下的混合料，依据干硬性拌和式混合料中的集料表面水泥胶浆是否粗糙，略微凹凸不平，晃动时会出现银灰色反光现象，调整最佳水灰比，得到最佳水灰比B(一般，B大于A)。
9)混凝土的配合比设计为：级配曲线A，灰集比A，推荐掺量的外加剂和水灰比B。
结合《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)的制样和测试方法，常温养护下该混凝土材料的28天龄期抗压强度高达43MPa；结合《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T135-2009)的制样和测试方法，常温养护下该混凝土材料的透水系数远高于0.5mm/s。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，该方法为：先设定目标透水混凝土所需达到的力学性能，再确定掺入外加剂的类型和复合掺杂方法及最佳水灰比，之后确定各单粒径集料对应的最大水泥用量及一个与最大堆积密度有关的目标集料级配曲线，并根据目标集料级配曲线确定加权水泥用量，即得到一种高强透水混凝土的配方；
具体包括以下步骤：
1)根据实际需求，设定目标透水混凝土所需达到的力学性能，同时保证透水性能；
2)掺入外加剂的类型和复合掺杂方法确定后，配制高黏、低塑类型的改性水泥胶浆试样，之后采用水泥胶浆流动度实验，通过控制流动度值，保证制备过程中改性水泥胶浆与集料的粘结效果，同时确定最佳水灰比；
3)在最佳水灰比下，通过改性透水混凝土离析实验，确定各单粒径集料对应的最大水泥用量；
4)在集料处于饱和面干状态下，通过集料堆积密度试验，同时控制细集料、最大粗集料百分比和最大堆积密度，以拟定混合料的级配曲线；
5)根据集料级配曲线确定加权水泥用量，即得到一种高抗折、抗压强度透水水泥混合料的配方。
2.根据权利要求1所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，步骤1)中，透水性能需要满足的条件为：透水系数≥0.5mm/s。
3.根据权利要求1所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，步骤2)中，所述的外加剂为单一外加剂或复合外加剂，所述的外加剂掺量为产品说明书的推荐掺量。
4.根据权利要求3所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，所述的单一外加剂包括超细硅灰或水泥增粘剂中的一种，所述的复合外加剂包括超细硅灰/水泥增粘剂、超细硅灰/水泥增粘剂/玄武岩纤维或聚羧酸减水剂/水泥增粘剂/玄武岩纤维中的一种。
5.根据权利要求3所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，步骤2)中，通过对水灰比和外加剂掺量的调整，配制流动度为205-220mm的改性水泥胶浆试样，并控制塑性孔洞小于0.3mm。
6.根据权利要求3所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，步骤2)中，最佳水灰比需要满足的条件为：干硬性拌和式混合料中的集料表面水泥胶浆粗糙，呈凹凸不平状，晃动时会出现银灰色反光现象。
7.根据权利要求6所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，当选用单一外加剂时，水灰比控制在0.28至0.31之间；当选用复合外加剂时，水灰比控制在0.31至0.34之间。
8.根据权利要求1所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，步骤3)中，各单粒径集料对应的最大水泥用量需要满足的条件为：各粒径集料下，成型试件底部开始产生水泥胶浆离析现象。
9.根据权利要求1所述的水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法，其特征在于，步骤4)中，集料的粒径范围为2.36-13.2mm，并且各粒径集料中，粒径为4.75mm以下的集料控制在30wt％以下，粒径为9.5mm以上的集料控制在15％以下，堆积密度范围为1.496-1.646kg/m3。
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