CN112687358A - 一种将钢纤维纳入uhpfrc的颗粒堆积模型的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法：设计钢纤维等效粒径实验测试组UHPC基体；通过筛分砂砾得到多组不同粒径分布的等效替代颗粒；在UHPC基体搅拌过程中分别加入等效替代颗粒，并测量基体湿堆积密实度；在UHPC基体搅拌过程中加入相同体积分数的钢纤维，并测量基体湿堆积密实度；根据湿堆积密实度结果，找出与加入钢纤维的基体湿堆积密实度最接近的等效替代颗粒组，将该组等效替代颗粒的粒径均值作为钢纤维的等效粒径；将钢纤维以等效粒径形式模型设计UHPFRC的配合比并进行制备。可以将钢纤维纳入紧密堆积模型设计UHFRC，该方法设计的UHPFRC具有更加致密的体系，实现了非常优异的性能。
Description
技术领域
本发明涉及超高性能混凝土领域，尤其涉及一种将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法。
背景技术
超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)是近二十年来发展迅速的一种新型水泥基复合材料，利用颗粒的最紧密堆积原理实现了超凡的机械性能与耐久性能。其中颗粒的紧密堆积是实现UHPFRC优异性能的关键，因此UHPFRC设计时通常剔除粗骨料，利用骨料与胶凝材料颗粒以最佳比例形成最紧密堆积设计基体，再按照经验掺入钢纤维。然而由于设计时钢纤维未纳入颗粒紧密堆积模型，直接导致了钢纤维对UHPFRC颗粒堆积体系的破坏与扰乱，使得UHPFRC的性能下降。因此，将钢纤维纳入紧密堆积体系对UHPFRC的设计与制备有显著意义。
事实上，已有学者尝试将钢纤维纳入紧密堆积模型以设计普通混凝土，也取得了一定进展。Yu，et al.(1993、1996)提出了“纤维等效堆积粒径”概念，根据非球形颗粒与球形颗粒的堆积方式类似，在不改变堆积密实度的条件下推导了纤维等效堆积粒径的计算模型，Hoy，et al.(1998)将利用Yu的“纤维等效堆积粒径”模型应用于预测自密实混凝土的堆积密实度，并指出该模型具有较大局限性，对于钢纤维用量限制较大，一旦钢纤维超过一定的限值，该模型将不再适用。究其原因，该模型是在干堆积的条件下建立，而实际上混凝土是在湿裹状态下完成颗粒堆积，同时伴随着水膜包裹，水化反应，团聚效应，纤维搭接等现象，使得该堆积不仅仅是单纯的数学物理堆积过程。而进一步地，超高性能纤维增强混凝土是一种新型水泥基复合材料，具有胶凝材料种类多且用量大，水胶比低等特点，其湿裹浆体状态比普通混凝土更加复杂，使得该钢纤维等效模型更加不适用于UHPFRC体系。
因此，在湿裹状态下分析堆积密实度情况以建立钢纤维的等效堆积直径，是目前进一步优化钢纤维纳入紧密堆积模型进行UHPFRC的设计的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，以克服上述现有技术中的不足。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，包括如下步骤：
S1、利用MATLAB软件与改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型设计钢纤维等效粒径实验测试组UHPC基体；
S2、通过筛分砂砾得到多组不同粒径分布的等效替代颗粒，并以取各组粒径均值作为等效粒径；
S3、在UHPC基体搅拌过程中分别加入等效替代颗粒，并测量基体湿堆积密实度；
S4、在UHPC基体搅拌过程中加入相同体积分数的钢纤维，并测量基体湿堆积密实度；
S5、根据S3、S4湿堆积密实度结果，找出与加入钢纤维的基体湿堆积密实度最接近的等效替代颗粒组，将该组等效替代颗粒的粒径均值作为钢纤维的等效粒径；
S6、将钢纤维以等效粒径的形式纳入改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型，利用MATLAB进行模型计算，得到UHPFRC的配合比并进行制备。
在上述方案中，步骤S1中，等效粒径实验测试组UHPC基体按照重量百分比包括以下组分：水泥28％～34％、硅灰4％～6％、石灰石粉10％～15％、细砂14％～20％、中砂10％～16％、粗砂12％～20％、减水剂1％～2％，上述组分和为100％，用水量由水固比确定。
在上述方案中，水泥为普通硅酸盐52.5水泥；
所使用的砂为经过筛分的普通河砂，细砂粒径在0mm～1.25mm，中砂粒径在1.25mm～2.36mm，粗砂粒径在2.36mm～5mm；
所用的钢纤维为普通长直镀铜钢纤维，直径为0.03mm～0.2mm，长度为5mm～25mm；
减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为20％。
在上述方案中，步骤S2中，通过筛分砂砾得到粒径分布2mm～3mm、3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～8mm五组等效替代颗粒，并以取各组粒径均值作为等效粒径。
在上述方案中，步骤S3、S4中的基体湿堆积密实度实验方法，包括以下步骤：
S10、预设一个较低的水固比，并根据该水胶比以及设计配合比称量相应的粉料、砂、水和减水剂装入不同容器备用；
S20、将粉料预搅拌，再加入砂预搅拌，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，成浆后缓慢均匀加入等效替代颗粒或者钢纤维；
S30、将浆体分别装入多个开口容器中，并分别在振动台上振动，沿容器开口边缘抹平溢出的浆体，称量容器内浆体质量M，分别编号为M1、M2……Mn，此时取算术平均值
S40、当M1、M2……Mn波动较大时应重新实验，即重复步骤S10、S20、S30；
S50、堆积密实度ψ按照下式计算：
式中：ρw表示水的密度，Rw表示水体积与总固体体积比值，ρs表示砂的表观密度，Rs表示砂体积与总固体体积比值，ρx表示胶凝材料x的表观密度，Rx表示胶凝材料x体积与总固体体积比值，x表示胶凝材料水泥、硅灰、粉煤灰等；
S60、按更高的水固比重复上述S10、S20、S30、S40、S50，分别测出容器内浆体质量，直至出现最大浆体质量
此时ψmax作为该组配合比的湿堆积密实度。
在上述方案中，步骤S1、S6中所述的改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型如下：
式中：P(D)表示混合体系中颗粒尺寸小于D的组份总百分比，D表示粒度尺寸，Dmax表示体系中最大颗粒尺寸，Dmin表示体系中最小颗粒尺寸，q为分配系数。
在上述方案中，步骤S6中UHPFRC制备方法如下：首先按照质量比称取胶凝材料置于搅拌设备中预搅拌，再加入河砂预搅拌，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，最后缓慢均匀加入钢纤维，并倒入模具成型。
本发明的技术方案具有如下有益效果：可将钢纤维纳入颗粒紧密堆积模型以设计UHPFRC，解决了钢纤维对UHPFRC堆积体系的破坏与扰乱问题，设计的UHPFRC具有更高的密实程度与非常优异的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例钢纤维等效粒径实验测试组UHPC基体配合比颗粒堆积图；
图2为本发明实施例实验加入钢纤维组湿堆积密实度与替代颗粒组湿堆积密实度；
图3为本发明实施例钢纤维纳入紧密堆积模型设计UHPFRC的配合比颗粒堆积图；
图4为本发明实施例和对比例的湿堆积密实度；
图5为本发明实施例的1d，7d，28d的抗压强度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，包括如下步骤：
利用MATLAB软件与改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型设计钢纤维等效粒径实验测试组UHPC基体，图1为纤维等效粒径实验测试组UHPC基体配合比颗粒堆积图，根据模型计算，实验测试组UHPC按照重量百分比包括以下组分：水泥32.3％、硅灰5.4％、石灰石粉11.9％、细砂19.4％、中砂10.3％、粗砂19.2％、减水剂1.5％，水固比0.065-0.1。
水泥为普通硅酸盐52.5水泥；砂为筛分的普通河砂，细砂粒径分布为0-1.25mm，中砂粒径分布为1.25-2.36mm，粗砂粒径分布为2.36-5mm；减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为20％；
通过筛分砂砾得到粒径分布2mm～3mm、3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～8mm五组等效替代颗粒，等效直径取其粒径均值，依次为2.48mm、3.61mm、4.57mm、5.63mm、7.18mm；
在UHPC基体搅拌过程中分别加入五种等效替代颗粒，体积分数为2％并测量其湿堆积密实度。
在UHPC基体搅拌过程中加入体积分数为2％的钢纤维，并测量其湿堆积密实度；
湿堆积密实度测试方法步骤如下：
1)预设一个较低的水固比，并根据该水胶比以及设计配合比称量相应的粉料、砂、水和减水剂装入不同容器备用；
2)将粉料加入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中预搅拌60s，再加入砂预搅60s，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，成浆后缓慢均匀加入等效替代颗粒或者钢纤维；
3)将浆体分别装入三个220ml的柱状体口杯中，并分别在振动台上振动30s，沿杯口边缘用平直刮刀抹平溢出杯口的浆体，称量口杯内浆体质量M，分别编号为M1、M2、M3，此时取算术平均值
4)堆积密实度ψ按照下式计算：
式中：ρw表示水的密度，Rw表示水体积与总固体体积比值(水固比)，ρs表示砂的表观密度，Rs表示砂体积与总固体体积比值，ρx表示胶凝材料x的表观密度，Rx表示胶凝材料x体积与总固体体积比值，x表示胶凝材料水泥、硅灰、粉煤灰等；
5)按更高的水固比重复上述步骤1)、2)、3)、4)，分别测出其口杯内浆体质量，直至出现最大浆体质量，此时作为该组配合比的湿堆积密实度；
钢纤维为普通圆直钢纤维，直径0.2mm，长度13mm；
根据湿堆积密实度结果，找出与加入钢纤维的基体湿堆积密实度最接近的等效替代颗粒组，将该组等效替代颗粒的粒径均值作为钢纤维的等效直径。湿堆积密实度结果如图2所示，从图2可以看出，5mm～6mm替代颗粒组湿堆积密实度与钢纤维组最接近，由此确定钢纤维等效直径为5.63mm；
将钢纤维以5.63mm的等效颗粒直径纳入改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型，利用MATLAB进行模型计算；
图3为发明实施例钢纤维纳入紧密堆积模型设计UHPFRC的配合比颗粒堆积图，根据上述设计的UHPFRC的配合比如下：
UHPFRC按照重量百分比包括以下组分：水泥28.2％,硅灰4.1％,石灰石粉10.2％，细砂14.6％，中砂15.2％，粗砂12.3％，钢纤维6.4％，水7.8％，减水剂1.3％。
水泥为普通硅酸盐52.5水泥，砂为筛分的普通河砂，细砂粒径分布为0～1.25mm，中砂粒径分布为1.25mm～2.36mm，粗砂粒径分布为2.36mm～6mm，减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为20％；
本实例还提供该UHPFRC的制备方法，首先按照质量比称取胶凝材料置于搅拌锅预搅拌60s，再加入河砂预搅拌60s，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，最后缓慢均匀加入钢纤维，并倒入模具成型。
为评价本实例制备的UHPFRC的性能，本实例通过改变纤维用量作为对比例，具体配合比如表1所示：
表1单位(kg/m3)
按照表1所述配合比，进行湿堆积密实度测试，实验结果如图4所示，结果表明，实施例将钢纤维作为一种颗粒纳入紧密堆积模型，使得钢纤维对体系的干扰与破坏最小，使得其具有最高的密实度；而其他对比例组由于钢纤维是直接按体积比掺入，未将钢纤维作为替代颗粒纳入体系，因此带来了对堆积体系的破坏与干扰，使得密实度相对较小。
将实例配合比按照以下步骤进行UHPFRC的制备：首先按照质量比称取胶凝材料置于搅拌锅预搅拌60s，再加入河砂预搅拌60s，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，最后缓慢均匀加入钢纤维，并倒入模具成型。
分别在标准养护室(温度(20±2)℃，湿度95％)养护1d，7d，28d，之后进行抗压强度测试。结果显示，该方法设计制备的UHPFRC具有优异的力学性能，1d强度达116.2MPa，7d强度达127MPa，28d强度可达170.5MPa，如图5所示。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用MATLAB软件与改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型设计钢纤维等效粒径实验测试组UHPC基体；
S2、通过筛分砂砾得到多组不同粒径分布的等效替代颗粒，并以取各组粒径均值作为等效粒径；
S3、在UHPC基体搅拌过程中分别加入等效替代颗粒，并测量基体湿堆积密实度；
S4、在UHPC基体搅拌过程中加入相同体积分数的钢纤维，并测量基体湿堆积密实度；
S5、根据S3、S4湿堆积密实度结果，找出与加入钢纤维的基体湿堆积密实度最接近的等效替代颗粒组，将该组等效替代颗粒的粒径均值作为钢纤维的等效粒径；
S6、将钢纤维以等效粒径的形式纳入改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型，利用MATLAB进行模型计算，得到UHPFRC的配合比并进行制备。
2.根据权利要求1所述将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，步骤S1中，等效粒径实验测试组UHPC基体按照重量百分比包括以下组分：水泥28％～34％、硅灰4％～6％、石灰石粉10％～15％、细砂14％～20％、中砂10％～16％、粗砂12％～20％、减水剂1％～2％，上述组分和为100％，用水量由水固比确定。
3.根据权利要求2所述将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，水泥为普通硅酸盐52.5水泥；
所使用的砂为经过筛分的普通河砂，细砂粒径在0mm～1.25mm，中砂粒径在1.25mm～2.36mm，粗砂粒径在2.36mm～5mm；
所用的钢纤维为普通长直镀铜钢纤维，直径为0.03mm～0.2mm，长度为5mm～25mm；
减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为20％。
4.根据权利要求1所述将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，步骤S2中，通过筛分砂砾得到粒径分布2mm～3mm、3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～8mm五组等效替代颗粒，并以取各组粒径均值作为等效粒径。
5.根据权利要求1所述将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，步骤S3、S4中的基体湿堆积密实度实验方法，包括以下步骤：
S10、预设一个较低的水固比，并根据该水胶比以及设计配合比称量相应的粉料、砂、水和减水剂装入不同容器备用；
S20、将粉料预搅拌，再加入砂预搅拌，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，成浆后缓慢均匀加入等效替代颗粒或者钢纤维；
S30、将浆体分别装入多个开口容器中，并分别在振动台上振动，沿容器开口边缘抹平溢出的浆体，称量容器内浆体质量M，分别编号为M1、M2……Mn，此时取算术平均值
S40、当M1、M2……Mn波动较大时应重新实验，即重复步骤S10、S20、S30；
S50、堆积密实度ψ按照下式计算：
式中：ρw表示水的密度，Rw表示水体积与总固体体积比值，ρs表示砂的表观密度，Rs表示砂体积与总固体体积比值，ρx表示胶凝材料x的表观密度，Rx表示胶凝材料x体积与总固体体积比值，x表示胶凝材料水泥、硅灰、粉煤灰等；
S60、按更高的水固比重复上述S10、S20、S30、S40、S50，分别测出容器内浆体质量，直至出现最大浆体质量
此时ψmax作为该组配合比的湿堆积密实度。
6.根据权利要求1所述将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，步骤S1、S6中所述的改良的安德森和安德烈森颗粒堆积模型如下：
式中：P(D)表示混合体系中颗粒尺寸小于D的组份总百分比，D表示粒度尺寸，Dmax表示体系中最大颗粒尺寸，Dmin表示体系中最小颗粒尺寸，q为分配系数。
7.根据权利要求1所述将钢纤维纳入UHPFRC的颗粒堆积模型的设计方法，其特征在于，步骤S6中UHPFRC制备方法如下：首先按照质量比称取胶凝材料置于搅拌设备中预搅拌，再加入河砂预搅拌，之后加入水和减水剂搅拌至成浆，最后缓慢均匀加入钢纤维，并倒入模具成型。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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