CN112851222A - 一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土配合比设计方法，具体为基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法。该方法（1）根据设计强度等级计算并选择初步水胶比，结合外加剂的复配调整，配制出符合要求的浆体；（2）并根据机制砂拨开系数，计算不同体积比的浆体及机制砂组成胶砂体系，检测不同体积比胶砂的工作性能，根据工作性能变化趋势选择最优体积比的胶砂体系；（3）根据碎石拨开系数，计算不同体积比的胶砂及碎石组成的不同配合比，检测不同体积比胶砂及碎石组成的混凝土的工作性能，选取工作性能符合要求的配合比，并对力学性能及耐久性能进行验证，最终选定配合比。采用本方法在满足工作性能前提下，最大限度的保证了混凝土的体积稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及自密实混凝土配合比设计方法，具体为一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法。
背景技术
对于自密实混凝土配合比设计，目前基本还是依据经验以及参考以往类似的工程。在现行的国家及行业标准中对自密实混凝土设计方法虽有提及，但仅仅是给出了浆体体积、骨料体积、胶凝材料用量等几项指标的限值范围，并无一套成系统的配合比设计方法。并且对于机制砂自密实混凝土，目前国内未见应用于工程的实例，参考以往的自密实混凝土配合比数据设计出的配合比的各项性能指标并不能满足要求。
发明内容
本发明的目的是使用机制砂进行自密实混凝土配合比设计，为机制砂自密实混凝土配合比设计提供理论及数据支持。因此制定了“一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法”，为机制砂自密实混凝土配合比设计提供理论及数据支持。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：(1)根据设计强度等级计算并选择初步水胶比，结合外加剂的复配调整，配制出符合要求的浆体；(2)根据机制砂拨开系数，计算不同体积比的浆体及机制砂组成胶砂体系，检测不同体积比胶砂的工作性能，根据工作性能变化趋势选择最优体积比的胶砂体系；(3)根据碎石拨开系数，计算不同体积比的胶砂及碎石组成的不同配合比，检测不同体积比胶砂及碎石组成的混凝土的工作性能，选取工作性能符合要求的配合比，并对力学性能及耐久性能进行验证，最终选定配合比。
上述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，步骤2中先结合机制砂饱和面干吸水率对水胶比进行修正，然后再根据机制砂拨开系数，计算不同体积比的浆体及机制砂组成胶砂体系，检测不同体积比胶砂的工作性能，根据工作性能变化趋势选择最优体积比的胶砂体系。由于机制砂吸水率的影响，如果直接把浆体与机制砂混合搅拌，机制砂必定会从将体中吸取一定量的水，这便会使得浆体体系遭到破坏，导致其流动性能不能得到最大发挥。因此，使用干砂时，应计算额外增加水量。
上述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，步骤3中在计算不同体积比的胶砂及碎石组成的不同配合比的同时结合粗骨料比表面积及单位面积吸附浆体量，对胶砂体系中的浆体体积进行修正。将胶砂与石子混合拌制时，需要一部分浆体润泽石子表面，这部分浆体便会吸附包裹在石子表面。而吸附包裹石子表面的浆体需要从胶砂中“夺取”，这便会导致胶砂体系遭到破坏。为避免胶砂体系遭到破坏，使其最佳性能得到充分发挥，便需要额外增加石子表面吸附包裹所需要的浆体量。
上述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，步骤2中机制砂为饱和面干机制砂时，不需要对水胶比进行修正。
本发明适用于机制砂自密实混凝土配合比设计，拓展了机制砂的应用范围。采用本发明方法进行机制砂自密实混凝土配合比设计，可得出最优的浆体、骨料用量，在满足工作性能前提下，最大限度的保证了混凝土的体积稳定性能。
附图说明
图1为浆体体积与扩展度关系曲线图。
图2为浆体体积与稠度关系曲线图。
图3为浆体体积与保水率关系曲线图。
图4为胶砂体积与扩展度关系曲线图。
图5为胶砂体积与T500关系曲线图。
图6为胶砂体积与V漏斗通过时间关系曲线图。
图7为胶砂体积与J环障碍高差的关系图。
图8为胶砂体积与L型仪充填比的关系图。
具体实施方式
本发明所述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法。作为一种具体、科学系统的配合比设计方法，本发明包括：制定了浆体性能指标的要求；配合比设计及计算步骤。
(1)水胶比计算及初步水胶比的选定：
首先依据《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283-2012计算混凝土理论水胶比。
式中：mb—每立方米混凝土中胶凝材料的质量(kg)；
mw—每立方米混凝土中用水的质量(kg)；
fce—水泥的28d实测抗压强度(MPa)；当水泥28d抗压强度未能进行实测时，可采用水泥强度等级对应值乘以1.1得到的数值作为水泥抗压强度值；
γ—矿物掺合料的胶凝系数；粉煤灰(β≤0.3)可取0.4、矿渣粉(β≤0.4)可取0.9。
其中已知：
水泥28d强度49.6MPa，即fce＝49.6MPa；
矿渣粉掺量10％，粉煤灰掺量30％；
fcu，0＝fcu，k+1.645σ＝40+1.645×5＝48.2MPa；
矿渣粉影响系数为(1-β+β·γ)＝1-0.1+0.1×0.9＝0.99；
粉煤灰影响系数为(1-β+β·γ)＝1-0.3+0.3×0.4＝0.82；
将以上各值代入水胶比计算公式计算，所得结果如下：
由计算可得混凝土理论水胶比为0.342，考虑到机制砂吸水率的影响，在拌制混凝土时，并非所有用水量均与胶凝材料混合形成浆体，而是有部分水被骨料吸收。
因此，结合机制砂吸水率结果初步拟定浆体水胶比≤0.32。
(2)结合外加剂的复配及调整，拌制浆体并检测浆体性能指标，直至浆体性能满足表1的要求。
表1浆体性能指标要求
| 序号 | 检测项目 | 指标要求 | 备注 |
| 1 | 流动度(s) | 20±5 | / |
| 2 | 24h自由泌水率(％) | 0 | / |
| 3 | 粘度(mPa·s) | 3500-4500 | / |
| 4 | 浆体稳定度(％) | ≤3.0％ | / |
(3)胶砂体系的确定：
浆体体系确定后，将浆体作为一个整体，通过研究不同比例的浆体与机制砂拌制砂浆的性能指标，进一步确定最优的胶砂体系。
由于机制砂吸水率的影响，如果直接把浆体与机制砂混合搅拌，机制砂必定会从将体中吸取一定量的水，这便会使得浆体体系遭到破坏，导致其流动性能不能得到最大发挥。因此，为避免机制砂吸水率造成的影响，在拌制胶砂时应采用饱和面干状态的机制砂，使用干砂时，应计算额外增加水量。
a、首先测得浆体密度为1.88g/cm3；并测得机制砂堆积密度、表观密度、空隙率及吸水率如表2所示：
表2机制砂各项指标检测结果
b、各材料用量的计算及胶砂制备：
由表2可知机制砂空隙率为41％，由此根据细骨料的拨开系数便可计算所需浆体的用量。以0.05逐级递增拨开系数，计算所得浆体以及机制砂的体积比如表3所示：
表3浆体与机制砂体积比
对于不同性能指标检测时所需胶砂的量也不相同，在此以1L胶砂为例计算胶砂各材料用量。
对于1#胶砂：需要浆体451mL；机制砂549cm3。
浆体质量：mj＝451×1.88＝847.9g；
根据确定的浆体体系中各组分的比例便可计算得到所需各材料的质量，减水剂计算值修约至0.01g，其余材料计算值修约至0.1g；
机制砂质量：ms＝549×2.69＝1476.8g；
额外加水量(用于消除机制砂吸水率的影响)：mew＝1476.8×0.7％＝10.3g。
至此，制备胶砂所有材料用量均已确定，使用相应精度的天平称量各材料，并使用胶砂搅拌机进行搅拌，制备胶砂。
c、对各胶砂工作性进行检测对比，测定1#-10#胶砂的稠度、扩展度及保水率，检测结果如表4所示，并绘制工作性能变化趋势图，如图1、图2、图3所示。
表4不同体积比下胶砂的工作性能结果
由检测结果及关系曲线可知，当浆体体积占比在53.3％以下时，随着浆体体积的增加，胶砂的扩展度、稠度大幅增加，即胶砂流动性大幅增加；浆体体积占比超过53.3％时，随着浆体量的增加，流动性增加幅度明显变缓。
因此选取的最优浆体体积比主要参考其对流动性能的影响，综合考虑经济性及体积稳定性，选定浆体体积占比53.3％，即砂拨开系数为1.30时的胶砂体系为最优流动体系。
对机制砂吸水进行修正，则浆体体积占比53.7％，水胶比0.332；计算最优流动体系的各组分组成如下：胶凝材料总量758kg/m3；用水量252kg/m3；机制砂1245kg/m3。
(4)理论配合比选定：
胶砂体系确定后，只需再确定石子的用量，便可得到理论配合比。把胶砂体系作为一个整体看待，采用不同体积比例的胶砂与石子进行拌制混凝土，测试不同混凝土的各项性能指标，通过比选最终选定配合比。
将胶砂与石子混合拌制时，需要一部分浆体润泽石子表面，这部分浆体便会吸附包裹在石子表面。而吸附包裹石子表面的浆体需要从胶砂中“夺取”，这便会导致胶砂体系遭到破坏。为避免胶砂体系遭到破坏，使其最佳性能得到充分发挥，便需要额外增加石子表面吸附包裹所需要的浆体量。
a、各材料用量的计算
采用体积法计算。首先测得胶砂体系的表观密度为2.24g/cm3；
测得碎石堆积密度、表观密度、空隙率、比表面积及单位面积的吸附浆体量如表5所示：
表5碎石各项指标检测结果
| 序号 | 检测项目 | 检测结果 | 备注 |
| 1 | 堆积密度(g/cm<sup>3</sup>) | 1.51 | / |
| 2 | 表观密度(g/cm<sup>3</sup>) | 2.70 | / |
| 3 | 空隙率(％) | 44 | / |
| 4 | 比表面积(10<sup>-3</sup>㎡/kg) | 410.2 | / |
| 5 | 单位面积吸附浆体量(g/㎡) | 316.0 |
体积比的确定：
由表5知碎石空隙率为44％，由此根据粗骨料的拨开系数便可计算所需胶砂的体积。以0.05逐级递增拨开系数，计算所得胶砂以及碎石的体积比如表6所示：
表6胶砂与碎石体积比
以1#配合比为示例，计算1m3混凝土各材料用量。
将混凝土含气量视作胶砂体系的一部分，忽略加入碎石后对含气量的影响；因此需要计算的材料用量包括三部分：一是胶砂用量、二是碎石用量、三是额外增加浆体量(用于润泽、包裹碎石)。
具体计算步骤如下：
对于1#配合比，由表6可知，1m3混凝土中胶砂体积为506L；碎石体积为0.494m3。
已知胶砂表观密度为2240kg/m3；碎石表观密度为2700kg/m3。
由此可计算得到胶砂质量：m1＝2240×0.506＝1133kg；
碎石质量：m2＝2700×0.494＝1334kg；
碎石总表面积为：S＝1334×410.2×10-3＝547.2㎡；
额外增加浆体量(用于消除碎石吸附浆体的影响)：
m3＝547.2×316.0×10-3＝173kg。
计算得到此三部分质量后，根据已确定的胶砂体系中各组分的比例便可计算得到1m3各原材料的质量。需要注意的是额外增加浆体各组分计算时应按照胶砂体系所确定的水胶比以及外加剂掺量计算。
同理，计算2#至12#配合比各原材料用量，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080-2016规范中要求拌制混凝土，每盘拌制不少于20L。
b、工作性能检测
检测不同配合比的坍落度、扩展度、扩展时间(T500)、V漏斗试验，来分析对比胶砂及碎石不同体积比情况下，对混凝土流动性能的影响。检测结果如表7所示。并绘制流动性能的变化趋势图，如图4、图5、图6所示。
检测不同配合比的J环障碍高差、L型仪充填比，来分析对比胶砂及碎石不同体积比情况下，对混凝土间隙通过性能的影响。检测结果如表8所示。并绘制间隙通过性能的变化趋势图，如图7、图8所示。
表7混凝土流动性能检测结果
表8混凝土间隙通过性能检测结果
c、配合比选定及容重校正
由检测结果及关系曲线可知，随着胶砂体积的增加，混凝土流间隙通过性随之增加，当胶砂体积占比达到63.8％时(即7#配合比)，混凝土间隙通过性指标已满足自密实混凝土要求。
结合混凝土流动性能及间隙通过性能的检测结果，可以选定7#、8#、9#配合比进行力学及耐久性能的验证，综合各项性能的检测结果以及经济性指标便可选定最终配合比。
按照体积比对配合比单方用量进行计算，具体的理论配合比如下：
表9混凝土理论配合比(校正容重前)
7#、8#、9#配合比的实测容重分别为2400kg/m3、2390kg/m3、2380kg/m3，校正后的理论配合比如下表所示：
表10混凝土理论配合比(校正容重后)
d、对工作性能符合要求的7#、8#、9#配合比，进行力学性能、耐久性能以及体积稳定性能进行验证。检测混凝土的抗压强度、电通量、收缩率。
根据验证结果选定配合比。当原材料比较稳定，浇筑部位为形状简单、配筋较少的一般结构物时，可选用7#配合比；而对于8#及9#配合比，对原材料的波动相对比较包容，有一定的富裕系数，同时流动性能和间隙通过性能明显优于7#配合比，因此适用于配筋较多、形状复杂的结构或有较高混凝土外观性能要求的结构。
Claims (4)
1.一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）根据设计强度等级计算并选择初步水胶比，结合外加剂的复配调整，配制出符合要求的浆体；（2）根据机制砂拨开系数，计算不同体积比的浆体及机制砂组成胶砂体系，检测不同体积比胶砂的工作性能，根据工作性能变化趋势选择最优体积比的胶砂体系；（3）根据碎石拨开系数，计算不同体积比的胶砂及碎石组成的不同配合比，检测不同体积比胶砂及碎石组成的混凝土的工作性能，选取工作性能符合要求的配合比，并对力学性能及耐久性能进行验证，最终选定配合比。
2.根据权利要求1所述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：步骤2中先结合机制砂饱和面干吸水率对水胶比进行修正，然后再根据机制砂拨开系数，计算不同体积比的浆体及机制砂组成胶砂体系，检测不同体积比胶砂的工作性能，根据工作性能变化趋势选择最优体积比的胶砂体系。
3.根据权利要求2所述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：步骤3中在计算不同体积比的胶砂及碎石组成的不同配合比的同时结合粗骨料比表面积及单位面积吸附浆体量，对胶砂体系中的浆体体积进行修正。
4.根据权利要求2所述的一种基于建立最优流动体系的机制砂自密实混凝土配合比设计方法，其特征在于：步骤2中机制砂为饱和面干机制砂时，不需要对水胶比进行修正。
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