CN113111490B - 一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法。该方法包括：基于颗粒堆积模型得到各种原材料的最优级配曲线；选取一个配合比，将各种原材料在混凝土中的质量含量换算为百分比；选择一组混凝土配方，获得相应的抗压强度测试值；根据最优级配曲线确定上述混凝土配方对应的强度计算值；对抗压强度测试值和强度计算值进行比较；选择两个以上的强度一致而曲线不同的配合比，得到各自的强度曲线，以所围成的区域定为强度阈值范围；通过调整配合比，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线，通过实际实验来确定满足预定强度要求的级配曲线。本发明的技术方案能够减少在设计超高性能混凝土时的实验量，有效提高工程的时间成本和经济成本。

Description

一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法，属于混凝土技术领域。
背景技术
混凝土是一种水泥基复合材料，它是以水泥为胶结剂，结合各种集料、外加剂等而形成的水硬性胶凝材料。混凝土是当今用量最大的建筑材料，与其他建筑材料相比，混凝土生产能耗低、原料来源广、工艺简便、成本低廉且具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。
在过去十几年里我国建设规模空前，现在水泥和混凝土产量占世界总量的60％。然而，由于混凝土自重大、脆性大和强度(尤其是抗拉强度)低，影响和限制了它的使用范围；同时，对于低强度的混凝土，在满足相同功能时用量较大，这加剧了对自然资源和能源的消耗，另外也增加了废气和粉尘的排放，增大了对能源的需求和环境的污染。
超高性能混凝土是一种具有超高强、高韧性、优异耐久性，抗压强度在120MPa以上的超高强水泥基材料。混合料设计是选择最优比例的原材料，使混凝土具有特殊应用所需的新鲜和硬化状态。超高性能混凝土的设计目标是获得一种密实的具有良好工作性和强度的胶凝基质。超高性能混凝土推广应用是强化节能减排、防治大气污染的有效途径，能提高建筑质量，延长建筑物寿命，提升防灾减灾能力，有利于推动水泥工业结构调整。
目前在大多数研究中，超高性能混凝土的混合比例都是直接给出的，没有任何设计步骤或解释，多根据经验对材料用量进行选取。不同于普通混凝土，超高性能混凝土制备的基本原则为：优化颗粒级配以形成堆积密实的基体，并通常需要加入钢纤维进行增韧。由此，科学合理设计超高性能混凝土的配合比以形成基体的最紧密堆积以及适量掺入钢纤维增强是保证其优越性能的关键。
总的来说，现有的超高性能混凝土配合比设计方法多基于经验，不能给出一定范围内预定强度的设计方案，在材料改变的情况下，也不能有效地进行配合比设计，需要大量的实验来验证。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法，结合实验结果与堆积模型计算结果来确定超高性能混凝土的强度阈值，以此来确定超高性能混凝土的强度曲线，指导超高性能混凝土的成分组成选择，以减少实验的数量。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法，其包括以下步骤：
步骤1：获得用于制备混凝土的各种原材料的粒度分布数据；
步骤2：基于颗粒堆积模型得到各种原材料的最优级配曲线；
步骤3：选取一个配合比，将各种原材料在混凝土中的质量含量换算为百分比；
步骤4：根据各种原材料的百分比分配所述粒度分布数据，得到对应于上述配合比的强度曲线；
步骤5：选择一组不同用量配比的混凝土配方，分别获得相应的混凝土的抗压强度测试值，并得到相应的强度曲线；
步骤6：根据各种原材料的最优级配曲线确定上述不同用量配比的混凝土配方所对应的计算强度值；
步骤7：对抗压强度测试值和计算强度值进行比较：
如果抗压强度测试值和计算强度值的趋势一致，进行步骤8；
如果抗压强度测试值和计算强度值的趋势不一致，基于水化程度的影响对颗粒模型进行修正，然后重复步骤2-6，直到二者的趋势达到一致；
步骤8：根据所需要配制的混凝土的强度要求，选择两个以上的强度一致而曲线不同的配合比，得到各自的强度曲线，以这些强度曲线所围成的区域定为强度阈值范围；
在所述强度阈值范围内，通过调整配合比，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线，通过实际实验来确定满足预定强度要求的级配曲线。
根据本发明的具体实施方案，上述基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法可以包括以下具体步骤：
步骤1：获得用于制备混凝土的各种原材料的粒度分布数据；
步骤2：根据所述粒度分布数据获得各种原材料各自的最大粒径和最小粒径，基于颗粒堆积模型得到各种原材料的最优级配曲线；
步骤3：选取一个配合比，将各种原材料在混凝土中的质量含量换算为百分比；
步骤4：根据各种原材料的百分比分配所述粒度分布数据，得到对应于上述配合比的强度曲线；
步骤5：选择一组不同用量配比的混凝土配方，分别获得相应的混凝土的28天抗压强度测试值，并得到相应的强度曲线；
步骤6：根据各种原材料的最优级配曲线确定上述不同用量配比的混凝土配方所对应的强度计算值；
步骤7：对不同用量配比的混凝土对应的28天抗压强度测试值和强度计算值进行比较：
如果不同用量配比的混凝土对应的28天抗压强度测试值和强度计算值的趋势一致，进行步骤8；
如果不同用量配比的混凝土对应的28天抗压强度测试值和强度计算值的趋势不一致，基于水化程度的影响对颗粒模型进行修正，然后重复步骤2-6，直到二者的趋势达到一致；
步骤8：根据所需要配制的混凝土的强度要求，选择两个以上的强度一致而曲线不同的配合比，得到各自的强度曲线，以这些强度曲线所围成的区域定为强度阈值范围；
在所述强度阈值范围内，通过调整配合比，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线，通过实际实验来确定满足预定强度要求的级配曲线。
根据本发明的具体实施方案，在步骤1中，选择原材料时可以任意进行，但是为便于方法的进行，一般是根据通常的经验而选择较常用的混凝土原料及配比。此外，获得用于制备混凝土的各种原材料的粒度分布数据可以通过激光粒度分布仪进行。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤2中，所述颗粒模型为：
Figure BDA0002974292160000031
其中，D为原材料的粒径，单位为μm；
Dmax为原材料的最大粒径，单位为μm；
Dmin为原材料的最小粒径，单位为μm；
q为分布模数，取值范围为0.18-0.25；一般情况下，q的具体取值可以根据常规经验确定为0.23；
P(D)为D粒径对应的累积率。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤3中，选取的配合比可以是任意的，但一般是参考现有技术选择适当的配合比。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤3中，所述将各种原材料在混凝土中的质量含量换算为百分比采取以下方式进行：将各种原材料的质量除以所有原材料的质量之和，再乘以100％得到该原材料在混凝土中的百分比含量。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤4中，根据各种原材料的百分比分配所述粒度分布数据，得到对应于上述任一配合比的强度曲线包括以下步骤：
在一个粒径范围内，将步骤3换算得到的每一种原材料的百分比与该原材料在该粒径范围内的粒度分布百分比的乘积作为该原材料在该粒径范围内的新区间含量，同时获得相应的新累积含量；
根据所述新区间含量、新累积含量，获得对应于步骤3所选取的配合比的强度曲线。
根据本发明的具体实施方案，某一原材料在某一个粒径范围的累积含量是指该原材料在该粒径范围以及更小尺寸的粒径范围内的所有区间含量之和。在步骤4中，计算新区间含量时，可以按照粒径范围的粒径尺寸由小到大的顺序进行。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤5中，选择一组不同用量配比的混凝土配方，分别获得相应的混凝土的抗压强度测试值，并得到相应的强度曲线按照以下方式进行：
根据一组具有不同用量配比的混凝土配方，所述用量配比包括水灰比、硅灰掺量、粉煤灰掺量和石粉掺量中的一种或两种以上的组合；
按照所述混凝土配方配制得到相应的混凝土，然后进行抗压强度测试(该测试可以按照混凝土领域中通常采用的方式进行，优选为28天抗压强度测试)，得到混凝土的抗压强度测试值；
根据不同混凝土配方对应的抗压强度测试值，得到相应的强度曲线。
上述水灰比、硅灰掺量、粉煤灰掺量、石粉掺量是当作配合比中的一个变量来进行的。上述不同用量配比指的是改变一个变量得到的任意一个配合比。例如水灰比，即控制水的质量不变，改变水灰比，实际上就是改变的胶凝材料的总量，相对应的砂和石英粉的量也在变化；硅灰掺量：即保持胶凝材料和水灰比不变，改变硅灰占胶凝材料总量的百分比；粉煤灰掺量和石粉掺量实验与硅灰掺量实验做法一致。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤6中，根据各种原材料的最优级配曲线确定上述不同用量配比的混凝土配方所对应的强度计算值按照以下公式进行：
Figure BDA0002974292160000051
Pmix代表最优级配曲线在对应粒径下的累积率；
Ptar代表当前配合比对应的强度曲线在对应粒径下的累积率；
RSS代表强度计算值。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤7中，趋势一致是指不同用量配比的混凝土对应的28天抗压强度和强度计算值的大小顺序相同。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤7中，基于水化程度的影响对颗粒模型进行修正后得到的修正的颗粒模型为：
Figure BDA0002974292160000052
其中，K为水化因子。
水化因子K根据水化产物含量来确定，在每个粒径对应的都有一个确定的K值(可以通过微观实验测得)，代表的是水化反应的程度。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤8中，根据所需要配制的混凝土的强度要求，选择两个以上的强度一致而曲线不同的配合比按照以下方式进行：
选择若干个配合比，根据颗粒模型或修正的颗粒模型计算对应的强度值，从中选择与所需要配制的混凝土的强度要求差值在10MPa以内的两个以上的配合比，获得这些配合比对应的强度曲线。在该步骤8中，选择配合比时可以结合混凝土的经验进行，选择与强度要求比较接近的配合比，如果所选择的配合比的强度值不够接近，可以重新进行选择。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤8中，在所述强度阈值范围内，通过调整配合比，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线按照以下方式进行：
选择一条级配曲线；
对上述级配曲线对应的配合比进行调整，使调整后的曲线处于或大部分处于所述强度阈值范围内；大部分处于是指级配曲线的中间部分进入强度阈值范围之内，而两端可以有少部分处于强度阈值范围之外；
重复上述调整过程，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在步骤8中，所述对上述级配曲线对应的配合比进行调整是指通过改变配合比(混凝土组成、原料含量等)来使级配曲线进入或者大部分进入强度阈值范围，具体的调整可以包括：增加配合比所包含的原材料的种类、调整原材料的含量、调整原材料之间的配比中的一种或两种以上的组合。
对于强度阈值：假设两个不同配合比的混凝土达到相同的抗压强度，在这两个配合比相应的两条级配曲线之间构成一个强度阈值范围，在该范围内的级配曲线对应的混凝土强度均在所需要的范围之内；通过调整配合比设计，可以在这个范围内找到一条或几条级配曲线，基于这些级配曲线可以通过有限组的实验来测验这些级配曲线所对应的实际强度，有限组的实验是指选取一条曲线就对应一个配合比、做一组实验，这要比现有技术中确定预定强度的混凝土的配合比所需要进行的实验数量少很多，也就是说可以降低实验的数量，从而降低费用，控制成本。
本发明所提供的基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法能够带来以下技术效果：
(1)将实验结果与堆积模型计算结果匹配，进一步考虑水化反应的影响，改进堆积模型，从而使相关结果更加准确、可靠；
(2)提出强度阈值的概念，可以得到既定范围(例如110-120MPa)内的强度曲线及其配合比；
(3)对于任一给定的材料都可以通过强度阈值的设计方法调整配合比强度曲线，进行有限组的实验从而达到理想的强度。
本发明的技术方案能够减少在设计超高性能混凝土时的实验量，有效提高工程的时间成本和经济成本。对于任意的混凝土材料，在本发明的技术方案的基础上都可形成配合比设计基准，不必像现有方法那样只依据经验进行配合比设计。
附图说明
图1-图4分别为水泥、硅灰、石英粉、石英砂的最优级配曲线。
图5为表5所示的配合比的强度曲线。
图6为实施例的步骤5得到的实际试验强度曲线。
图7为强度阈值区域图。
图8为根据强度阈值区域选择的强度曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法，其中，该超高性能混凝土的原材料包括水泥、硅灰、石英砂、石英粉，该方法具体包括以下步骤：
1、利用激光粒度分布仪得到水泥、硅灰、石英砂、石英粉的粒度分布数据，分别如表1-表4所示：
表1水泥的粒度分布数据
粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％
0.100-0.117 0 0 2.671-3.290 0.43 0.6 75.07-92.47 1.43 51.33
0.117-0.144 0 0 3.290-4.053 0.61 1.21 92.47-113.9 0.63 51.96
0.144-0.177 0 0 4.053-4.993 0.76 1.97 113.9-140.3 0.64 52.6
0.177-0.218 0 0 4.993-6.150 1.03 3 140.3-172.8 1.61 54.21
0.218-0.269 0 0 6.150-7.576 1.33 4.33 172.8-212.9 3.25 57.46
0.269-0.332 0 0 7.576-9.332 1.77 6.1 212.9-262.2 5.24 62.7
0.332-0.409 0 0 9.332-11.49 2.5 8.6 262.2-323.0 6.86 69.56
0.409-0.503 0 0 11.49-14.16 3.45 12.05 323.0-397.9 7.55 77.11
0.503-0.620 0 0 14.16-17.44 4.32 16.37 397.9-490.2 7.76 84.87
0.620-0.764 0 0 17.44-21.48 4.88 21.25 490.2-603.9 7.45 92.32
0.764-0.941 0 0 21.48-26.46 5.22 26.47 603.9-743.9 5.29 97.61
0.941-1.160 0 0 26.46-32.60 5.49 31.96 743.9-916.3 2.1 99.71
1.160-1.429 0 0 32.60-40.16 5.63 37.59 916.3-1128 0.29 100
1.429-1.760 0 0 40.16-49.47 5.32 42.91 1128-1390 0 100
1.760-2.168 0.01 0.01 49.47-60.94 4.25 47.16 1390-1712 0 100
2.168-2.671 0.16 0.17 60.94-75.07 2.74 49.9 1712-2000 0 100
表2硅灰的粒度分布数据
粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％
0.100-0.117 0 0 2.671-3.290 7.03 28.74 75.07-92.47 0 100
0.117-0.144 0 0 3.290-4.053 6.54 35.28 92.47-113.9 0 100
0.144-0.177 0 0 4.053-4.993 6.63 41.91 113.9-140.3 0 100
0.177-0.218 0 0 4.993-6.150 7.41 49.32 140.3-172.8 0 100
0.218-0.269 0 0 6.150-7.576 7.59 56.91 172.8-212.9 0 100
0.269-0.332 0 0 7.576-9.332 7.51 64.42 212.9-262.2 0 100
0.332-0.409 0 0 9.332-11.49 8 72.42 262.2-323.0 0 100
0.409-0.503 0 0 11.49-14.16 8.66 81.08 323.0-397.9 0 100
0.503-0.620 0 0 14.16-17.44 8.37 89.45 397.9-490.2 0 100
0.620-0.764 0.04 0.04 17.44-21.48 6.35 95.8 490.2-603.9 0 100
0.764-0.941 1 1.04 21.48-26.46 3.26 99.06 603.9-743.9 0 100
0.941-1.160 3.53 4.57 26.46-32.60 0.84 99.9 743.9-916.3 0 100
1.160-1.429 3.64 8.21 32.60-40.16 0.1 100 916.3-1128 0 100
1.429-1.760 2.92 11.13 40.16-49.47 0 100 1128-1390 0 100
1.760-2.168 4.17 15.3 49.47-60.94 0 100 1390-1712 0 100
2.168-2.671 6.41 21.71 60.94-75.07 0 100 1712-2000 0 100
表3石英粉的粒度分布数据
粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％
0.100-0.117 0 0 2.671-3.290 0.15 3.47 75.07-92.47 1.78 100
0.117-0.144 0 0 3.290-4.053 0 3.47 92.47-113.9 0 100
0.144-0.177 0 0 4.053-4.993 0.01 3.48 113.9-140.3 0 100
0.177-0.218 0 0 4.993-6.150 0.24 3.72 140.3-172.8 0 100
0.218-0.269 0 0 6.150-7.576 1.47 5.19 172.8-212.9 0 100
0.269-0.332 0 0 7.576-9.332 2.61 7.8 212.9-262.2 0 100
0.332-0.409 0 0 9.332-11.49 1.77 9.57 262.2-323.0 0 100
0.409-0.503 0 0 11.49-14.16 1.34 10.91 323.0-397.9 0 100
0.503-0.620 0 0 14.16-17.44 5.02 15.93 397.9-490.2 0 100
0.620-0.764 0 0 17.44-21.48 9.08 25.01 490.2-603.9 0 100
0.764-0.941 0 0 21.48-26.46 8.53 33.54 603.9-743.9 0 100
0.941-1.160 0 0 26.46-32.60 6.62 40.16 743.9-916.3 0 100
1.160-1.429 0 0 32.60-40.16 10.46 50.62 916.3-1128 0 100
1.429-1.760 0.57 0.57 40.16-49.47 17.97 68.59 1128-1390 0 100
1.760-2.168 1.78 2.35 49.47-60.94 19.6 88.19 1390-1712 0 100
2.168-2.671 0.97 3.32 60.94-75.07 10.03 98.22 1712-2000 0 100
表4石英砂的粒度分布数据
粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％ 粒径μm 区间％ 累积％
0.100-0.117 0 0 2.671-3.290 0 0 75.07-92.47 0.01 0.01
0.117-0.144 0 0 3.290-4.053 0 0 92.47-113.9 0.34 0.35
0.144-0.177 0 0 4.053-4.993 0 0 113.9-140.3 1.69 2.04
0.177-0.218 0 0 4.993-6.150 0 0 140.3-172.8 4.21 6.25
0.218-0.269 0 0 6.150-7.576 0 0 172.8-212.9 7.69 13.94
0.269-0.332 0 0 7.576-9.332 0 0 212.9-262.2 11.62 25.56
0.332-0.409 0 0 9.332-11.49 0 0 262.2-323.0 14.4 39.96
0.409-0.503 0 0 11.49-14.16 0 0 323.0-397.9 15.2 55.16
0.503-0.620 0 0 14.16-17.44 0 0 397.9-490.2 15.64 70.8
0.620-0.764 0 0 17.44-21.48 0 0 490.2-603.9 15.35 86.15
0.764-0.941 0 0 21.48-26.46 0 0 603.9-743.9 10.42 96.57
0.941-1.160 0 0 26.46-32.60 0 0 743.9-916.3 3.24 99.81
1.160-1.429 0 0 32.60-40.16 0 0 916.3-1128 0.19 100
1.429-1.760 0 0 40.16-49.47 0 0 1128-1390 0 100
1.760-2.168 0 0 49.47-60.94 0 0 1390-1712 0 100
2.168-2.671 0 0 60.94-75.07 0 0 1712-2000 0 100
2、根据表1-表4的粒度分布数据，确定各原材料的最大粒径和最小粒径，其中：
水泥的最小粒径为1.76微米、最大粒径为1128微米；
硅灰的最小粒径为0.62微米、最大粒径为40.16微米；
石英粉的最小粒径为1.429微米、最大粒径为92.47微米；
石英砂的最小粒径为75.07微米、最大粒径为1128微米。
基于以下颗粒堆模型得到各原材料的最优级配曲线，水泥、硅灰、石英粉、石英砂的最优级配曲线分别如图1-图4所示：
Figure BDA0002974292160000091
其中，分布模数q的取值为0.23。
3、选取表5所示的配合比将每一种原材料占混凝土总质量的比例换算成百分比：
表5
配合比设计 水泥 硅粉 石英粉 石英砂
质量，kg 810.00 90.00 384.09 928.96
比例，％ 36.6 4.0 17.4 42.0
4、根据表5所示的百分比，分配步骤1得到的各种原材料的粒度分布数据，具体按照以下步骤进行：
对于某个粒径范围，将表1-表4所示的水泥、硅灰、石英砂、石英粉的区间含量分别乘以相应的百分比(表5所示)，得到水泥、硅灰、石英砂、石英粉的新区间含量，并将四种原材料的区间含量相加得到新累积含量，具体结果如表6所示：
表6
Figure BDA0002974292160000101
Figure BDA0002974292160000111
根据新区间含量、新累积含量，得到表5所示的配合比的强度曲线，如图5所示。
5、基于步骤1-4的结果，进行水灰比、硅灰产量、石英粉掺量实验，测试所得到的混凝土的28天强度，并获得强度曲线，其中，实验数据和测试结果如表7所示：
表7
Figure BDA0002974292160000112
其中，减水剂的量为质量百分比含量，以水、胶凝材料、石英粉、石英砂的质量之和为计算基准，纤维的量为体积百分比含量，以混凝土总体积计。
28天强度实验过程如下：将原料制成混凝土并搅拌混合，养护过程为：带模具标准养护一天之后，拆模养护至28天。28天之后拿出用标准混凝土抗压试验机检测混凝土强度。强度曲线如图6所示。
6、根据步骤5得到的实际试验强度变化与强度曲线(图6，也即计算结果)进行对比，其中，具体计算按照以下公式进行：
Figure BDA0002974292160000121
Pmix代表最优级配曲线在对应粒径下的累积率；
Ptar代表当前配合比曲线在对应粒径下的累积率。
具体结果分别如表8和图7所示：
表8
计算结果(RSS) 实际强度，MPa
SF10 4704.69 117.6
SF10FA10 3132.47 116.9
SF10FA20 1938.39 116.0
实际强度的大小顺序为：SF>SF10FA10>SF10FA20；
计算结果的大小顺序为：SF10FA20>SF10FA10>SF10；计算结果越小，说明与最优级配的偏差越小，即其实际强度越大。
由此可见，计算结果与实际强度不匹配，考虑SF(即硅灰)在超高性能混凝土水化反应中的影响。
考虑水化对强度的影响，对公式
Figure BDA0002974292160000122
进行修正；
修正后的公式为
Figure BDA0002974292160000123
其中，K为水化因子；这里主要是掺加了粉煤灰，SF10(即不掺加粉煤灰)，SF10FA10(粉煤灰占10％)，SF10FA20(粉煤灰占20％)。实验表明粉煤灰取代部分水泥之后，导致整个混凝土体系水化速度减慢，形成负效应。所以实际上加入粉煤灰水化反应程度比不加粉煤灰的水化程度是降低的，所以计算结果和实验结果呈现相反的关系。
修正后计算结果与实际试验强度一致。具体优化数据如表9所示。
表9
粒径μm Ki 最优级配Ptar 粒径μm Ki 最优级配Ptar
0.100-0.117 0.35 0 14.16-17.44 0.56 5.428292
0.117-0.144 0.89 0 17.44-21.48 0.56 6.697073
0.144-0.177 0.81 0 21.48-26.46 0.59 9.553137
0.177-0.218 0.77 0 26.46-32.60 0.62 12.62564
0.218-0.269 0.35 0 32.60-40.16 0.63 14.80851
0.269-0.332 0.79 0 40.16-49.47 0.66 18.29881
0.332-0.409 0.21 0 49.47-60.94 0.68 21.43184
0.409-0.503 0.64 0 60.94-75.07 0.67 22.8423
0.503-0.620 0.32 0 75.07-92.47 0.76 31.06359
0.620-0.764 0.75 0 92.47-113.9 0.74 32.17046
0.764-0.941 0.81 0 113.9-140.3 0.71 32.51663
0.941-1.160 0.4 0 140.3-172.8 0.71 35.11509
1.160-1.429 0.6 0 172.8-212.9 0.69 36.20437
1.429-1.760 0.46 0 212.9-262.2 0.69 38.98294
1.760-2.168 0.59 0 262.2-323.0 0.7 42.80477
2.168-2.671 0.37 0 323.0-397.9 0.73 48.75395
2.671-3.290 0.47 0 397.9-490.2 0.79 58.11866
3.290-4.053 0.58 0 490.2-603.9 0.81 64.06447
4.053-4.993 0.23 0 603.9-743.9 0.86 73.68569
4.993-6.150 0.13 0 743.9-916.3 0.88 80.60293
6.150-7.576 0.23 0 916.3-1128 0.89 86.75397
7.576-9.332 0.34 0 1128-1390 0.9 4.06678
9.332-11.49 0.45 0 1390-1712 0.93 4.06678
11.49-14.16 0.54 3.339032 1712-2000 0.95 4.06678
优化后计算结果如表10所示：
表10
计算结果(RSS) 实际强度，MPa
SF10 4053.72 117.6
SF10FA10 5112.14 116.9
SF10FA20 6589.21 116.0
修正后计算结果与实际强度趋势一致。
7、找到两个强度一致但是曲线不同的配合比，具体为：SF10FA20和SF10LP10，二者的强度为116MPa和112MPa；二者的强度曲线如图7所示。其中，SF10LP10代表硅灰掺量10％，石灰石粉掺量10％，其余参考表7。
以图7中，两条曲线所圈定的区域为强度阈值区域，在该区域内的曲线强度在115MPa几率较大；
在该区域内选择一条级配曲线(图8中的配比曲线3)，通过调整配合比和考虑水化的影响来调整配合比3的曲线；调整出几条曲线，按照这几条曲线的配合比去做实际的混凝土强度实验，实验结果证明：这些曲线对应的混凝土的强度满足115±5MPa。
通过采用实施例1的方法，只需要进行9组实验就可以确定强度满足115±5MPa要求的混凝土的配合比，而按照常规方式进行实验时，一般都需要进行15-30组实验才能够确定。

Claims (10)

1.一种基于强度阈值的超高性能混凝土强度设计方法，其包括以下步骤：
步骤1：获得用于制备混凝土的各种原材料的粒度分布数据；
步骤2：基于颗粒堆积模型得到各种原材料的最优级配曲线；
步骤3：选取一个配合比，将各种原材料在混凝土中的质量含量换算为百分比；
步骤4：根据各种原材料的百分比分配所述粒度分布数据，得到对应于上述配合比的强度曲线；
步骤5：选择一组不同用量配比的混凝土配方，分别获得相应的混凝土的抗压强度测试值，并得到相应的强度曲线；
步骤6：根据各种原材料的最优级配曲线确定上述不同用量配比的混凝土配方所对应的强度计算值；
步骤7：对抗压强度测试值和强度计算值进行比较：
如果抗压强度测试值和强度计算值的趋势一致，进行步骤8；
如果抗压强度测试值和强度计算值的趋势不一致，基于水化程度的影响对颗粒模型进行修正，然后重复步骤2-6，直到二者的趋势达到一致；
步骤8：根据所需要配制的混凝土的强度要求，选择两个以上的强度一致而曲线不同的配合比，得到各自的强度曲线，以这些强度曲线所围成的区域定为强度阈值范围；
在所述强度阈值范围内，通过调整配合比，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线，通过实际实验来确定满足预定强度要求的级配曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤2中，所述颗粒模型为：
Figure FDA0003557686340000011
其中，D为原材料的粒径，单位为μm；
Dmax为原材料的最大粒径，单位为μm；
Dmin为原材料的最小粒径，单位为μm；
q为分布模数，取值范围为0.18-0.25；
P(D)为D粒径对应的累积率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤4中，根据各种原材料的百分比分配所述粒度分布数据，得到对应于上述任一配合比的强度曲线包括以下步骤：
在一个粒径范围内，将步骤3换算得到的每一种原材料的百分比与该原材料在该粒径范围内的粒度分布百分比的乘积作为该原材料在该粒径范围内的新区间含量，同时获得相应的新累积含量；
重复上述步骤，获得每一个粒径范围的相应的新累积含量；
根据所述新区间含量、新累积含量，获得对应于步骤3所选取的配合比的强度曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤5中，选择一组不同用量配比的混凝土配方，分别获得相应的混凝土的抗压强度测试值，并得到相应的强度曲线按照以下方式进行：
根据一组具有不同用量配比的混凝土配方，所述用量配比包括水灰比、硅灰掺量、粉煤灰掺量和石粉掺量中的一种或两种以上的组合；
按照所述混凝土配方配制得到相应的混凝土，然后进行抗压强度测试，得到混凝土的抗压强度测试值；
根据不同混凝土配方对应的抗压强度测试值，得到相应的强度曲线。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤6中，根据各种原材料的最优级配曲线确定上述不同用量配比的混凝土配方所对应的强度计算值按照以下公式进行：
Figure FDA0003557686340000021
Pmix代表最优级配曲线在对应粒径下的累积率；
Ptar代表当前配合比对应的强度曲线在对应粒径下的累积率；
RSS代表强度计算值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤7中，趋势一致是指不同用量配比的混凝土对应的抗压强度测试值和强度计算值的大小顺序相同。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤7中，基于水化程度的影响对颗粒模型进行修正后得到的修正的颗粒模型为：
Figure FDA0003557686340000022
其中，K为水化因子。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤8中，根据所需要配制的混凝土的强度要求，选择两个以上的强度一致而曲线不同的配合比按照以下方式进行：
选择若干个配合比，根据颗粒模型或修正的颗粒模型计算对应的强度值，从中选择与所需要配制的混凝土的强度要求差值在10MPa以内的两个以上的配合比，获得这些配合比对应的强度曲线。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤8中，在所述强度阈值范围内，通过调整配合比，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线按照以下方式进行：
选择一条级配曲线；
对上述级配曲线对应的配合比进行调整，使调整后的曲线处于或大部分处于所述强度阈值范围内；
重复上述调整过程，得到若干条位于强度阈值范围内的级配曲线。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述对上述级配曲线对应的配合比进行调整包括：
增加配合比所包含的原材料的种类、调整原材料的含量、调整原材料之间的配比中的一种或两种以上的组合。
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