CN113336489B - 一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比设计方法，该方法包括：(1)根据配置强度确定水胶比，结合改进的用水量公式确定净浆中各原材料单方用量；(2)根据初级坍落扩展度值确定轻骨料和机制砂单方用量；根据各原材料的初步用量转换成初步基准配合比；(3)采用正交试验法对各原材料用量进行优化得到基准配合比；(4)根据原材料指标，将基准配合比换算为生产配合比。本发明充分考虑机制砂和轻骨料的特性，改进用水量公式，提出机制砂附加用水量修正系数γ2，并给出取值范围。用附加水对轻骨料进行预湿处理，并掺入大量的粉煤灰和部分硅灰等矿物掺合料，可有效抑制轻骨料上浮，保证机制砂自密实轻骨料混凝土的工作性能和力学性能。

Description

一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法
技术领域
本发明涉及土木工程材料领域，具体是一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法。
背景技术
随着工程建设的日益发展，我国不少地区天然砂资源逐渐减少，影响了工程建设的进展。加之一些地区对天然砂无序开采，使生态与环境受到严重影响。因此，国家和各地政府陆续出台了严格限制或禁止开采天然砂的法规和政策，进一步减少了天然砂的来源。机制砂与混凝土粘结良好，各项物理指标与天然砂相近，对于天然砂来说是比较适宜的替代材料。同时自密实轻骨料混凝土是一种特殊的高性能混凝土，高强度页岩陶粒的质量远低于相同体积的碎石，粒径较小，其内部网状孔隙导致“吸水返水”的特点，在混凝土凝固成型后在其内部仍能够释放水分，促进混凝土内部胶凝材料的进一步水化，能够使得混凝土内部缺陷改善。
将机制砂自密实轻骨料混凝土应用于工程实践，其力学特性与工作性能是必须解决的首要问题。但是同时使用机制砂和轻骨料陶粒来配制自密实混凝土，各组成材料间的合理配比是机制砂拌制自密实轻骨料混凝土具有良好性能的基础。
目前，将机制砂与自密实轻骨料混凝土结合的相关研究开始起步。蒋正武采用普通河砂自密实混凝土配合比，配制的机制砂混凝土拌和物粘聚性差，易阻塞，不能满足自密实混凝土工作性能的要求。冯滔滔用机制砂等质量替代河砂用于制备超高性能混凝土(UHPC)，研究表明采用机制砂与采用河砂的拌制的混凝土抗压强度相近。重庆交通大学李秉正按照《自密实混凝土应用技术规程》规定方法进行配合比设计，采用轻骨料替换碎石骨料配置机制砂自密实轻骨料混凝土，工作性能良好但是强度未满足设计要求。因此针对机制砂颗粒尖锐多棱角等问题、轻骨料吸水返水的特性，提出适合机制砂自密实轻骨料混凝土的配合比设计方法是工程应用的现实需求。
现有常用技术方案
(1)固定砂石含量法
日本学者Okamura最早提出自密实混凝土的概念，经过大量试验研究后，最先提出了一种广泛接受的配合比设计方法，即固定砂石含量法，具体的步骤如下：
1)固定每立方米混凝土中粗骨料松散堆积体积，取值为0.5～0.55m3，计算出所用粗骨料量和砂浆量。
2)砂浆中砂的体积分数为0.42～0.44，计算出砂的量和浆体量。
3)确定混凝土的水胶比，计算出水泥用量、矿物掺合料量和用水量。
(2)全计算法
计算步骤：
a：配置强度：fcu,p＝fcu,0+1.645σ
式中：fcu,0为混凝土设计强度(MPa)；σ为混凝土强度标准差；
b：水胶比
Figure GDA0003594221410000011
c：砂率的调整：
Figure GDA0003594221410000021
d：砂石计算公式：
S+G＝(Ves-Ve+Vw)·ρs+(1000-Ves-Vw)·ρg
S'＝Sp(S+G)
G'＝(1-SP)(S+G)
e：用水量：
Figure GDA0003594221410000022
f：胶凝材料的用量：
Figure GDA0003594221410000023
m(c)＝(1-x)m(c+f)
m(f)＝xm(c+f)
式中：x为掺和料替换量；m(c)为水泥用量；m(f)掺和料用量。
g：由混凝土填充性、间隙通过性和抗离析性要求确定高效减水剂用量。
目前，自密实轻骨料混凝土配合比大多沿用自密实系列混凝土配合比计算方法。但机制砂不如河砂圆润且比表面积大，导致混凝土需水量增加，轻骨料较普通骨料来讲表面粗糙且内部多孔会吸走浆体中的水分，用水量与普通自密实混凝土计算方法不同，此外配置机制砂自密实混凝土需要同时复掺多种大量外加剂和矿物掺合料，以确保拌合物的填充性和粘聚性达到一种动态平衡，外加剂用量和矿物掺合料用量需要通过大量试验确定。因此，目前的自密实混凝土配合比设计方法不能完全满足机制砂自密实轻骨料混凝土配合比设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，包括配置强度、轻骨料用量、机制砂的用量、水胶比、水的用量、胶凝材料的用量以及外加剂用量的设计计算‘’
所述配置强度
(1)混凝土的配置强度fcu,0＝fcu,k+1.645σ
式中：fcu,0为混凝土配制强度(MPa)；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)；σ为混凝土强度标准差(MPa)
(2)水泥强度fce＝γc·fce,g
式中：fce为水泥28天胶砂抗压强度(MPa)；γc取1.16；fce,g为水泥强度等级值(MPa)；
所述页岩陶粒轻骨料用量Mg＝α·ρg
式中：Mg每立方米混凝土中轻骨料的质量；α为轻骨料用量系数；ρg为轻骨料堆积密度；
所述机制砂的用量
Ms＝β·Vm·ρs
Figure GDA0003594221410000031
式中：β为砂用量系数；Vm为砂浆体积；ρs为机制砂表观密度；ρg为轻骨料表观密度；
所述水胶比
Figure GDA0003594221410000032
式中：η为矿物掺合料占胶凝材料的总量的百分比；κ为矿物掺合料的胶凝系数；
所述水的用量
Figure GDA0003594221410000033
式中：ρc为水泥密度；ρw为水的密度；η为矿物掺合料的取代率；ρd为矿物掺合料的取代率；Vg为轻骨料的体积；Vs为机制砂的体积；Vα每立方米空气的体积(10L)；γ1为抗离析修正系数(0.83～0.87)；γ2为机制砂附加用水量修正系数(0.005～0.01)；
页岩陶粒轻骨料的吸水性较大，附加水量
V′w＝e·Mg
式中：e为轻骨料24小时的吸水率
所述胶凝材料的用量
Figure GDA0003594221410000034
其中：粉煤灰用量
M(f)＝ε1·M(b)
硅灰用量
M(gh)＝ε2·M(b)
水泥用量
M(c)＝M(b)-M(f)-M(gh)
式中：ε1为粉煤灰取代率；ε2为硅灰的取代率；
所述外加剂用量
Mca＝τ·M(b)
式中：Mca为外加剂的质量(kg)；τ为外加剂占胶凝材料的质量百分数(％)。
作为本发明进一步的方案：
所述水的用量
Figure GDA0003594221410000041
式中：ρc为水泥密度；ρw为水的密度；η为矿物掺合料的取代率；ρd为矿物掺合料的取代率；Vg为轻骨料的体积；Vs为机制砂的体积；Vα每立方米空气的体积(10L)。
所述γ1为抗离析修正系数(0.83～0.87)；γ2为机制砂附加用水量修正系数(0.005～0.01)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明充分考虑机制砂和轻骨料吸水返水的特性，改进了用水量的公式，提出了机制砂附加用水量修正系数γ2，并给出了取值范围。并与水胶比相结合，保证在全掺量机制砂配置时，混凝土拌合物的浆体量，避免其对机制砂自密实轻骨料混凝土的工作性能以及力学性能造成严重影响。其次，引入附加用水量公式，在混凝土拌制之前，用附加水对轻骨料进行预湿处理，避免在搅拌过程中轻骨料吸水导致混凝土拌合物工作性能下降，并在混凝土硬化后轻骨料再度释放储存水分改善过渡界面，形成内养护，减小混凝土自收缩提高后期强度；最后，本配合比设计中掺入大量的粉煤灰和部分硅灰等矿物掺合料，一方面改善机制砂自密实轻骨料混凝土的填充性和抗离析性，另一方面降低混凝土的早期水化热，减少干缩裂缝。从三个方面，有效的抑制了轻骨料上浮，保证了机制砂自密实轻骨料混凝土的工作性能和力学性能。
附图说明
图1为一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比方法的全计算法的混凝土体积模型示意图。
图2为一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比方法的固定砂石含量法的混凝土体积模型示意图。
图3为一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比方法的机制砂自密实轻骨料混凝土拌合物组成示意图。
图4为一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比方法的坍落扩展度和J型环扩展度示意图。
图5为一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比方法的试验混凝土不同龄期的抗压强度指标示意图。
图中：Ve：桨体体积(L)、Vcs：干砂浆体积(L)、w：用水量(L)、Va：空气体积(L)、Vc：水泥体积(L)、Vf：细粉料体积(L)、Vs：砂子体积(L)、VG：石子体积(L)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～5，本发明实施例中，一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，包括配置强度、轻骨料用量、机制砂的用量、水胶比、水的用量、胶凝材料的用量以及外加剂用量的设计计算。
所述配置强度
(1)混凝土的配置强度fcu,0＝fcu,k+1.645σ
式中：fcu,0为混凝土配制强度(MPa)；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)；σ为混凝土强度标准差(MPa)
(2)水泥强度fce＝γc·fce,g
式中：fce为水泥28天胶砂抗压强度(MPa)；γc取1.16；fce,g为水泥强度等级值(MPa)；
页岩陶粒轻骨料用量Mg＝α·ρg
式中：Mg每立方米混凝土中轻骨料的质量；α为轻骨料用量系数；ρg为轻骨料堆积密度；
所述机制砂的用量
Ms＝β·Vm·ρs
Figure GDA0003594221410000061
式中：β为砂用量系数；Vm为砂浆体积；ρs为机制砂表观密度；ρg为轻骨料表观密度；
所述水胶比
Figure GDA0003594221410000062
式中：η为矿物掺合料占胶凝材料的总量的百分比；κ为矿物掺合料的胶凝系数；
所述水的用量
Figure GDA0003594221410000063
式中：ρc为水泥密度；ρw为水的密度；η为矿物掺合料的取代率；ρd为矿物掺合料的取代率；Vg为轻骨料的体积；Vs为机制砂的体积；Vα每立方米空气的体积(10L)；γ1为抗离析修正系数(0.83～0.87)；γ2为机制砂用水量修正系数(0.005～0.01)。
页岩陶粒轻骨料的吸水性较大，附加水量
V′w＝e·Mg
式中：e为轻骨料24小时的吸水率
所述胶凝材料的用量
Figure GDA0003594221410000064
其中：粉煤灰用量
M(f)＝ε1·M(b)
硅灰用量
M(gh)＝ε2·M(b)
水泥用量
M(c)＝M(b)-M(f)-M(gh)
式中：ε1为粉煤灰取代率；ε2为硅灰的取代率；
所述外加剂用量
Mca＝τ·M(b)
式中：Mca为外加剂的质量(kg)；τ为外加剂占胶凝材料的质量百分数(％)。
所述水的用量
Figure GDA0003594221410000071
所述页岩陶粒轻骨料的吸水性较大，附加水量公式如下
V′w＝e·Mg
式中：e为轻骨料24小时的吸水率；ρc为水泥密度；ρw为水的密度；η为矿物掺合料的取代率；ρd为矿物掺合料的取代率；Vg为轻骨料的体积；Vs为机制砂的体积；Vα每立方米空气的体积(10L)；γ1为抗离析修正系数(0.83～0.87)；γ2为机制砂附加用水量修正系数(0.005～0.01)。
设计9组配合比(见表“基于正交法的配合比设计混凝土各材料用量”)，根据配合比计算出混凝土各材料的用量，利用正交实验法设计72块立方体试块进行力学实验，通过扩展度之差、J形环内外高度差、V形漏斗、U形箱实验等确定流动性和粘聚性较好的配合比。对设计的混凝土测试其3d、7d、14d、28d抗压强度，最终得出强度等级为C40的机制砂自密实轻骨料混凝土水胶比为0.35～0.37，I级粉煤灰、硅灰的替代率(占水泥质量的百分比)分别为20％～30％、2％～6％，聚羧酸高性能减水剂为胶凝材料质量的1％～1.5％。
正交试验因素
Figure GDA0003594221410000072
正交试验表
Figure GDA0003594221410000073
Figure GDA0003594221410000081
基于正交法的配合比设计混凝土各材料用量
Figure GDA0003594221410000082
试验混凝土工作性能指标
Figure GDA0003594221410000083
混凝土抗压强度指标
Figure GDA0003594221410000084
坍落扩展度与J形环扩展度差值
Figure GDA0003594221410000085
机制砂自密实混凝土验证试验配合比(kg/m3)
Figure GDA0003594221410000086
机制砂自密实轻骨料混凝土自密实性能验证实验结果
Figure GDA0003594221410000091
本发明的原理是：
1、充分考虑机制砂和轻骨料吸水返水的特性和机制砂高性能混凝土配置的特点，采用抗离析修正系数γ1，机制砂附加用水量系数γ2改进用水量公式，并将用水量公式与传统的水胶比定则联系起来，全定量的计算混凝土配合比参数；
2、采用硅灰和粉煤灰等矿物掺合料复掺，改善机制砂自密实轻骨料混凝土的流动性，且拌合物的抗离析性提高，并且硅灰中的活性物质能够提高混凝土的早期强度；
3、机制砂为细度模数在2.6～3.2，页岩陶粒粒径为5～16mm连续级配，在I级粉煤灰、硅灰的替代率分别为20％～30％、2％～6％，羧酸高性能减水剂为胶凝材料用量的1％～1.5及水胶比为0.35～0.37条件下，可配制出C40的机制砂自密实轻骨料混凝土；
4、配置强度等级C40的机制砂自密实轻骨料混凝土的水胶比宜控制在0.35～0.37之间，砂用量系数应控制在0.4～0.43，轻骨料用量系数应控制在0.5～0.53之间，其工作性能和抗压强度能够满足设计要求，随着胶凝材料所占比例的增加，机制砂自密实轻骨料混凝土的工作性能提升，强度增大。
5、考虑到轻骨料的吸水返水特性，提出机制砂附加用水量修正系数γ2，改进用水量公式：
Figure GDA0003594221410000092
本发明充分考虑机制砂和轻骨料吸水返水的特性，改进了用水量的公式，提出了机制砂附加用水量修正系数γ2，并给出了取值范围。并与水胶比相结合，保证在全掺量机制砂配置时，混凝土拌合物的浆体量，避免其对机制砂自密实轻骨料混凝土的工作性能以及力学性能造成严重影响。其次，引入附加用水量公式，在混凝土拌制之前，用附加水对轻骨料进行预湿处理，避免在搅拌过程中轻骨料吸水导致混凝土拌合物工作性能下降，并在混凝土硬化后轻骨料再度释放储存水分改善过渡界面，形成内养护，减小混凝土自收缩提高后期强度；最后，本配合比设计中掺入大量的粉煤灰和部分硅灰等矿物掺合料，一方面改善机制砂自密实轻骨料混凝土的填充性和抗离析性，另一方面降低混凝土的早期水化热，减少干缩裂缝。从三个方面，有效的抑制了轻骨料上浮，保证了机制砂自密实轻骨料混凝土的工作性能和力学性能。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，包括配置强度、轻骨料用量、机制砂的用量、水胶比、水的用量、胶凝材料的用量以及外加剂用量的设计计算；
所述配置强度
(1)混凝土的配置强度fcu,0＝fcu,k+1.645σ
式中：fcu,0为混凝土配制强度(MPa)；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)；σ为混凝土强度标准差(MPa)
(2)水泥强度fce＝γc·fce,g
式中：fce为水泥28天胶砂抗压强度(MPa)；γc取1.16；fce,g为水泥强度等级值(MPa)；
页岩陶粒轻骨料用量Mg＝α·ρg
式中：Mg每立方米混凝土中轻骨料的质量；α为轻骨料用量系数；ρg为轻骨料堆积密度；
所述机制砂的用量
Ms＝β·Vm·ρs
Figure FDA0003594221400000011
式中：β为砂用量系数；Vm为砂浆体积；ρs为机制砂表观密度；ρg为轻骨料表观密度；
所述水胶比
Figure FDA0003594221400000012
式中：η为矿物掺合料占胶凝材料的总量的百分比；κ为矿物掺合料的胶凝系数；
所述水的用量
Figure FDA0003594221400000013
式中：ρc为水泥密度；ρw为水的密度；η为矿物掺合料的取代率；ρd为矿物掺合料的取代率；Vg为轻骨料的体积；Vs为机制砂的体积；Vα每立方米空气的体积(10L)；γ1为抗离析修正系数(0.83～0.87)；γ2为机制砂附加用水量修正系数(0.005～0.01)；
所述页岩陶粒轻骨料的吸水性较大，附加水量
V′w＝e·Mg
式中：e为轻骨料24小时的吸水率
所述胶凝材料的用量
Figure FDA0003594221400000021
其中：粉煤灰用量
M(f)＝ε1·M(b)
硅灰用量
M(gh)＝ε2·M(b)
水泥用量
M(c)＝M(b)-M(f)-M(gh)
式中：ε1为粉煤灰取代率；ε2为硅灰的取代率；
所述外加剂用量
Mca＝τ·M(b)
式中：Mca为外加剂的质量(kg)；τ为外加剂占胶凝材料的质量百分数(％)。
2.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述机制砂由硬度较高的岩石或建筑类固体无机垃圾制备得到；所述建筑类固体无机垃圾包括风化石、废砖、废瓷砖、废混凝土块及矿山尾矿。
3.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述水的用量
Figure FDA0003594221400000031
所述页岩陶粒轻骨料的吸水性较大，附加水量公式如下
V′w＝e·Mg
式中：e为轻骨料24小时的吸水率；ρc为水泥密度；ρw为水的密度；η为矿物掺合料的取代率；ρd为矿物掺合料的取代率；Vg为轻骨料的体积；Vs为机制砂的体积；Vα每立方米空气的体积(10L)。
4.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述水的用量公式中修正系数的范围，γ1为抗离析修正系数0.83～0.87；γ2为机制砂附加用水量修正系数0.005～0.01。
5.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述轻骨料用量系数和机制砂用量系数取值确定的方法包括以下步骤：
(1)以初级基准配合比中的轻骨料用量系数和机制砂用量系数为基准，再取两组系数，结合水胶比，开展三因素三水平的正交试验，设计出9组配合比进行工作性能和基本力学性能试验；
(2)检测拌合物自密实性能的控制指标，进行坍落扩展度试验、T500试验，测量拌合物的填充性能；
(3)若满足拌合物的填充性能，接着进行J形环试验、V形漏斗试验、U形箱试验，测量拌合物的间隙通过性能和抗离析性能；
(4)根据正交试验工作性能结果得出轻骨料用量系数为0.5～0.53；机制砂用量系数为0.4～0.43。
6.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述机制砂为全掺量，其细度模数为2.6～3.2，石粉含量小于10％，MB值小于1.4。
7.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述轻骨料采用700级及其以上的高强度页岩陶粒,其粒径为5mm～16mm连续级配。
8.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，所述矿物掺合料用量比例，粉煤灰掺量占胶凝材料总量的20％～30％，硅灰掺量占胶凝材料总量的4％～6％。
9.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，初步基准配合比的混凝土拌合物坍落扩展度值满足SF1。
10.根据权利要求1所述的一种机制砂自密实轻骨料混凝土配合比的方法，其特征在于，制备方法为按比例向搅拌机中加入机制砂和轻骨料，强制搅拌30s，再加入胶凝材料强制搅拌30s，将聚羧酸高性能减水剂与水均匀混合，在所得混合物中加入1/2的水和减水剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4的水和减水剂，强制搅拌60s，再将剩余的水和减水剂加入所得混合物中，强制搅拌120s制得混凝土拌合物。
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