CN113378400A - 一种水泥混凝土配合比设计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水泥混凝土配合比设计方法及系统，其方法包括：(1)建立水泥混凝土的试配数据库；(2)根据胶凝材料变化所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量‑水胶比‑养护温度‑养护天数对应的数个试配配合比及其养护工况；(3)根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到修正配合比；(4)根据修正配合比及其对应的养护工况进行制样和养护，得到试配混凝土并进行抗压强度测试；(5)筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。本发明在实际应用过程中根据胶凝材料的变化实时更新施工配合比，保证混凝土施工的质量稳定性和高效性。

Description

一种水泥混凝土配合比设计方法及系统
技术领域
本发明属于水泥混凝土技术领域，具体涉及一种水泥混凝土配合比设计方法及系统。
背景技术
水泥混凝土的质量稳定性、体积稳定性及配合比经济性，是混凝土工程重点关注的目标对象。评价水泥混凝土施工配合比的好坏，首先要考虑水泥混凝土的质量稳定性和可施工性，其次考虑水泥混凝土的经济性和外观质量。
水泥混凝土常用的原材料包括水泥、粉煤灰、矿粉、砂、石、水、外加剂等，这些原材料中的一些参数变化对水泥混凝土的可施工性及质量稳定性影响较大。因此，如何根据原材料的变化有效更新施工配合比，实现水泥混凝土的质量稳定又兼顾经济性，是当前实际应用中亟需解决的难题。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的是提供一种水泥混凝土配合比设计方法及系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种水泥混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
(1)建立水泥混凝土的试配数据库；
水泥混凝土的原材料包括水和胶凝材料，胶凝材料包括水泥、矿粉和粉煤灰，固定水的用量，固定粉煤灰与矿粉的用量比，在水泥混凝土施工性能不变的前提下，改变水泥混凝土中的水泥用量、水胶比、养护温度、养护天数，得到相应的水泥混凝土并测试抗压强度，得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数-强度对应的试配数据库；
(2)根据胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数对应的数个试配配合比及其对应的养护工况；
(3)根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；
(4)根据各修正配合比及其对应的养护工况进行制样和养护，得到试配水泥混凝土并进行抗压强度测试；
(5)筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。
作为优选方案，所述步骤(1)中，养护温度包括40℃和60℃，养护天数包括3天和7天；
在40℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝af3+b
在60℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝cf'3+d
在40℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝a'f7+b'
在60℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝c'f'7+d'；
其中，a、a'、b、b'、c、c'、d、d'为相应的回归系数。
作为优选方案，所述步骤(1)中，水泥混凝土中的水泥用量包括100wt％、80wt％、60wt％、40wt％和20wt％。
作为优选方案，所述步骤(1)中，水胶比在0.3～0.55之间选取。
作为优选方案，所述步骤(1)中，粉煤灰与矿粉的用量比为2：1。
作为优选方案，所述步骤(1)中，水泥混凝土覆盖标号为C20-C60的混凝土。
作为优选方案，所述步骤(2)中，在目标抗压强度的±10％的富余区间内匹配试配数据库。
作为优选方案，所述步骤(3)包括：
根据胶凝材料的活性系数，计算相应的变化系数：
水泥的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000031
sC为新的水泥的活性指数，sC,0为试配数据库中的水泥的活性指数；
粉煤灰的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000032
sF为新的粉煤灰的活性指数，sF,0为试配数据库中的粉煤灰的活性指数；
矿粉的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000033
sK为新的粉煤灰的活性指数，sK,0为试配数据库中的矿粉的活性指数；
胶凝材料的修正用量为：
Figure BDA0003133032060000034
δ为相应的胶凝材料的变化系数，S0为试配数据库中相应的胶凝材料的用量；
根据鲍罗米公式计算得到胶凝材料变化后的用水量；
其中，
Figure BDA0003133032060000035
Figure BDA0003133032060000037
为水胶比，αa、αb为根据水胶比与抗压强度之间的关系确定的回归系数；fb为胶凝材料28d胶砂抗压强度，fcu为水泥混凝土试配强度；
胶凝材料变化后的水胶比为：
Figure BDA0003133032060000036
f'b为新的胶凝材料28d胶砂抗压强度；
得到胶凝材料变化后的用水量W'；
根据胶凝材料变化后的修正用量以及用水量修正各试配配合比，得到修正配合比。
作为优选方案，所述步骤(5)，若所有试配混凝土的抗压强度均未达到目标抗压强度，则返回步骤(3)对修正配合比进行微调。
本发明还提供一种水泥混凝土配合比设计系统，应用如上任一项方案所述的水泥混凝土配合比设计方法，所述配合比设计系统包括：
数据库模块，用于存储水泥混凝土的试配数据库；
输入模块，用于输入胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度以及试配水泥混凝土的抗压强度；
匹配模块，用于根据胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数对应的数个试配配合比及其对应的养护工况；
修正模块，用于根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；
筛选模块，用于筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的水泥混凝土配合比设计方法及系统，当胶凝材料发生变化时，根据设计的目标抗压强度，在试配数据库中选取相应的试配配合比，并结合胶凝材料的变化对混凝土施工性能、力学性能、耐久性的影响，修正试配配合比从而得到理想配合比；在实际应用过程中，根据胶凝材料的变化实时更新施工配合比，保证混凝土施工的质量稳定性和高效性。
附图说明
图1是本发明实施例的水泥混凝土配合比设计方法的流程图；
图2是本发明实施例的水泥混凝土配合比设计系统的构架图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的水泥混凝土配合比设计，实现强度全覆盖、经济性全覆盖、胶凝材料变化全覆盖和施工适应性调整。
强度全覆盖：固定一个用水量，改变不同的水泥用量，通过调整外加剂保持基本相同的坍落度，适当调整砂率保证混凝土和易性，这样可以得出在基本施工性能不变的情况下，不同的水泥基水胶比强度发展的全况，基本能了解各标号混凝土的强度全图，如果数据异常可加密复合，如果两端还不能覆盖则扩大水胶比范围。
经济性全覆盖：在满足施工性、强度、耐久性及施工图、规范标准的前提下，通过不同的胶凝材料组合找出最佳组合比例，使材料得到充分利用下，经济效益最大化。
胶凝材料变化全覆盖：通过前期配合比试验预设相关易变性材料及变化的程度对混凝土施工性能、力学性能、耐久性的影响，调整相关参数使其达到原理想配合比的要求，保证施工过程不受材料变化而影响其可施工性、经济性及其他相关性能。
施工适应性调整：指当胶凝材料变化引起施工性能发生变化时，通过外加剂调整保持基本相同的坍落度，适当调整砂率保持混凝土的和易性。
如图1所示，本发明实施例的水泥混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
(1)建立水泥混凝土的试配数据库；
水泥混凝土的原材料包括水和胶凝材料，胶凝材料包括水泥、矿粉和粉煤灰，固定水的用量，固定粉煤灰与矿粉的用量比，在水泥混凝土施工性能不变的前提下，改变水泥混凝土中的水泥用量、水胶比、养护温度、养护天数，得到相应的水泥混凝土并测试抗压强度，得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数-强度对应的试配数据库；
具体地，试配数据库中的水泥混凝土中的水泥用量包括100wt％、80wt％、60wt％、40wt％和20wt％；
试配数据库中的水胶比在0.3～0.55之间选取。
试配数据库中的粉煤灰与矿粉的用量比为2：1。
试配数据库中的水泥混凝土覆盖标号为C20-C60的混凝土。
以其中一个标号的混凝土为例，建立以下试配混凝土的配合比，如表1所示。
表1试配混凝土的配合比
Figure BDA0003133032060000061
Figure BDA0003133032060000071
Figure BDA0003133032060000081
另外，对于养护工况：养护温度包括40℃和60℃，养护天数包括3天和7天；
在40℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝af3+b
在60℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝cf'3+d
在40℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝a'f7+b'
在60℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝c'f'7+d'；
其中，a、a'、b、b'、c、c'、d、d'为相应的回归系数。
(2)根据胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数对应的数个试配配合比及其对应的养护工况；
具体地，目标抗压强度为胶凝材料变化之后所要达到的设计强度，在目标抗压强度的±10％的富余区间内匹配试配数据库，例如，若需要C40配合比，fcu,k＝40+1.645*5＝48MPa，则取强度富余空间为48～53Mpa，根据强度值在数据库中找到强度达到48～53MPa需要的胶凝材料的使用量及各种材料掺量，参照混凝土施工的实际情况，选取最经济配合比区间，48Mpa、50Mpa、53Mpa各一个初选配合比，得到三个试配配合比。
(3)根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；
具体地，根据胶凝材料的活性系数，计算相应的变化系数：
水泥的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000091
sC为新的水泥的活性指数，sC,0为试配数据库中的水泥的活性指数；
粉煤灰的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000092
sF为新的粉煤灰的活性指数，sF,0为试配数据库中的粉煤灰的活性指数；
矿粉的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000093
sK为新的粉煤灰的活性指数，sK,0为试配数据库中的矿粉的活性指数；
胶凝材料的修正用量为：
Figure BDA0003133032060000094
δ为相应的胶凝材料的变化系数，S0为试配数据库中相应的胶凝材料的用量；
根据鲍罗米公式计算得到胶凝材料变化后的用水量；
其中，
Figure BDA0003133032060000095
Figure BDA0003133032060000096
为水胶比，αa、αb为根据水胶比与抗压强度之间的关系确定的回归系数；fb为胶凝材料28d胶砂抗压强度，fcu为水泥混凝土试配强度；
胶凝材料变化后的水胶比为：
Figure BDA0003133032060000101
f'b为新的胶凝材料28d胶砂抗压强度；
得到胶凝材料变化后的用水量W'；
根据胶凝材料变化后的修正用量以及用水量修正各试配配合比，得到三个修正配合比。
(4)根据各修正配合比及其对应的养护工况进行制样和养护，得到试配水泥混凝土并进行抗压强度测试；
具体地，修正配合比对应的养护工况即修正配合比对应的修正前的试配配合比对应的养护工况；即在数据库中找到拟合方程式(根据不同龄期、不同养护温度，得到养护温度、龄期与强度的拟合方程式)，参照拟合方程式，选取相应的养护温度及养护天数；对三个修正后的修正配合比进行制样、养护，得到试配水泥混凝土并测试相应的抗压强度。
(5)筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。
具体地，若得到的三个试配水泥混凝土的抗压强度满足预期要求(即达到目标抗压强度)，则选取三个修正配合比中最经济的一个作为实际浇筑配合比；若三个试配水泥混凝土的抗压强度均不满足强度要求，则对修正配合比进行微调，重新进行步骤(4)、(5)直至试配水泥混凝土的抗压强度满足预期要求。
本发明实施例还提供一种水泥混凝土配合比设计系统，应用本发明实施例的水泥混凝土配合比设计方法。如图2所示，水泥混凝土配合比设计系统包括：
数据库模块，用于存储水泥混凝土的试配数据库；
具体地，水泥混凝土的原材料包括水和胶凝材料，胶凝材料包括水泥、矿粉和粉煤灰，固定水的用量，固定粉煤灰与矿粉的用量比，在水泥混凝土施工性能不变的前提下，改变水泥混凝土中的水泥用量、水胶比、养护温度、养护天数，得到相应的水泥混凝土并测试抗压强度，得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数-强度对应的试配数据库；
具体地，试配数据库中的水泥混凝土中的水泥用量包括100wt％、80wt％、60wt％、40wt％和20wt％；
试配数据库中的水胶比在0.3～0.55之间选取。
试配数据库中的粉煤灰与矿粉的用量比为2：1。
试配数据库中的水泥混凝土覆盖标号为C20-C60的混凝土。
另外，对于养护工况：养护温度包括40℃和60℃，养护天数包括3天和7天；
在40℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝af3+b
在60℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝cf'3+d
在40℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝a'f7+b'
在60℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝c'f'7+d'；
其中，a、a'、b、b'、c、c'、d、d'为相应的回归系数。
输入模块，用于输入胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度以及试配水泥混凝土的抗压强度；
匹配模块，用于根据胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数对应的数个试配配合比及其对应的养护工况；
具体地，目标抗压强度为胶凝材料变化之后所要达到的设计强度，在目标抗压强度的±10％的富余区间内匹配试配数据库，例如，若需要C40配合比，fcu,k＝40+1.645*5＝48MPa，则取强度富余空间为48～53Mpa，根据强度值在数据库中找到强度达到48～53MPa需要的胶凝材料的使用量及各种材料掺量，参照混凝土施工的实际情况，选取最经济配合比区间，48Mpa、50Mpa、53Mpa各一个初选配合比，得到三个试配配合比。
修正模块，用于根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；
具体地，根据胶凝材料的活性系数，计算相应的变化系数：
水泥的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000121
sC为新的水泥的活性指数，sC,0为试配数据库中的水泥的活性指数；
粉煤灰的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000122
sF为新的粉煤灰的活性指数，sF,0为试配数据库中的粉煤灰的活性指数；
矿粉的变化系数为：
Figure BDA0003133032060000123
sK为新的粉煤灰的活性指数，sK,0为试配数据库中的矿粉的活性指数；
胶凝材料的修正用量为：
Figure BDA0003133032060000124
δ为相应的胶凝材料的变化系数，S0为试配数据库中相应的胶凝材料的用量；
根据鲍罗米公式计算得到胶凝材料变化后的用水量；
其中，
Figure BDA0003133032060000125
Figure BDA0003133032060000126
为水胶比，αa、αb为根据水胶比与抗压强度之间的关系确定的回归系数；fb为胶凝材料28d胶砂抗压强度，fcu为水泥混凝土试配强度；
胶凝材料变化后的水胶比为：
Figure BDA0003133032060000131
f'b为新的胶凝材料28d胶砂抗压强度；
得到胶凝材料变化后的用水量W'；
根据胶凝材料变化后的修正用量以及用水量修正各试配配合比，得到三个修正配合比。
筛选模块，用于筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。
具体地，若得到的三个试配水泥混凝土的抗压强度满足预期要求(即达到目标抗压强度)，则选取三个修正配合比中最经济的一个作为实际浇筑配合比；若三个试配水泥混凝土的抗压强度均不满足强度要求，则对修正配合比进行微调，重新进行制样、养护以及强度测试，直至试配水泥混凝土的抗压强度满足预期要求。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立水泥混凝土的试配数据库；
水泥混凝土的原材料包括水和胶凝材料，胶凝材料包括水泥、矿粉和粉煤灰，固定水的用量，固定粉煤灰与矿粉的用量比，在水泥混凝土施工性能不变的前提下，改变水泥混凝土中的水泥用量、水胶比、养护温度、养护天数，得到相应的水泥混凝土并测试抗压强度，得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数-强度对应的试配数据库；
(2)根据胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数对应的数个试配配合比及其对应的养护工况；
(3)根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；
(4)根据各修正配合比及其对应的养护工况进行制样和养护，得到试配水泥混凝土并进行抗压强度测试；
(5)筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。
2.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，养护温度包括40℃和60℃，养护天数包括3天和7天；
在40℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝af3+b
在60℃下，养护3天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝cf'3+d
在40℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f28＝a'f7+b'
在60℃下，养护7天的抗压强度与标养28天的抗压强度的对应关系为：
f'28＝c'f'7+d'；
其中，a、a'、b、b'、c、c'、d、d'为相应的回归系数。
3.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水泥混凝土中的水泥用量包括100wt％、80wt％、60wt％、40wt％和20wt％。
4.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水胶比在0.3～0.55之间选取。
5.根据权利要求2所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，粉煤灰与矿粉的用量比为2：1。
6.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水泥混凝土覆盖标号为C20-C60的混凝土。
7.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在目标抗压强度的±10％的富余区间内匹配试配数据库。
8.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
根据胶凝材料的活性系数，计算相应的变化系数：
水泥的变化系数为：
Figure FDA0003133032050000021
sC为新的水泥的活性指数，sC,0为试配数据库中的水泥的活性指数；
粉煤灰的变化系数为：
Figure FDA0003133032050000022
sF为新的粉煤灰的活性指数，sF,0为试配数据库中的粉煤灰的活性指数；
矿粉的变化系数为：
Figure FDA0003133032050000023
sK为新的粉煤灰的活性指数，sK,0为试配数据库中的矿粉的活性指数；
胶凝材料的修正用量为：
Figure FDA0003133032050000031
δ为相应的胶凝材料的变化系数，S0为试配数据库中相应的胶凝材料的用量；
根据鲍罗米公式计算得到胶凝材料变化后的用水量；
其中，
Figure FDA0003133032050000032
Figure FDA0003133032050000033
为水胶比，αa、αb为根据水胶比与抗压强度之间的关系确定的回归系数；fb为胶凝材料28d胶砂抗压强度，fcu为水泥混凝土试配强度；
胶凝材料变化后的水胶比为：
Figure FDA0003133032050000034
f'b为新的胶凝材料28d胶砂抗压强度；
得到胶凝材料变化后的用水量W'；
根据胶凝材料变化后的修正用量以及用水量修正各试配配合比，得到修正配合比。
9.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(5)，若所有试配混凝土的抗压强度均未达到目标抗压强度，则返回步骤(3)对修正配合比进行微调。
10.一种水泥混凝土配合比设计系统，应用如权利要求1-9任一项所述的水泥混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述配合比设计系统包括：
数据库模块，用于存储水泥混凝土的试配数据库；
输入模块，用于输入胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度以及试配水泥混凝土的抗压强度；
匹配模块，用于根据胶凝材料变化之后所需达到的目标抗压强度，匹配试配数据库以得到水泥用量-水胶比-养护温度-养护天数对应的数个试配配合比及其对应的养护工况；
修正模块，用于根据胶凝材料的变化修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；
筛选模块，用于筛选出试配水泥混凝土的抗压强度达到目标抗压强度对应的修正配合比，并选择最经济的修正配合比作为最终配合比。
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