CN113744813B - 一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法 - Google Patents

一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，属于建筑材料技术领域。该高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，根据富勒曲线最大密实度理论，将机制砂和粗集料作为堆积体系，通过考虑机制砂石粉含量、粗集料空隙率、砂浆厚度等因素，从设计方面解决了现有机制砂混凝土配合比设计方法因忽略集料级配比例而出现的密实度，以及耐久性设计不合理的问题，为高耐久性机制砂混凝土的配合比设计提供了一种新方法。

Description

一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种高耐久性机制砂混凝土配合比设计方法。
背景技术
机制砂混凝土和普通混凝土主要区别在于砂的种类不同，除了骨料的粒径及形状差异对机制砂混凝土性能有影响外，机制砂中石粉的含量也对混凝土工作性能、力学性能以及耐久性有很大的影响。从控制机制砂混凝土工作性能、力学性能以及耐久性设计配合比时，除了规范中要求的配合比设计方法以外，需要对集料的全级配比例进行设计，通过控制粗集料、机制砂、胶凝材料的含量，依据最大密实度理论部对粗细集料级配与混凝土配合比进行设计，使物料的空隙率达到最小，密实度达到最大。最大密度曲线理论最早由富勒(Fuller)等研究者提出，其基本思想是固体颗粒按照粒度大小，有规则的排列组合，粗细搭配，可以形成密度最大、空隙率最小的混合料。并认为“矿料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，其密度愈大”。
采用最大密实度理论，通过控制混凝土干料中粗集料、机制砂、掺合料、水泥的比例，保证其最大密实的前提下，合理利用机制砂中石粉的含量，通过控制坍落度、抗压强度、浆骨比等调控指标，使得机制砂混凝土密度最大、空隙率最小，保证机制砂混凝土的耐久性。
因此，采用最大密实度理论，通过调控混凝土干料中粗集料、机制砂的含量，合理控制机制砂中石粉含量，开发一种高耐久性机制砂混凝土配合比设计方法具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于解决现有的机制砂石粉含量过高和机制砂混凝土中石粉含量不可控的技术问题，为此，本发明提供了一种高耐久性机制砂混凝土配合比设计方法，在保证混凝土的工作性、力学性能的同时，又能够保障机制砂混凝土良好的耐久性。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，包括如下步骤：
(1)设定需要配制的高耐久性机制砂混凝土的设计强度，确定机制砂混凝土的水胶比w/b；
(2)按照机制砂混凝土的工作性和粗集料最大粒径，确定未掺外加剂时的用水量mw′；
(3)根据外加剂的减水率，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)，其中β是减水剂的减水率；
(4)根据水胶比和实际用水量，确定胶凝材料用量
(5)根据矿物掺合料的用量系数βf，确定胶凝材料中矿物掺合料用量mf＝mbβf、水泥用量mc＝mb-mf＝mb(1-βf)；
(6)初步确定粗集料和机制砂的掺量
粗集料的质量可根据公式确定
m粗＝(mcon-mb-mw)(Pg-P4.75)
其中m粗是粗集料的质量，mcon是混凝土的质量，mb是胶凝材料的质量，mw是水的质量，Pg是粗集料筛孔直径g的通过率；
机制砂的质量可根据公式确定
其中P4.75是混凝土干料中小于4.75mm颗粒的通过率，P0.075是混凝土干料中小于0.075mm颗粒的通过率，Psj,0.075是机制砂小于0.075mm颗粒的通过率。
优选地，所述粗集料和所述机制砂的通过率可根据如下公式得到：
其中Pi是各个筛孔的通过率，单位是％；D是堆积体系的最大粒径，单位是mm；di是筛孔尺寸，单位是mm；n是最大密实度理论系数。
优选地，所述最大密实度理论系数通过堆积试验得到各粒径材料在最密堆积下的占比，并得出各筛孔的通过率，单位是％，再根据公式logpi＝n(logdi-logD)拟合得出。
优选地，若缺乏试验数据，n取0.45。
优选地，所述机制砂混凝土中的细粉颗粒的质量应满足如下条件：
其中m0.075是机制砂混凝土干料中小于0.075mm颗粒的质量。
优选地，若出现则需补充细粉，补充量为/>
优选地，所述机制砂混凝土浆骨比V浆/V集料应满足30:70～40:60。
优选地，浆体的体积
集料的体积
其中V浆是水泥、掺合料、石粉、水和空气的体积，V集料是机制砂和粗集料的体积，不包含机制砂中石粉的体积。mc是水泥的质量；ρc是水泥的密度；mf是掺合料的质量；ρf是掺合料的密度；m细，0.075是机制砂中石粉的质量；mw是水的质量；ρw是水的密度；αa是混凝土中空气的体积，不掺引气剂的混凝土含气量设为1％，加引气剂时混凝土的含气量不超过7％；ρ集是集料的密度。
本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
1.本发明提供的高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，采用最大密实度理论控制机制砂混凝土中石粉的含量，使得机制砂混凝土密度最大、空隙率最小，在保证混凝土的工作性、力学性能的同时，又能够保障机制砂混凝土良好的耐久性。
2.该配合比设计方法采用最大密实度理论，发展为混凝土干料的全级配设计方法，能够解决现有的机制砂石粉含量过高和机制砂混凝土中石粉含量不可控的技术问题。
3.本发明提供的高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法中各组分质量是考虑机制砂石粉含量、粗集料空隙率、砂浆厚度等因素，从设计方面解决了现有机制砂混凝土配合比设计方法因忽略集料级配比例而出现的密实度，以及耐久性设计不合理的问题，为高耐久性机制砂混凝土的配合比设计提供了一种新方法。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚详细的描述。
实施例1
(1)选择机制砂石粉的含量为9％，粗集料的最大粒径是31.5mm，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)，按照机制砂混凝土的配制强度和胶凝材料的28天强度，根据混凝土的配制强度C30，选择PO·32.5硅酸盐水泥，确定水胶比w/b＝0.43；
(2)按照机制砂混凝土的工作性和粗集料最大粒径，确定未掺外加剂时的用水量195kg；
(3)根据外加剂的减水率，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)，其中β是减水剂的减水率，β＝15％，当减水剂的掺量为1％时，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)＝195×(1-15％＝)166kg；
(4)确定胶凝材料的质量
根据水胶比和实际用水量，确定胶凝材料用量
(5)确定水泥的质量
根据粉煤灰掺合料的用量系数βf＝20％，确定胶凝材料中矿物掺合料用量mf＝mbβf＝77kg，水泥用量mc＝mb-mf＝mb(1-βf)＝309kg；
其中，胶凝材料用量、矿物掺合料用量以及水泥用量均为四舍五入后取的整数；
(6)确定骨料的质量
骨料的最大粒径是31.5mm，采用富勒曲线确定各级材料的筛孔通过率，按下式计算：
其中:di是某集料粒径(mm)；D是矿质混合料最大集料粒径(mm)；Pi是某级集料的通过率(％)；n是幂指数(最大密实度理论系数)，取0.45。
根据上式得出最大集料粒径31.5mm，各筛孔通过率如下：
表1不同粒径集料的通过率
筛孔直径 31.5 19 9.5 4.75 0.15 0.075
通过率％ 100.0 79.7 58.3 42.7 9.0 6.6
粗集料的质量可根据如下公式确定：
m粗＝(mcon-mb-mw)(Pg-P4.75)
粗集料粒径为31.5～20mm区间的质量可根据公式确定
m31.5-m19＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2420-307-77-165)×(100％-79.7％)
＝1871×20.3％
＝380kg
粗集料粒径为10～20mm区间的质量可根据公式确定
m19-m9.5＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2420-307-77-165)×(79.7％-58.3％)
＝1871×21.4％
＝400kg
粗集料粒径为5～10mm区间的质量可根据公式确定
m9.5-m4.75＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2420-307-77-165)×(58.3％-42.7％)
＝292kg
其中混凝土容重假设为2420kg/m3，m粗是粗集料的质量，mcon是混凝土的质量，假设单位的质量为2420kg，mb是胶凝材料的质量，mw是水的质量，Pi是粗集料筛孔直径i的通过率。
按照最大密实度理论计算得到粗集料各粒径的质量为：16mm-31.5mm碎石的质量为380kg，10-20mm碎石的质量为400kg，5-10mm碎石的质量为292kg，见表2。
表2实施例1高耐久性机制砂混凝土与原配合比对比
测得机制砂的石粉含量为9％，即Psj,0.075＝9％，机制砂的质量可根据公式确定
其中P4.75是混凝土干料中小于4.75mm颗粒的通过率，P0.075是混凝土干料中小于0.075mm颗粒的通过率，Psj,0.075是机制砂小于0.075mm颗粒的通过率。
机制砂混凝土干料中的细粉质量为
满足最大密实度时需要的细粉含量为
m0.075＝2420×6.6％＝160kg
由于单位体积机制砂混凝土干料中细粉质量大于最大密实度时需要的细粉，即m细粉＞m0.075，所以不需要补充细粉即可满足最大密实度配合比设计的要求。
机制砂混凝土浆骨比V浆/V集料应满足30:70～40:60。
浆体的体积
集料的体积
其中水泥的密度为3×103kg/m3；粉煤灰的密度为2×103kg/m3；集料采用的石灰岩，密度为2720kg/m3；水的密度为3×103kg/m3；机制砂混凝土中不加引气剂时，空气的体积为1％。
经过验算，V浆/V集料＝34:64，在30:70～40:60区间，满足浆骨比的要求。
实施例2
(1)本实施例中配制C40的高耐久性机制砂混凝土，其中机制砂的石粉含量为6％，粗集料的最大粒径是31.5mm，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)按照机制砂混凝土的配制强度和胶凝材料的28天强度，根据混凝土的配制强度C40，确定水胶比w/b＝0.37。
(2)按照机制砂混凝土的工作性和粗集料最大粒径，确定未掺外加剂时的用水量190kg；
(3)根据外加剂的减水率，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)，其中β是减水剂的减水率，根据减水剂的减水率β＝15％，当减水剂的掺量为1％时，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)＝162kg；
(4)确定胶凝材料的质量
根据水胶比和实际用水量，确定胶凝材料用量
(5)确定水泥的质量
根据粉煤灰掺合料的用量系数βf＝18％，确定胶凝材料中矿物掺合料用量mf＝mbβf＝79kg，水泥用量mc＝mb-mf＝mb(1-βf)＝359kg；
(6)确定骨料的质量
骨料的最大粒径是31.5mm，采用富勒曲线确定各级材料的筛孔通过率，按下式计算：
其中:di是某集料粒径(mm)；D是矿质混合料最大集料粒径(mm)；Pi是需计算的某级集料的通过率(％)；n是幂指数(最大密实度理论系数)，n取0.45。
计算结果同表1。
粗集料的质量可根据如下公式确定
m粗＝(mcon-mb-mw)(Pg-P4.75)
粗集料粒径为31.5～20mm区间的质量可根据公式确定
m31.5-m19＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2450-359-79-162)×(100％-79.7％)
＝1850×20.3％
＝376kg
粗集料粒径为10～20mm区间的质量可根据公式确定
m19-m9.5＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2450-359-79-162)×(79.7％-58.3％)
＝1850×21.4％
＝396kg
粗集料粒径为5～10mm区间的质量可根据公式确定
m9.5-m4.75＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2450-359-79-162)×(58.3％-42.7％)
＝289kg
其中混凝土容重假设为2450kg/m3，m粗是粗集料的质量，mcon是混凝土的质量，假设单位的质量为2420kg，mb是胶凝材料的质量，mw是水的质量，Pi是粗集料筛孔直径i的通过率。
按照最大密实度理论计算得到粗集料各粒径的质量为：16mm-31.5mm碎石的质量为376kg，10-20mm碎石的质量为396kg，5-10mm碎石的质量为289kg，见表3。
表3实施例2机制砂混凝土配合比
测得机制砂的石粉含量为6％，即Psj,0.075＝6％，机制砂的质量可根据公式确定
其中P4.75是混凝土干料中小于4.75mm颗粒的通过率，P0.075是混凝土干料中小于0.075mm颗粒的通过率，Psj,0.075是机制砂小于0.075mm颗粒的通过率。
机制砂混凝土干料中的石粉质量为
满足最大密实度时需要的细粉含量为
m0.075＝2450×6.6％＝162kg
由于单位体积机制砂混凝土干料中细粉质量大于最大密实度时需要的细粉，即m细粉＞m0.075，所以不需要补充细粉即可满足最大密实度配合比设计的要求。
浆体的体积
集料的体积
其中水泥的密度为3×103kg/m3；粉煤灰的密度为2×103kg/m3；集料采用的石灰岩，密度为2720kg/m3；水的密度为3×103kg/m3；机制砂混凝土中不加引气剂时，空气的体积为1％。
经过验算，V浆/V集料＝35:65，在30:70～40:60区间，满足浆骨比的要求。
实施例3
(1)本实施例中配制C50的高耐久性机制砂混凝土，其中机制砂的石粉含量为6％，粗集料粒径范围5-20mm，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)按照机制砂混凝土的配制强度和胶凝材料的28天强度，根据混凝土的配制强度C50，确定水胶比w/b＝0.34。
(2)按照机制砂混凝土的工作性和粗集料最大粒径，确定未掺外加剂时的用水量192kg；
(3)根据减水剂的减水率β＝15％，当减水剂的掺量为1％时，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)＝163kg；
(4)确定胶凝材料的质量
根据水胶比和实际用水量，确定胶凝材料用量
(5)确定水泥的质量
根据粉煤灰掺合料的用量系数βf＝10％，确定胶凝材料中矿物掺合料用量mf＝mbβf＝48kg，水泥用量mc＝mb-mf＝mb(1-βf)＝432kg；
(6)确定骨料的质量
骨料的最大粒径是20mm，采用富勒曲线确定各级材料的筛孔通过率，按下式计算：
其中:di是某集料粒径(mm)；D是矿质混合料最大集料粒径(mm)；Pi是需计算的某级集料的通过率(％)；n是幂指数(最大密实度理论系数)，n取0.45，计算结果见表4。
表4不同粒径集料的通过率
筛孔直径 19 9.5 4.75 0.15 0.075
通过率％ 100.0 73.2 53.6 11.3 8.1
粗集料的质量可根据如下公式确定
m粗＝(mcon-mb-mw)(Pg-P4.75)
粗集料粒径为10～20mm区间的质量可根据公式确定
m19-m9.5＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2450-480-163)×(100％-73.2％)
＝1807×26.8％
＝484kg
粗集料粒径为5～10mm区间的质量可根据公式确定
m9.5-m4.75＝(mcon-mb-mw)(P9.5-P4.75)
＝(2450-480-163)×(73.2％-53.6％)
＝1807×19.6％
＝354kg
其中混凝土容重假设为2450kg/m3，m粗是粗集料的质量，mcon是混凝土的质量，假设单位体积机制砂混凝土的质量为2450kg，mb是胶凝材料的质量，mw是水的质量，Pi是粗集料筛孔直径i的通过率。
按照最大密实度理论计算得到粗集料各粒径的质量为：10-20mm碎石的质量为484kg，5-10mm碎石的质量为354kg，见表5。
表5实施例3机制砂混凝土配合比
机制砂的石粉含量为6％，即Psj,0.075＝6％，机制砂的质量可根据公式确定
其中P4.75是混凝土干料中小于4.75mm颗粒的通过率，P0.075是混凝土干料中小于0.075mm颗粒的通过率，Psj,0.075是机制砂小于0.075mm颗粒的通过率。
机制砂混凝土干料中的细粉质量为
满足最大密实度时需要的细粉含量为
m0.075＝2450×8.1％＝198kg
由于单位体积机制砂混凝土干料中细粉质量大于最大密实度时需要的细粉，即m细粉＞m0.075，所以不需要补充细粉即可满足最大密实度配合比设计的要求。
浆体的体积
集料的体积
其中水泥的密度为3×103kg/m3；粉煤灰的密度为2×103kg/m3；集料采用的石灰岩，密度为2720kg/m3；水的密度为3×103kg/m3；机制砂混凝土中不加引气剂时，空气的体积为1％。V浆是水泥、掺合料、石粉、水和空气的体积，V集是粗细集料的体积，不包含细集料中石粉的体积。mc是水泥的质量；ρc是水泥的密度；mf是掺合料的质量；ρf是掺合料的密度；m细，0.075是机制砂中石粉的质量；mw是水的质量；ρw是水的密度；αa是混凝土中空气的体积，不掺引气剂的混凝土含气量设为1％，加引气剂时混凝土的含气量不超过7％；ρ集是集料的密度。
经过验算，V浆/V集料＝37.5:62.5，在30:70～40:60区间，满足浆骨比的要求。
以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设定需要配制的高耐久性机制砂混凝土的设计强度，确定机制砂混凝土的水胶比w/b；
(2)按照机制砂混凝土的工作性和粗集料最大粒径，确定未掺外加剂时的用水量mw′；
(3)根据外加剂的减水率，确定实际用水量mw＝m′w(1-β)，其中β是减水剂的减水率；
(4)根据水胶比和实际用水量，确定胶凝材料用量
(5)根据矿物掺合料的用量系数βf，确定胶凝材料中矿物掺合料用量mf＝mbβf、水泥用量mc＝mb-mf＝mb(1-βf)；
(6)初步确定粗集料和机制砂的掺量
粗集料的质量可根据公式确定
m粗＝(mcon-mb-mw)(Pg-P4.75)
其中m粗是粗集料的质量，mcon是混凝土的质量，mb是胶凝材料的质量，mw是水的质量，Pg是粗集料筛孔直径g的通过率；
机制砂的质量可根据公式确定
其中P4.75是混凝土干料中小于4.75mm颗粒的通过率，P0.075是混凝土干料中小于0.075mm颗粒的通过率，Psj,0.075是机制砂小于0.075mm颗粒的通过率。
2.根据权利要求1所述的一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，所述粗集料和所述机制砂的通过率可根据如下公式得到：
其中Pi是各个筛孔的通过率，单位是％；D是堆积体系的最大粒径，单位是mm；di是筛孔尺寸，单位是mm；n是最大密实度理论系数。
3.根据权利要求2所述的一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，所述最大密实度理论系数通过堆积试验得到各粒径材料在最密堆积下的占比，并得出各筛孔的通过率，单位是％，再根据公式logpi＝n(logdi-logD)拟合得出。
4.根据权利要求2所述的一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，若缺乏试验数据，n取0.45。
5.根据权利要求1所述的一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，所述机制砂混凝土中的细粉颗粒的质量应满足如下条件：
其中m0.075是机制砂混凝土干料中小于0.075mm颗粒的质量。
6.根据权利要求5所述的一种高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，若出现则需补充细粉，补充量为/>
7.根据权利要求1所述高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，所述机制砂混凝土浆骨比V浆/V集料应满足30:70～40:60。
8.根据权利要求7所述高耐久性机制砂混凝土配合比的设计方法，其特征在于，浆体的体积
集料的体积
其中V浆是水泥、掺合料、石粉、水和空气的体积，V集料是粗集料和机制砂的体积，不包含细集料中石粉的体积，mc是水泥的质量；ρc是水泥的密度；mf是掺合料的质量；ρf是掺合料的密度；m细，0.075是机制砂中石粉的质量；mw是水的质量；ρw是水的密度；αa是混凝土中空气的体积，不掺引气剂的混凝土含气量设为1％，加引气剂时混凝土的含气量不超过7％；ρ集是机制砂和粗集料的密度。
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