CN113836738A - 一种基于骨料填充和效率因子的scc配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，包括以下步骤：根据自密实混凝土的设计抗压强度确定胶凝材料的用量，以及根据胶凝材料的用量和非水泥胶凝材料的替换比例确定非水泥胶凝材料的用量，并通过胶凝材料的用量和非水泥胶凝材料的用量计算出水泥的用量；根据水灰比‑强度曲线确定水灰比，并通过水灰比和胶凝材料的用量确定水的用量；根据骨料堆积因子确定骨料的用量；根据经验确定外加剂的用量，并通过外加剂的用量对水的用量进行调整。本发明的优点是：将骨料填充与强度模型相结合，以期SCC能获得所需强度、工作性能和最少胶凝材料用量；通过效率因子将非水泥胶凝材料等效为水泥，可根据已有文献成果，快速进行配合比设计。

Description

一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法

技术领域

本发明涉及混凝土的技术领域，尤其是一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法。

背景技术

在混凝土技术领域，自密实混凝土(SCC)是一种靠自重作用进行整平、压实的新型混凝土。适当的混凝土配合比设计可以得到环保、经济可行、性能优良的混凝土。一般认为，混凝土配合比选用材料类型和数量需保证所设计的配合比既要满足力学性能要求，又要满足工作性能要求。

现有的SCC配合比设计方法包括经验法、统计分析法、强度法、流变学模型法、骨料填充法、最经济配合比法等。经验法是一种简单但耗时的方法，需要多次进行试配。统计分析法通过控制配合比参数在一定范围内变化，获得其对SCC性能的影响，但这种方法也需要较多的试验数量。基于强度的方法使用火山灰材料作为添加剂来增强SCC性能。这种方法减少了试验次数，但需要在材料的数量上进行调整。基于流变学的模型最大限度地减少试配工作，同时对胶体进行优化以避免离析，可获得较好的工作性能。骨料填充模型可获得最小的胶凝材料用量。该理论的基础是骨料和浆体之间保证不离析所需的胶凝材料数量是变化的。在最经济配合比法中，水泥通常被活性较低的材料所取代，由于高水粉比，机械性能和耐久性很难达到。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，将骨料填充与强度模型相结合，在SCC所需强度、工作性能均满足要求的前提下，使用最少用量的胶凝材料。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据自密实混凝土的设计抗压强度确定胶凝材料的用量，以及根据所述胶凝材料的用量和非水泥胶凝材料的替换比例确定所述非水泥胶凝材料的用量，并通过所述胶凝材料的用量和所述非水泥胶凝材料的用量计算出水泥的用量；根据水灰比-强度曲线确定水灰比，并通过所述水灰比和所述胶凝材料的用量确定水的用量；根据骨料堆积因子确定骨料的用量；根据经验确定外加剂的用量，并通过所述外加剂的用量对所述水的用量进行调整。

所述胶凝材料的用量W_CM计算公式为：

其中，f_c为所述自密实混凝土的设计抗压强度，f_c根据目标抗压强度f′_c和强度标准差确定，所述强度标准差根据试验或规范确定，根据混凝土规范，f_c＝1.10f′_c+4.826；C_C为每千克所述胶凝材料产生的抗压强度值；W_CM符合规范规定的上下限值。

所述非水泥胶凝材料为高岭土、粉煤灰、矿渣中的一种或多种；

所述非水泥胶凝材料的用量W_SCM计算公式为：

W_SCM＝W_CM×P_SCM，

其中，P_SCM为所述非水泥胶凝材料的替换比例，P_SCM值根据试验或现有文献进行选择，

所述水泥的用量W_C计算公式为：

W_C＝W_CM-W_SCM。

采用Abram曲线拟合所述水灰比-强度曲线，拟合方程为：

其中，A和B为经验参数，W/C为所述水灰比，

所述水的用量W_W计算公式为：

其中，W_SCM等效为kW_SCM的水泥进行计算，k为效率因子，k根据已有文献或试验确定。

所述骨料堆积因子PF计算公式为：

PF＝V_AGG+V_SCM+V_C+V_W+V_A，

其中，V_AGG、V_SCM、V_C、V_W、V_A分别为单位立方米自密实混凝土中的骨料总体积、非水泥胶凝材料体积、水泥体积、水体积、空气体积。

所述骨料堆积因子PF通过测量装置测得；

所述测量装置包括带刻度的第一容器和第二容器，所述第一容器和所述第二容器底部通过连通管相连，所述第一容器底部设有阀门，所述第二容器底部设有水龙头，所述第二容器内部底侧设置有带孔的筛网，所述筛网设置位置与所述水龙头的水平段底部相平。

所述测量装置的测量方法包括以下步骤：

S1：粗骨料和细骨料放置在室温水中浸泡一段时间，以达到饱和的表面干燥状态，并将所述粗骨料和所述细骨料按一定质量比例混合均匀；

S2：向所述第一容器中倒入常温清水，同时打开所述阀门和所述水龙头，当所述水龙头开始出水时，停止向所述第一容器倒水，关闭所述水龙头，此时水面与所述筛网设置位置相平；

S3：将混合均匀的所述骨料倒入所述第二容器内；

S4：量取体积为V_a的水，向所述第一容器注入，至水位达到所述骨料顶面，所述第二容器的液面下体积为V_j；

S5：关闭所述阀门，所述第一容器中剩余的水体积为V_c；

S6：测得所述骨料堆积因子

选择所述骨料堆积因子PF最小值对应的所述粗骨料和所述细骨料混合比例，所述细骨料占所述骨料质量比为A_NS，所述粗骨料占骨料质量比为A_CA；

所述细骨料质量W_NS计算公式为:

W_NS＝V_AGG×A_NS×SG_NS×ρ，

所述粗骨料质量W_CS计算公式为：

W_CA＝V_AGG×A_CA×SG_CA×ρ，

其中，SG_NS为细骨料比重，SG_CA为粗骨料比重，ρ为水密度。

所述外加剂包括高性能减水剂和粘度调节剂；

所述高性能减水剂的用量W_HRWR计算公式为：

W_HRWR＝P_HRWR(W_CM)，

所述粘度调节剂的用量W_VMA计算公式为：

W_VMA＝P_VMA(W_CM)，

其中，P_HRWR为所述高性能减水剂的用量占所述胶凝材料的用量之比，其为0.5～2.5％；P_NMA为所述粘度调节剂的用量占所述胶凝材料的用量之比，其为0.05～1.0％。

调整所述水的用量，得到所述水的实际用量W′_W＝W_W-(W_HRWR+W_VMA)。

本发明的优点是：将骨料填充与强度模型相结合，以期SCC能获得所需强度、工作性能和最少胶凝材料用量；通过效率因子将非水泥胶凝材料等效为水泥，可根据已有文献成果，快速进行配合比设计。

附图说明

图1为本发明自密实混凝土设计过程流程图；

图2为本发明测量装置示意图；

图3为本发明骨料堆积因子与细骨料比例曲线图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图2所示，图中标记分别表示为:第一容器a、第二容器b、阀门c、水龙头d、水平面e-e、筛网f、连通管g、粗骨料h、细骨料i、水平面j-j。

实施例：如图1至图3所示，本实施例涉及一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，本实施例中，选用52.5普通硅酸盐水泥作为关键胶凝材料，比重为3.15，高岭土作为SCM(非水泥胶凝材料)，比重为2.6，细骨料为粒径不超过4.75mm的优质河砂，比重为2.65，粗骨料为粒径4.75mm至12.5mm的碎石，比重为2.66，其方法包括以下步骤：

1、根据SCC(自密实混凝土)的设计抗压强度f_c确定胶凝材料的用量W_CM。

胶凝材料的用量W_CM计算公式为：

其中，f_c根据目标抗压强度f′_c和强度标准差确定，强度标准差根据试验或规范确定，根据混凝土规范，f_c＝1.10f′_c+4.826；C_C为每千克胶凝材料产生的抗压强度值；W_CM符合规范规定的上下限值。本实施例中，f′_c为120Mpa，f_c＝1.10×120+4.826＝136.8MPa。在28天养护条件下，每千克胶凝材料产生的强度值C_C为0.15Mpa，SCC所需胶凝材料用量为

2、根据胶凝材料的用量W_CM和非水泥胶凝材料的替换比例P_SCM确定非水泥胶凝材料的用量W_SCM，并通过胶凝材料的用量W_CM和非水泥胶凝材料的用量W_SCM计算出水泥的用量W_C。

非水泥胶凝材料的用量W_SCM计算公式为：

W_SCM＝W_CM×P_SCM，

其中，P_SCM值根据试验或现有文献进行选择，本实施例中，高岭土的替代率为25％，高岭土的W_SCM＝912×25％＝228kg。

所述水泥的用量W_C计算公式为：

W_C＝W_CM-W_SCM，

本实施例中，水泥的用量W_C＝912-228＝684kg。

3、根据Abram曲线和现有文献数据拟合水灰比W/C和设计抗压强度f_c关系，拟合方程为：

其中，A和B为经验参数，本实施例中，A为356.567，B为23.517，即

水灰比W/C为0.17(按质量计)。

4、通过水灰比W/C和胶凝材料W_CM的用量确定水的用量W_W。

水的用量W_W计算公式为：

其中，将W_SCM等效为kW_SCM的水泥进行计算，k为效率因子，k根据已有文献或试验确定，本实施例中，高岭土的效率因子k为1.48，即

5、根据骨料堆积因子PF确定骨料的用量(包括细骨料质量W_NS和粗骨料质量W_CS)。

骨料堆积因子PF计算公式为：

PF＝V_AGG+V_SCM+V_C+V_W+V_A，

其中，V_AGG、V_SCM、V_C、V_W、V_A分别为单位立方米自密实混凝土中的骨料总体积、非水泥胶凝材料体积、水泥体积、水体积、空气体积。

为保证工作性能，V_A不低于0.015m³，本实施例中，V_A为0.015m³。

本实施例中，通过测量装置测得骨料堆积因子PF。如图2所示，测量装置包括带刻度的第一容器a和第二容器b，第一容器a和第二容器b底部通过连通管g相连，第一容器a底部设有阀门c，第二容器b底部设有水龙头d，第二容器b内部底侧设置有孔径不超过75μm的筛网f，筛网f设置位置与水龙头d的水平段底部相平，即筛网f设置位置和水龙头d的水平段底部均位于水平面e-e上。

此外，测量装置还具有以下测量方法：

S1：粗骨料h和细骨料i放置在室温水中浸泡24h，以达到饱和的表面干燥状态，并将粗骨料h和细骨料i按一定质量比例混合均匀。

S2：向第一容器a中缓缓倒入常温清水，同时打开阀门c和水龙头d，当水龙头d开始出水时，停止向第一容器a倒水，关闭水龙头d，此时水面与筛网f设置位置相平，即水面位于水平面e-e上。

S3：将混合均匀的骨料缓缓倒入第二容器b内，不要压实。

S4：量取体积为V_a的水，向第一容器a缓缓注入，至水位达到骨料顶面，即位于水平面j-j上，第二容器b的液面下体积为V_j。

S5：关闭阀门c，第一容器a中剩余的水体积为V_c。

S6：测得骨料堆积因子

如图3所示，选择骨料堆积因子PF最小值对应的粗骨料和细骨料混合比例，细骨料占骨料质量比为A_NS，粗骨料占骨料质量比为A_CA。

细骨料质量W_NS计算公式为:

W_NS＝V_AGG×A_NS×SG_NS×ρ，

粗骨料质量W_CS计算公式为：

W_CA＝V_AGG×A_CA×SG_CA×ρ，

其中，SG_NS为细骨料比重，SG_CA为粗骨料比重，ρ为水密度，本实施例中，骨料堆积因子PF最小值为1.060，A_NS和A_CA均为0.5，SG_NS为2.65，SG_CA为2.66，ρ为1000。

1.060＝V_AGG+0.088+0.217+0.174+0.015，

V_AGG＝0.566m³，

W_NS＝0.566×0.5×2.65×1000＝750.52kg，

W_CA＝0.566×0.5×2.66×1000＝753.35kg。

6、根据经验确定外加剂的用量。本实施例中，外加剂包括高性能减水剂(HRWR)和粘度调节剂(VMA)。

高性能减水剂的用量W_HRWR计算公式为：

W_HRWR＝P_HRWR(W_CM)，

粘度调节剂的用量W_VMA计算公式为：

W_VMA＝P_VMA(W_CM)，

其中，P_HRWR为高性能减水剂的用量占胶凝材料的用量之比，其为0.5～2.5％；P_NMA为粘度调节剂的用量占胶凝材料的用量之比，其为0.05～1.0％。本实施例中，根据经验确定P_HRWR为0.6％，P_NMA为0.2％，可保证SCC的工作性能。

W_HRWR＝0.006×912＝5.47kg，

W_VMA＝0.002×912＝1.82kg。

7、外加剂需计入总水量，水的实际用量W′_W＝W_W-(W_HRWR+W_VMA)，

W′_W＝173.68-(5.47+1.82)＝166.4kg。

经过检测，该SCC的坍落度为780mm，28d抗压强度126.1MPa，满足设计要求。此外，初步确定配合比后进行试验验证工作性能和强度，工作性能不满足要求，调整外加剂用量；强度不满足要求，调整水灰比或水泥用量。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (10)

1.一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据自密实混凝土的设计抗压强度确定胶凝材料的用量，以及根据所述胶凝材料的用量和非水泥胶凝材料的替换比例确定所述非水泥胶凝材料的用量，并通过所述胶凝材料的用量和所述非水泥胶凝材料的用量计算出水泥的用量；根据水灰比-强度曲线确定水灰比，并通过所述水灰比和所述胶凝材料的用量确定水的用量；根据骨料堆积因子确定骨料的用量；根据经验确定外加剂的用量，并通过所述外加剂的用量对所述水的用量进行调整。

2.如权利要求1所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

所述胶凝材料的用量W_CM计算公式为：

其中，f_c为所述自密实混凝土的设计抗压强度，f_c根据目标抗压强度f′_c和强度标准差确定，所述强度标准差根据试验或规范确定，根据混凝土规范，f_c＝1.10f′_c+4.826；C_C为每千克所述胶凝材料产生的抗压强度值；W_CM符合规范规定的上下限值。

3.如权利要求2所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

所述非水泥胶凝材料为高岭土、粉煤灰、矿渣中的一种或多种；

所述非水泥胶凝材料的用量W_SCM计算公式为：

W_SCM＝W_CM×P_SCM，

其中，P_SCM为所述非水泥胶凝材料的替换比例，P_SCM值根据试验或现有文献进行选择，

所述水泥的用量W_C计算公式为：

W_C＝W_CM-W_SCM。

4.如权利要求3所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

采用Abram曲线拟合所述水灰比-强度曲线，拟合方程为：

其中，A和B为经验参数，W/C为所述水灰比，

所述水的用量W_W计算公式为：

其中，W_SCM等效为kW_SCM的水泥进行计算，k为效率因子，k根据已有文献或试验确定。

5.如权利要求1所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

所述骨料堆积因子PF计算公式为：

PF＝V_AGG+V_SCM+V_C+V_W+V_A，

其中，V_AGG、V_SCM、V_C、V_W、V_A分别为单位立方米自密实混凝土中的骨料总体积、非水泥胶凝材料体积、水泥体积、水体积、空气体积。

6.如权利要求5所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

所述骨料堆积因子PF通过测量装置测得；

所述测量装置包括带刻度的第一容器和第二容器，所述第一容器和所述第二容器底部通过连通管相连，所述第一容器底部设有阀门，所述第二容器底部设有水龙头，所述第二容器内部底侧设置有带孔的筛网，所述筛网设置位置与所述水龙头的水平段底部相平。

7.如权利要求6所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

所述测量装置的测量方法包括以下步骤：

S1：粗骨料和细骨料放置在室温水中浸泡一段时间，以达到饱和的表面干燥状态，并将所述粗骨料和所述细骨料按一定质量比例混合均匀；

S2：向所述第一容器中倒入常温清水，同时打开所述阀门和所述水龙头，当所述水龙头开始出水时，停止向所述第一容器倒水，关闭所述水龙头，此时水面与所述筛网设置位置相平；

S3：将混合均匀的所述骨料倒入所述第二容器内；

S4：量取体积为V_a的水，向所述第一容器注入，至水位达到所述骨料顶面，所述第二容器的液面下体积为V_j；

S5：关闭所述阀门，所述第一容器中剩余的水体积为V_c；

S6：测得所述骨料堆积因子

8.如权利要求7所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

选择所述骨料堆积因子PF最小值对应的所述粗骨料和所述细骨料混合比例，所述细骨料占所述骨料质量比为A_NS，所述粗骨料占骨料质量比为A_CA；

所述细骨料质量W_NS计算公式为:

W_NS＝V_AGG×A_NS×SG_NS×ρ，

所述粗骨料质量W_CS计算公式为：

W_CA＝V_AGG×A_CA×SG_CA×ρ，

其中，SG_NS为细骨料比重，SG_CA为粗骨料比重，ρ为水密度。

9.如权利要求4所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

所述外加剂包括高性能减水剂和粘度调节剂；

所述高性能减水剂的用量W_HRWR计算公式为：

W_HRWR＝P_HRWR(W_CM)，

所述粘度调节剂的用量W_VMA计算公式为：

W_VMA＝P_VMA(W_CM)，

其中，P_HRWR为所述高性能减水剂的用量占所述胶凝材料的用量之比，其为0.5～2.5％；P_NMA为所述粘度调节剂的用量占所述胶凝材料的用量之比，其为0.05～1.0％。

10.如权利要求9所述的一种基于骨料填充和效率因子的SCC配合比设计方法，其特征在于，

调整所述水的用量，得到所述水的实际用量W′_W＝W_W-(W_HRWR+W_VMA)。

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