CN114315284B - 一种用于预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土及配合比快速设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土及配合比快速设计优化方法——“递进式分层填充优化法”，包括：确定细骨料的掺和比例；制备水泥胶砂试块，确定胶凝材料各组分掺加比例；确定胶凝材料与细骨料的基础比例；确定水胶比和减水剂掺量；确定钢纤维掺量，得到UHPC配合比；制备预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土。该方法基于可用原材料快速完成配合比的设计，同时不需过多的理论计算，方便高效。同时，本发明还提出了“基于总用水量的现场优化法”适用于现场配合比的优化，在总用水量的控制原则下，可基于现场条件灵活机动地调整配合比，不再需要多重试验验证，可减少多轮次试验室‑施工现场配合比的迭代，降低对施工进度的影响。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土及配合比快速设计优化方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)是基于紧密堆积理论(DSP)配制而成的，具有超高强度、超高韧性和超高耐久性的水泥基复合材料，能较好地适应当前桥梁工程高强、轻质、耐久和快速化施工的需求，也能符合社会可持续发展对高性能材料发展要求。
为提高UHPC桥面板的施工质量，工厂化预制成为保证制备、浇筑、养护超高性能混凝土桥面板质量的重要措施；考虑工厂生产线的负荷工作效率，预制桥面板通常采用蒸养型UHPC，从而提高模板、生产台座及养护场地的利用率。现阶段的超高性能混凝土配合比设计一般采用经验值或相关理论方法来试配，考虑UHPC的性能敏感性，在配合比设计中经常出现材料适应性和环境适应性问题；预制工厂与试验室环境的差异导致UHPC工作性能和力学性能的差异，存在设计配合比不满足施工要求的问题。
现阶段，国内外对超高性能混凝土组分和配合比设计开展了一些研究。有研究基于应用原材料提出了超高性能混凝土的组分比例，并提出了各组分分散方法，但未涉及配合比设计方法；有研究人员提出了基于强度阈值的UHPC强度设计方法，但方法中涉及的级配曲线、强度曲线在应用时存在多种可能，且参数“q”的取值波动性增加了实际配合比设计难度，同时该方法对实际施工现场的适应性不足。目前阶段的研究集中在基于所用原材料的配制比例，面向不同地域原材料存在适应性不足的问题，且目前针对施工配合比的优化设计不足，增加了工程应用的时间成本和经济成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个方面是提供一种适合工厂化预制桥面板使用的蒸养型超高性能混凝土，其抗压强度≥150MPa，弹性抗拉强度≥7MPa，极限抗拉强度≥8MPa，弹性抗弯强度≥12MPa，极限抗弯强度≥20MPa，弹性模量≥45GPa初始扩展度≥650mm，工厂预制蒸养完成后可达强度指标的95％以上，满足桥梁预制桥面板的性能要求。
该类型超高性能混凝土由如下质量份的原料组成：胶凝材料100份、细骨料100～130份、钢纤维17～21份、减水剂2.0～3.0份，和水15～19份；
其中，胶凝材料由水泥、硅灰和微珠组成。
本发明的第二个方面，提供了一种用于预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土配合比快速设计优化方法，采用递进式分层填充优化法，包括：
采用最大堆积密度法确定细骨料的掺和比例；
制备水泥胶砂试块，确定胶凝材料各组分掺加比例；
确定胶凝材料与细骨料的基础比例；
确定水胶比和减水剂掺量；
确定钢纤维掺量，得到UHPC配合比；
按照上述UHPC配合比设计方法制备预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土。
本发明提供了一种普适性的超高性能混凝土配合比快速设计方法——递进式分层填充优化法。该方法可适应不同地域原材料供应现状，快速高效地确定各原材料组分基础比例，按照基础比例上下浮动一定比例，完成满足性能需求的UHPC配合比设计。
本发明的第三个方面，提供了一种面向施工环境的超高性能混凝土配合比快速优化方法，采用基于总用水量的现场优化法，包括：
确定设计配合比及总用水量的极值，总用水量包含外加水及减水剂中的水；
确定现场环境温度、湿度及搅拌设备的工作状态，根据拌合物状态确定总用水量调整系数±15％；
调整水胶比和减水剂掺量，得到最优施工配合比。
本发明提供了面向施工环境的超高性能混凝土配合比快速优化方法——基于总用水量的现场优化法。该方法基于设计配合比，结合预制板工厂的环境条件，快速完成施工配合比优化，满足施工需求。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的蒸养型超高性能混凝土可用于工厂化预制桥面板，其抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和弹性模量均满足桥面板的力学性能要求，其工作性能可以满足工厂化预制需求，蒸养型UHPC可提高养护设备的利用效率，提高预制工厂的生产效率，同时该类型UHPC保证了预制板的生产质量，提升预制桥面板的耐久性。
(2)本发明的“递进式分层填充优化法”可适应基于各种原材料的UHPC配合比设计，不同组分递进式分层填充整体骨架、顺序优化各组分比例，分层利用不同的方法减少试配UHPC的实验量，可有效降低工程的时间成本和经济成本。本发明提出的配合比设计方法，可基于可用原材料快速完成配合比的设计，同时不需过多的理论计算，方便高效，为UHPC的普适性和低成本化应用提供技术方案。
(3)本发明的“基于总用水量的现场优化法”适用于现场配合比的优化，在总用水量的控制原则下，可基于现场条件灵活机动地调整配合比，不再需要多重试验验证，可减少多轮次的试验室-施工现场配合比的迭代，降低对施工进度的影响。
(4)本发明的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明中“递进式分层填充优化法”流程示意图。
图2是本发明中“基于总用水量的现场优化法”流程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
“递进式分层填充优化法”包含以下步骤：首先采用最大堆积密度法确定细骨料的掺和比例，根据供应细骨料的种类(如A、B、C三种)，先按照A+B以0.05比例差距复合堆积确定A与B的最佳掺比，再按照A/B最佳掺比混合物+C以0.05比例差距复合堆积确定A/B混合物与C的最佳掺比，从而确定A+B+C的最优掺比；第二步制备水泥胶砂试块确定胶凝材料各组分掺加比例，首先确定水泥和硅灰的掺和比例，再根据工作性的基本要求，在不降低强度的前提下，确定微珠的掺和比例；第三步确定胶凝材料与细骨料的基础比例，比例范围为0.75～1.0，按照0.05的比例差距试配UHPC；第四步综合确定水胶比和减水剂掺量，选定适应胶凝材料和细骨料的减水剂后，以2％掺量的减水剂作为基准，试配0.15～0.2的水胶比，基于力学性能和工作性能的要求综合确定水胶比，在最优水胶比的基础上，调整减水剂掺量，进而满足设计配合比要求；第五步确定钢纤维掺量，从力学强度、工作性和UHPC造价等3方面确定钢纤维掺量，从而综合确定UHPC配合比。
实施例2：
“基于总用水量的现场优化法”含以下步骤：首先确定设计配合比及总用水量的极值，总用水量包含外加水及减水剂中的水；再者确定现场环境温度、湿度及搅拌设备的工作状态，根据拌合物状态确定总用水量调整系数±15％，此步骤保证用水量≤总用水量极值，综合调整水胶比和减水剂掺量，进而得到最优施工配合比。
实施例3：
基于实施例1、2的方法确定的预制板用蒸养型超高性能混凝土最优配合比，具体如下：
预制板用蒸养型超高性能混凝土由胶凝材料、细骨料、钢纤维、减水剂和水组成，其中胶凝材料由水泥、硅灰和微珠组成。以质量份数计，所述UHPC包括胶凝材料100份、细骨料100～130份、钢纤维17～21份、减水剂2.0～3.0份，和水15～19份；胶凝材料各组分占比分别为水泥70～78份、硅灰15～20份、玻璃微微珠2～15份。水泥采用普通硅酸盐水泥，标号为52.5；硅灰采用BK93半加密型，粒径分为为1～20μm，其中粒径介于5～15μm间占比90％以上；微珠采用北京正元益清新材料技术有限公司烧失比≤1.2％的高活性型产品；细骨料采用机制石英砂，利用粗砂(0.42～0.85mm)、中砂(0.21～0.42mm)、细砂(0.15～0.21mm)三档配制而成；钢纤维采用抗拉强度≥2000MPa，长度13～15mm，直径0.2mm的短直纤维；减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂。
采用通用的方法对于上述配合比制备的预制板用蒸养型超高性能混凝土的性能进行测试，结果表明：采用上述配合比制备的预制板用蒸养型超高性能混凝土的抗压强度≥150MPa，弹性抗拉强度≥7MPa，极限抗拉强度≥8MPa，弹性抗弯强度≥12MPa，极限抗弯强度≥20MPa，弹性模量≥45GPa，初始扩展度≥650mm，工厂预制蒸养完成后可达强度指标的95％以上。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土配合比快速设计优化方法，其特征在于，
采用递进式分层填充优化法，包括：
采用最大堆积密度法确定细骨料的掺和比例；
制备水泥胶砂试块，确定胶凝材料各组分掺加比例；
确定胶凝材料与细骨料的基础比例；
确定水胶比和减水剂掺量；
确定钢纤维掺量，得到UHPC配合比；
按照所述UHPC配合比制备预制桥面板的蒸养型超高性能混凝土；
最大堆积密度法的具体步骤为：根据供应细骨料的种类，先按照以0.05-0.08比例差距复合堆积确定其中两种骨料的最佳掺比，再按照两种骨料最佳掺比混合物与第三种骨料以0.05-0.08比例差距复合堆积确定所述混合物与第三种骨料的最佳掺比，依次类推，从而确定全部骨料的最优掺比；
所述水胶比和减水剂掺量，选定适应胶凝材料和细骨料的减水剂后，以2-2.5%掺量的减水剂作为基准，试配0.15-0.2的水胶比，基于力学性能和工作性能的要求综合确定水胶比，在最优水胶比的基础上，调整减水剂掺量，满足设计配合比要求；
所述确定胶凝材料各组分掺加比例的具体方法为：首先，确定水泥和硅灰的掺和比例；然后，根据工作性的基本要求，在不降低强度的前提下，确定微珠的掺和比例；
在胶凝材料与细骨料的比例范围为0.75-1.0基础上， 按比例差距0.05-0.08进行初配，并试配UHPC；
从力学强度、工作性和UHPC造价3个方面确定钢纤维掺量；
采用基于总用水量的现场优化法，包括：
确定设计配合比及总用水量的极值，总用水量包含外加水及减水剂中的水；
确定现场环境温度、湿度及搅拌设备的工作状态，根据拌合物状态确定总用水量调整系数±15%；
调整水胶比和减水剂掺量，得到最优施工配合比。
2.一种采用权利要求1所述的快速设计优化方法的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，由如下质量份的原料组成：胶凝材料100份、细骨料100-130份、钢纤维17-21份、减水剂2.0-3.0份，和水15-19份；
其中，胶凝材料由水泥、硅灰和微珠组成。
3.如权利要求2所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，所述胶凝材料中各组分占比分别为水泥70-78份、硅灰15-20份、玻璃微微珠2-15份。
4.如权利要求3所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号为52.5。
5.如权利要求3所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，硅灰采用BK93半加密型，粒径分为为1-20μm，其中粒径介于5-15μm间的占比90%以上。
6.如权利要求3所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，微珠采用烧失比≤1.2%的高活性型产品。
7.如权利要求3所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，细骨料采用机制石英砂，利用粗砂0.42-0.85mm、中砂0.21-0.42mm、细砂0.15-0.21mm三档配制而成。
8.如权利要求3所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，钢纤维采用抗拉强度≥2000MPa，长度13-15mm，直径0.2mm的短直纤维。
9.如权利要求3所述的预制板用蒸养型超高性能混凝土，其特征在于，减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂。
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Effective date of registration: 20231205 Address after: 250101 No. 5, Lianhe Fortune Plaza, No. 2177, Tianchen Road, high tech Zone, Jinan City, Shandong Province Patentee after: Shandong transportation planning and Design Institute Group Co.,Ltd. Patentee after: Shandong Expressway Infrastructure Construction Co.,Ltd. Address before: 250101 No. 5, Lianhe Fortune Plaza, No. 2177, Tianchen Road, high tech Zone, Jinan City, Shandong Province Patentee before: Shandong transportation planning and Design Institute Group Co.,Ltd. Patentee before: Shandong Zhanlin Expressway Co.,Ltd. |
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