CN115083543B - 一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，涉及建筑材料技术领域，建立了超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水系数的预测模型。选择不同水胶比的试验结果，对预测模型进行了验证，结果表明该数学预测模型具有良好的普适应。根据矿物掺合料掺量、水泥用量、水胶比的多少，通过预测模型，预测超大掺量矿物掺合料水泥石的吸水性能。同时，以吸水性能为目标，实现了超大掺量矿物掺合料水泥石的毛细吸水性能可设计。本方法省略掉传统复杂的水泥石制备、毛细吸水试验等过程，建立超大掺量水泥石材料粒径与毛细吸水性能的预测关系，基于预测关系能够准确的进行毛细吸水的预测。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法。
背景技术
随着海绵城市建设的迅速发展，兼具不同功能的透水混凝土护坡材料的研发，已成为学术界研究的热点问题。
水泥石是一种亲水性的材料，其表面含有不同数量的并且具有很大活性的亲水性烃基。由于水在毛细管中的接触角是比较小的，因此空气中的水分或者雨水等很容易在水泥石的表面进行延展，并且不断的沿毛细管逐渐向水泥石材料的内部进行渗透，如果在水中含有一些腐蚀性的介质(例如，氯盐以及硫酸盐等等)，则容易引起水泥石材料的性能发生劣化。因此，对于水泥石的毛细吸水性能的预测能够评价水泥石的抗渗性或者耐久性等等，对于提高水泥石的性能具有重要意义。
水泥石毛细吸水性能不仅仅与材料孔隙结构有关，还与胶凝材料颗粒粒径相关，尤其是超大掺量矿物掺合料水泥石的毛细吸水性能。然而，当前大多数关于毛细吸水预测模型研究聚焦于水分传输与材料孔隙结构的关系，而对于水份传输与胶凝材料颗粒粒径的关系研究却未见报道。现有技术对水泥石毛细吸水性能尚无法经由配合比设计预测，仍主要依靠试验摸索毛细吸水性能与胶凝材料颗粒粒径的关系，不能准确快速的得到超大掺量矿物掺合料水泥石的毛细吸水性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，超大掺量矿物掺合料水泥石是以水泥、Ⅱ级粉煤灰为主体，从胶凝材料颗粒不连续级配入手，结合S95、S105矿渣等材料，制备具有较高吸储性能的大矿物掺合料水泥石，本发明基于超大掺量矿物掺合料水泥石颗粒粒径参数预测水泥石毛细吸水性能，采用激光粒度分析仪进行测试，结合试验建立半经验半理论的数学模型，是一种免试验的超大掺量矿物掺合料的水泥石毛细吸水系数预测方法，可为高吸附性水泥石的设计提供重要的参考，与传统的繁琐毛细吸水试验方法相比，该方法操作简单方便、准确性高，摆脱了复杂繁琐的超大掺量矿物掺合料水泥石的试配试验，可为海绵城市建设中的吸附型水泥基材料的工程实践提供必要的设计参数。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
本发明提供了一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，包括以下步骤：
分析水泥及凝胶材料的粒径分布，将水泥及凝胶材料的中位径作为毛细吸水系数预测模型的基本设计参数；
制备超大掺量矿物掺合料水泥石；所述超大掺量矿物掺合料水泥石中胶凝材料为水泥、粉煤灰、矿渣三元复合材料，水泥为P·Ⅱ42.5，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，矿渣为S95矿渣、S105矿渣二选其一，矿物掺合料质量含量为80％，水泥的质量含量为20％，水胶比在0.4-0.56范围内；
结合达西Darcy定律、哈根-泊肃叶Hagen-Poiseuille方程和康采尼-卡曼Kozeny-Carman方程建立水泥石毛细吸附性能与渗透系数、孔隙结构的理论关系式；
对所述超大掺量矿物掺合料水泥石进行饱水实验、压汞MIP试验，得到经验参数；
基于所述基本设计参数、所述经验参数和所述理论关系式建立所述超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水系数的预测模型，所述预测模型为：
S＝0.38[R1/2(h0e0.15R(W/B))3/2/(1+h0e0.15R(W/B))1/4]0.66；
式中：S为毛细吸水系数；W/B为水胶比；R为粒径特征参数，基于所述基本设计参数得到；h0为经验参数，表示水化系数；
利用所述预测模型对大矿物掺合料水泥石毛细吸水系数进行预测，得到预测出的大矿物掺合料水泥石毛细吸水系数。
进一步地，粒径特征参数R按照以下方式获得：
分别按照水泥及凝胶材料配比进行粒径组合，得到三元混合体系的粒径特征参数R：
R＝a·AD50+b·CFD50+c·CKD50+d·XKD50；
其中，AD50为水泥的中位径；CFD50为Ⅱ级粉煤灰的中位径；CKD50为S95矿渣对的中位径；XKD50为S105矿渣的中位径；a为配合比设计中水泥所占材料总量的质量百分比；b、c、d分别为三种矿物掺合料各自所占总量的质量百分比，其中，c、d中有一个值为0。
进一步地，分析水泥及凝胶材料的粒径分布，包括：由激光粒度分析仪测试测得水泥及凝胶材料的粒径分布。
进一步地，还包括：
对所述超大掺量矿物掺合料水泥石进行毛细吸水宏观实验，记录试样单位面积吸水质量i与吸水时间t，利用S＝i·t-1/2得到毛细吸水系数；
根据实验得到的毛细吸水系数验证所述预测模型预测出的毛细吸水系数。
进一步地，所述水泥石毛细吸附性能与渗透系数、孔隙结构的理论关系式，包括：
S＝0.38[R1/2P3/2/(1+P)1/4]0.66；
其中P为材料的孔隙率。
进一步地，水化系数h0为0.069。
进一步地，水胶比为0.4。
本发明的优点和积极效果：本发明采用超大掺量矿物掺合料水泥石的级配粒径，预测水泥石的宏观毛细吸水性能。本预测方法为一种半经验半理论数学模型，结合了理论推导和实验测算，根据ASTM标准设计超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能实验，根据Darcy(达西)定律和Hagen-Poiseuille(哈根-泊肃叶)方程建立关于水泥石毛细吸附性能与渗透系数、孔隙结构的关系式，结合Kozeny-Carman(康采尼-卡曼方程)方程与毛细吸水试验、压汞结果，最终建立关于材料粒径特征参数R和孔隙率P的毛细吸水系数数学预测模型，并进行了试验，验证了模型的普适性。其中，掺合料中位径的测试方法简单方便、数据可靠，省略了对超大掺量矿物掺合料水泥石试件的制备、标准养护、毛细吸水性能测试等繁琐的试验过程。可根据超大掺量矿物掺合料水泥石原材料粒径，有效预测水泥石毛细吸水性能，为工程设计提供了有效的设计指标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中P-R拟合曲线；
图2是本发明实施例中P-R拟合曲线与压汞法测得数据点比较；
图3是本发明实施例中水胶比为0.4时预测模型验证；
图4是本发明实施例中水胶比为0.5时预测模型验证；
图5是本发明实施例中水胶比为0.56时预测模型验证。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明着眼于透水混凝土骨料的粘结材料，研究一种超大掺量矿物掺合料的水泥石，可用于透水混凝土粗骨料的粘结。超大掺量矿物掺合料的水泥石是一系列具有较高吸附性能的水泥石，特指胶凝材料为水泥、粉煤灰、矿渣三元复合材料，水泥为P·Ⅱ42.5，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，矿渣为S95矿渣、S105矿渣二选其一，矿物掺合料质量含量为80％，水泥的质量含量为20％。相较于大掺量矿物掺合料的水泥石(一般指矿物掺合料质量掺量达40％以上的水泥石)，超大掺量矿物掺合料的水泥石毛细吸水性能更强。本发明针对该超大掺量矿物掺合料水泥石，提供了一种水泥石毛细吸水性能的预测模型，利用该预测模型进行水泥石吸水性能的预测。具体地，材料的毛细吸水系数和渗透性均与孔隙结构密切相关，根据材料的毛细吸水性能与孔隙结构参数(连通性、孔隙度、孔径分布、毛细孔隙率)，可以很好地对其渗透性进行估算，该渗透模型可以看作一个包含吸水速率(毛细吸水系数)、水性质(密度和黏度)、润湿性(界面张力和接触角)和孔隙结构(孔隙半径和孔隙度)等信息的广义函数。从微观结构决定宏观性能的角度出发，同时考量Carman-Kozeny方程和Katz-Thompson方程，水泥基材料的毛细吸水系数与颗粒之间也存在定量关系。充分利用具有较大中位径的Ⅱ级粉煤灰的“惰性”性质，制备具有细观缺陷的高吸水性大矿物掺合料水泥石，考量其力学性能、质量吸水率和毛细吸水系数，建立水泥基材料与颗粒粒径特征参数的数学预测模型，从而实现通过不同颗粒级配对超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水系数的预测和调控。本发明可实现超大掺量矿物掺合料水泥石的毛细吸水性能预测，以求丰富透水混凝土材料的种类，为海绵城市建设提供更多参考。
本发明实施例中的一种超大掺量矿物掺合水泥石毛细吸水性能的预测方法，具体包括以下步骤：
S1、原材料粒径分布测试：
通过激光粒度分析仪对水泥及矿物掺合料的粒径分布进行分析，胶凝材料主要粒径指标见表1。选择各胶凝材料的中位径作为毛细吸水系数预测模型的基本设计参数。
表1
S2、水泥石配合比设计与试样制备：
本发明实施例中采用掺矿物掺合料等量替代水泥的方法，设计出超大掺量矿物掺合料水泥石。两种矿物掺合料掺量占比各自按照10％倍数的梯度变化，共占总量的70％或80％。标准养护水泥石配合比见表2。
表2
依照国家标准GB/T 25181-2019对原材料分别进行拌和，达到规定拌和时间后放入砂浆胶砂强度试模中进行试件成型，每种配合比试样成型3个试块。每个配合比成型试件尺寸为40mm×40mm×160mm，试件成型24h后进行拆模，随后将成型试件放入实验室环境进行标准养护和水浴养护，龄期均为28d。
S3、建立水泥石毛细吸附性能与渗透系数、孔隙结构的理论关系式：
首先建立毛细吸水系数S与孔隙率P和粒径特征参数R的关系式。
考虑到水泥中复掺粉煤灰和矿渣的粒度分布的复杂性，故取各自中位径代表其平均粒径进行简化计算，各试样分别按照各自配合比进行粒径组合，作为三元混合体系的粒径特征参数值R。
R＝a·AD50+b·CFD50+c·CKD50+d·XKD50 (1)
式(1)中：AD50为水泥的中位径；CFD50为Ⅱ级粉煤灰的中位径；CKD50为S95矿渣对的中位径；XKD50为S105矿渣的中位径；a为水泥所占材料总量的百分比，b、c、d分别为三种矿物掺合料各自所占总量百分比。
假设水泥基材料中随机分布n个平行毛细管孔模型，材料的总吸水量质量：
则试样单位面积吸水质量为：
式(2)、式(3)中：M为水泥基材料中n个毛细孔的吸水总质量，P为材料孔隙率；S为毛细吸水系数；η为液体粘度；ρ为液体密度。由此便得到了试样单位面积吸水质量i与时间t的函数关系式，从(3)可以看出i与t1/2之间是线性关系，毛细吸水系数反映了水泥基材料的吸水速率。由式(3)可知，水泥石的毛细吸水系数S与孔径r和孔隙率P有关，而水泥石的孔隙结构又取决于胶凝材料的种类、颗粒级配、细度和水胶比，其中，孔隙率P的系数为1，而平均孔径r的指数为0.5，表明孔隙率对毛细吸水系数的影响较等效平均孔径大。
在水泥基材料中液体流动的雷诺系数较小，液体渗流符合Darcy定律，当水泥基材料吸水饱和时，此时毛细吸附作用变为零，水分主要在孔内静水压力作用下进行传输，即为材料渗透性。Darcy定律：
式(4)中：J为渗透密度；k为材料的水力传导系数(渗透系数)，表示单位水力梯度下的单位流量，表征流体通过孔隙结构的难易程度；ih为水力梯度，也称作水力坡降，其中负号表示水流方向向着水力梯度降低方向流动；ψp为压势。
Darcy定律的压强表达式：
Q＝KωΔp/Lη (5)
式(5)中：η为液体粘度；Δp为两渗流截面折算压力差；ω为横截面面积；L为渗流途径长度；K为材料的渗透率，其大小取决材料的性质，而与液体介质性质无关；p为液体密度，Q是单位时间渗流量。
Hagen-Poiseuille方程：
Q＝πr4Δp/8ηL＝Δp/Re (6)
式(6)为Hagen-Poiseuille方程的最终表达式，体积流量Q由液体的粘滞系数η、孔道半径r、孔道长度L、孔道两端压强差Δp等因素共同决定的。Re为压头损失，压力损失和粘滞系数与孔道长度的乘积成正比，和孔道半径的四次方成反比例。此定律适用于不可压缩、不具有加速度、层流稳定的牛顿流体。
结合Hagen-Poiseuille方程、Darcy定律得到渗透系数k关于孔隙率P和平均孔径r的数学表达式：
k＝ρgP·r2/8η (7)
Kozeny-Carman提出了半经验、半理论数学模型，用以预测多孔介质渗透性，假设粉体颗粒由半径均匀的球体组成，则有：
k＝ρgP3R2/9ηCK-C(1+P) (8)
Claims (7)
1.一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
分析水泥及凝胶材料的粒径分布，将水泥及凝胶材料的中位径作为毛细吸水系数预测模型的基本设计参数；
制备超大掺量矿物掺合料水泥石；所述超大掺量矿物掺合料水泥石中胶凝材料为水泥、粉煤灰、矿渣三元复合材料，水泥为P·Ⅱ42.5，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，矿渣为S95矿渣、S105矿渣二选其一，矿物掺合料质量含量为80％，水泥的质量含量为20％，水胶比在0.4-0.56范围内；
结合达西Darcy定律、哈根-泊肃叶Hagen-Poiseuille方程和康采尼-卡曼Kozeny-Carman方程建立水泥石毛细吸附性能与渗透系数、孔隙结构的理论关系式；
对所述超大掺量矿物掺合料水泥石进行饱水实验、压汞MIP试验，得到经验参数；
基于所述基本设计参数、所述经验参数和所述理论关系式建立所述超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水系数的预测模型，所述预测模型为：
S＝0.38[R1/2(h0e0.15R(W/B))3/2/(1+h0e0.15R(W/B))1/4]0.66；
式中：S为毛细吸水系数；W/B为水胶比；R为粒径特征参数，基于所述基本设计参数得到；h0为经验参数，表示水化系数；
利用所述预测模型对大矿物掺合料水泥石毛细吸水系数进行预测，得到预测出的大矿物掺合料水泥石毛细吸水系数。
2.根据权利要求1所述的一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，粒径特征参数R按照以下方式获得：
分别按照水泥及凝胶材料配比进行粒径组合，得到三元混合体系的粒径特征参数R：
R＝a·AD50+b·CFD50+c·CKD50+d·XKD50；
其中，AD50为水泥的中位径；CFD50为Ⅱ级粉煤灰的中位径；CKD50为S95矿渣对的中位径；XKD50为S105矿渣的中位径；a为配合比设计中水泥所占材料总量的质量百分比；b、c、d分别为三种矿物掺合料各自所占总量的质量百分比，其中，c、d中有一个值为0。
3.根据权利要求1所述的一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，分析水泥及凝胶材料的粒径分布，包括：由激光粒度分析仪测试测得水泥及凝胶材料的粒径分布。
4.根据权利要求1所述的一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，还包括：
对所述超大掺量矿物掺合料水泥石进行毛细吸水宏观实验，记录试样单位面积吸水质量i与吸水时间t，利用S＝i·t-1/2得到毛细吸水系数；
根据实验得到的毛细吸水系数验证所述预测模型预测出的毛细吸水系数。
5.根据权利要求1所述的一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，所述水泥石毛细吸附性能与渗透系数、孔隙结构的理论关系式，包括：
S＝0.38[R1/2P3/2/(1+P)1/4]0.66；
其中P为材料的孔隙率。
6.根据权利要求1所述的一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，水化系数h0为0.069。
7.根据权利要求1所述的一种超大掺量矿物掺合料水泥石毛细吸水性能的预测方法，其特征在于，水胶比为0.4。
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