CN115477511B - 一种顶升混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶升混凝土配合比设计方法，检测粗骨料和细骨料在不同比例组合下的的松散堆积密度ρ_s和绝对密度ρ_g，得到在不同比例组合下的空隙率，通过最小空隙率α_min确定粗骨料与细骨料的最优比例；检测各胶凝材料28d和60d活性系数，分别计算强度贡献系数γ；并根据设计强度等级f_cu,0和保罗米公式确定各胶凝材料用量以及用水量m_w；根据顶升混凝土界面A m²、施工效率v m/h、顶升高度H m、得到所述边界顶升高度H_min和临界顶升混凝土界面A_max m²，顶升混凝土扩展度扩展度≥600mm，且损失≤20mm的保塑时间t₁；根据保塑时间t₁和初凝时间t₀，选择外加剂配方设计方案；根据确定的配合比进行试配验证修正配合比，并确定初凝时间和保塑时间满足施工要求。

Description

一种顶升混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种顶升混凝土配合比设计方法。

背景技术

顶升混凝土主要用于钢管混凝土结构设计中，是通过泵压将混凝土自下而上顶升浇筑，通过有效顶升混凝土工作性以及内部钢板排浆孔与排气孔的设计，实现均匀密实成型浇筑，可有效解决高抛混凝土离析以及复杂结构浇筑振动困难导致的质量问题。

目前顶升混凝土配合比设计方法，按自密实混凝土进行设计，未结合实际结构的浇筑界面、顶升浇筑高度、顶升速率等重要因素，对顶升混凝土工作性设计及施工质量存在不可控的因素，存在顶升浇筑失败的风险，将严重影响混凝土结构质量和安全。如何全面的将顶升混凝土施工涉及的因素考虑纳入配合比设计中，实现顶升混凝土质量的提升与稳定控制，提高顶升混凝土结构项目质量和安全，进一步完善顶升混凝土配合比设计体系成为亟待解决的问题。

发明内容

针对目前顶升混凝土配合比设计考虑因素不全、施工应用存在质量风险的不足，本发明目的在于提供一种顶升混凝土配合比设计方法，系统考虑顶升混凝土顶升截面积、顶升速率，并将顶升混凝土浇筑参数纳入其配合比设计中，有效提高了顶升混凝土的施工应用适应性和质量控制性，其配合比设计制备的顶升混凝土施工性、强度及耐久性等关键指标均满足设计要求，同时能有效降低混凝土收缩率，降低钢管混凝土脱空质量风险。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种顶升混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

(1)检测粗骨料和细骨料在不同比例组合下的的松散堆积密度ρ_s和绝对密度ρ_g，得到在不同比例组合下的空隙率α₁、α₂、α₃、……α_n，通过最小空隙率α_min确定粗骨料与细骨料的最优比例；

(2)检测各胶凝材料28d和60d活性系数，分别计算强度贡献系数γ，并检测细骨料粒径小于0.075mm的含量与石粉MB值；根据扩展度流动性K要求，确定浆体富裕系数k，并根据设计强度等级f_cu,0和保罗米公式确定胶凝材料总用量m_b与各胶凝材料用量以及用水量m_w；

(3)根据顶升混凝土界面A m²、施工效率v m/h、顶升高度H m以及混凝土凝结时间t₀，得到所述边界顶升高度H_min和临界顶升混凝土界面A_max m²，顶升混凝土扩展度≥600mm，且损失≤20mm的保塑时间t₁；

(4)根据保塑时间t₁和初凝时间t₀，选择外加剂配方设计方案；

(5)根据确定的配合比进行试配验证修正配合比，并确定初凝时间和保塑时间满足施工要求。

按上述方案，步骤1)中骨料最大粒径≤20mm。

按上述方案，步骤2)中所述胶凝材料包括水泥及矿物掺合料，所述矿物掺合料为矿粉、粉煤灰、硅灰中一种或两种；其中水泥占胶凝材料占比≥40％，矿粉≤50％，粉煤灰≤30％，硅灰≤7％。

按上述方案，步骤2)中粒径小于0.075mm的细骨料占比5％～12％，且石粉MB值＜0.75；扩展度流动性K为600mm～700mm，其浆体富裕系数k为1.18～1.13。

按上述方案，步骤2)中先确定胶凝材料净浆总体积V_bm＝kα_min；各胶凝材料强度贡献系数γ为28d和60d活性系数算术平均，水泥强度贡献系数为1，其余胶凝材料强度贡献系数γ₁、γ₂……γ_n、；根据保罗米公式各胶凝材料密度ρ_b1、ρ_b2、ρ_b3……，混凝土容重设计为2400～2460kg/m³，计算各胶凝材料用量m_b1、m_b2、m_b3……和用水量m_w。

按上述方案，步骤3)中，计算边界顶升高度H_min＝0.66×t₀×v^0.5，式中t₀为混凝土设计初凝时间，当H_min>H时取值H；临界顶升混凝土界面式中r为扩展度调整系数，当K≥600，r＝0.02；K＜600，r＝0；计算保塑时间/>

按上述方案，所述步骤4)中，外加剂配方设计有减水组分为减水型聚羧酸减水剂，减水率为20％～30％，取6～12％；缓凝组分为白糖，取2～5％，缓凝时间控制7h～20h；保坍组分为保坍型聚羧酸减水剂，取3～6％；外加剂固含量为13％～20％。

按上述方案，所述步骤5)中，配合比进行偏差验证，偏差<1.5％；扩展度保塑时间大于t₁；初凝时间大于t₀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明涉及的顶升混凝土配合比设计方法，将顶升混凝土施工条件参数、施工效率等因素纳入设计范畴，更科学的设计顶升混凝土工作性、保坍时间及凝结时间控制；

(2)该顶升混凝土配合比设计方法，可通过不同胶凝材料贡献系数及骨料空隙率精准控制混凝土胶凝材料体积，在保证工作性及质量的前提下，实现节约成本；

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

具体实施方式提供了一种顶升混凝土配合比设计方法：

(1)检测粗骨料和细骨料在不同比例组合下的的松散堆积密度ρ_s和绝对密度ρ_g，得到在不同比例组合下的空隙率α₁、α₂、α₃、……α_n，通过最小空隙率α_min确定粗骨料与细骨料的最优比例；其中骨料最大粒径≤20mm；

(2)检测各胶凝材料28d和60d活性系数，分别计算强度贡献系数γ，并检测细骨料粒径小于0.075mm的含量与石粉MB值；根据扩展度流动性K要求，确定浆体富裕系数k，并根据设计强度等级f_cu,0和保罗米公式确定胶凝材料总用量m_b与各胶凝材料用量以及用水量m_w；

(3)根据顶升混凝土界面A m²、施工效率v m/h、顶升高度H m以及混凝土凝结时间t₀，得到所述边界顶升高度H_min和临界顶升混凝土界面A_max m²，顶升混凝土扩展度≥600mm，且损失≤20mm的保塑时间t₁；

(4)根据保塑时间t₁和初凝时间t₀，选择外加剂配方设计方案；

(5)根据确定的配合比进行试配验证修正配合比，并确定初凝时间和保塑时间满足施工要求。

具体地，步骤2)中所述胶凝材料包括水泥及矿物掺合料，所述矿物掺合料为矿粉、粉煤灰、硅灰中一种或两种；其中水泥占胶凝材料占比≥40％，矿粉≤50％，粉煤灰≤30％，硅灰≤7％。粒径小于0.075mm的细骨料占比5％～12％，且石粉MB值＜0.75；扩展度流动性K为600mm～700mm，其浆体富裕系数k为1.18～1.13。

具体地，步骤2)中先确定胶凝材料净浆总体积V_bm＝kα_min；各胶凝材料强度贡献系数γ为28d和60d活性系数算术平均，水泥强度贡献系数为1，其余胶凝材料强度贡献系数γ₁、γ₂……γ_n、；根据保罗米公式各胶凝材料密度ρ_b1、ρ_b2、ρ_b3……，混凝土容重设计为2400～2460kg/m³，计算各胶凝材料用量m_b1、m_b2、m_b3……和用水量m_w。

具体地，步骤3)中，计算边界顶升高度H_min＝0.66×t₀×v^0.5，式中t₀为混凝土设计初凝时间，当H_min>H时取值H；临界顶升混凝土界面式中r为扩展度调整系数，当K≥600，r＝0.02；K＜600，r＝0；计算保塑时间/>

具体地，所述步骤4)中，外加剂配方设计有减水组分为减水型聚羧酸减水剂，减水率为20％～30％，取6～12％；缓凝组分为白糖，取2～5％，缓凝时间控制7h～20h；保坍组分为保坍型聚羧酸减水剂，取3～6％；外加剂固含量为13％～20％。

具体地，所述步骤5)中，配合比进行偏差验证，偏差<1.5％；扩展度保塑时间大于t₁；初凝时间大于t₀。

实施例1

设计的顶升混凝土强度等级为C60，原材料信息有普通硅酸盐水泥ρ_b1＝3100kg/m³，28d胶砂强度为f_ce＝48.7MPa，矿粉密度ρ_b2＝2850kg/m³，28d活性系数97％，60d活性系数105％，强度贡献率1.01；粉煤灰密度ρ_b3＝2400kg/m³，28d活性系数72％，60d活性系数84％，强度贡献率0.78；粗骨料与细骨料密度ρ_s＝ρ_g＝2650kg/m³，骨料最大粒径为20mm；

实施顶升混凝土浇筑施工，顶升界面6m²，计划30m³/h，顶升10m，即其施工效率5m/h，顶升施工时间为2h；制备顶升混凝土不同粗骨料m_s0与不同细骨料m_g0组合的松散堆积密度最大ρ_sg＝1789kg/m³时，其空隙率为32.5％；细骨料粒径小于0.075mm占比10％，且石粉MB值＝0.5；m_s0：m_g0＝1.14，扩展度流动性K＝600mm，即浆体富裕系数k取1.15，混凝土容重设计为2420kg/m³。

因此，胶凝材料净浆总体积V_bm＝kα_min＝1.15*32.5％＝0.374，即骨料体积为0.626，可计算m_s0＝883：m_g0＝775；

根据

混凝土初凝时间设定为6h，边界顶升高度H_min＝0.66×t₀×v^0.5＝0.66×6×5^0.5＝8.85m<10m，取H_min＝8.85m

临界顶升混凝土界面

即取2h内顶升混凝土扩展度需保持600mm；设计外加剂配方：减水组分为中建新材料减水型聚羧酸减水剂取7％；缓凝组分白糖为2％，缓凝时间控制>10h，设计为12h～13h；保坍组分为中建新材料保坍型聚羧酸减水剂取4％；固含量为13％。

综合考虑，水泥取胶凝材料的54％，矿粉取18％，粉煤灰取28％，外加剂掺量为胶凝材料的1.2％，即得顶升混凝土设计配合比：

项目	mw	m水泥	m矿粉	m粉煤灰	ms0	mg0	mwj
								单方用量kg/m3	173	350	110	121	883	775	7

实施例1配合比试配实测容重为2423kg/m³，偏差<1.5％，出机扩展度为610mm，2h扩展度为600m，初凝时间为12h；泵送顶升效率平均为30m³/h，泵压平稳，顺利完成顶升施工。

项目	7d	28d	28d干燥收缩	钢管混凝土是否有脱空
					性能指标	58.7MPa	75MPa	320×10-6	无脱空现象

实施例2

设计的顶升混凝土强度等级为C60，原材料信息有普通硅酸盐水泥ρ_b1＝3100kg/m³，28d胶砂强度为f_ce＝48.7MPa，矿粉密度ρ_b2＝2850kg/m³，28d活性系数97％，60d活性系数105％，强度贡献率1.01；粉煤灰密度ρ_b3＝2400kg/m³，28d活性系数72％，60d活性系数84％，强度贡献率0.78；粗骨料与细骨料密度ρ_s＝ρ_g＝2650kg/m³，骨料最大粒径为20mm；

实施顶升混凝土浇筑施工，顶升界面钢管柱3.14m²，计划15m³/h，顶升20m，即其施工效率4.7m/h，顶升施工时间为4.25h；制备顶升混凝土不同粗骨料m_s0与不同细骨料m_g0组合的松散堆积密度最大ρ_sg＝1789kg/m³时，其空隙率为32.5％；细骨料粒径小于0.075mm占比10％，且石粉MB值＝0.5；m_s0：m_g0＝1.14，扩展度流动性K＝650mm，即浆体富裕系数k取1.16，混凝土容重设计为2410kg/m³。

因此，胶凝材料净浆总体积V_bm＝kα_min＝1.16*32.5％＝0.377，即骨料体积为0.623，可计算m_s0＝881：m_g0＝770；

根据

混凝土初凝时间设定为10h，边界顶升高度H_min＝0.66×t₀×v^0.5＝0.66×10×4.7^0.5＝14.3m<20m，取H_min＝14.3m

临界顶升混凝土界面

取4h内顶升混凝土扩展度需保持650mm；设计外加剂配方：减水组分为中建新材料减水型聚羧酸减水剂取7％；缓凝组分白糖为2％，缓凝时间控制>10h，设计为12h～13h；保坍组分为中建新材料保坍型聚羧酸减水剂取7％；固含量为16％。

综合考虑，水泥取胶凝材料的59％，矿粉取19％，粉煤灰取22％，外加剂掺量为胶凝材料的1.2％，即得顶升混凝土设计配合比：

项目	mw	m水泥	m矿粉	m粉煤灰	ms0	mg0	mwj
								单方用量kg/m3	175	340	110	127	881	770	7

实施例1配合比试配实测容重为2420kg/m³，偏差<1.5％，出机扩展度为660mm，4h扩展度为650m，初凝时间为12h；泵送顶升效率平均为15m³/h，泵压平稳，顺利完成顶升施工。

项目	7d	28d	28d干燥收缩	钢管混凝土是否有脱空
					性能指标	54.7MPa	78.9MPa	330×10-6	无脱空现象

实施例3

设计的顶升混凝土强度等级为C70，原材料信息有普通硅酸盐水泥ρ_b1＝3100kg/m³，28d胶砂强度为f_ce＝48.7MPa，矿粉密度ρ_b2＝2850kg/m³，28d活性系数97％，60d活性系数105％，强度贡献率1.01；粉煤灰密度ρ_b3＝2400kg/m³，28d活性系数72％，60d活性系数84％，强度贡献率0.78；粗骨料与细骨料密度ρ_s＝ρ_g＝2650kg/m³，骨料最大粒径为16mm；

实施顶升混凝土浇筑施工，顶升界面2m²，计划20m³/h，顶升10m，即其施工效率10m/h，顶升施工时间为2h；制备顶升混凝土不同粗骨料m_s0与不同细骨料m_g0组合的松散堆积密度最大ρ_sg＝1795kg/m³时，其空隙率为32.3％；细骨料粒径小于0.075mm占比10％，且石粉MB值＝0.5；m_s0：m_g0＝1.12，扩展度流动性K＝700mm，即浆体富裕系数k取1.17，混凝土容重设计为2440kg/m³。

因此，胶凝材料净浆总体积V_bm＝kα_min＝1.17*32.3％＝0.378，即骨料体积为0.622，可计算m_s0＝871：m_g0＝777；

根据

混凝土初凝时间设定为6h，边界顶升高度H_min＝0.66×t₀×v^0.5＝0.66×6×10^0.5＝12.5m>10m，取H_min＝10m

临界顶升混凝土界面

取1h内顶升混凝土扩展度需保持680mm；设计外加剂配方：减水组分为中建新材料减水型聚羧酸减水剂取10％；缓凝组分白糖为1％，缓凝时间控制>6h，设计为6h～8h；保坍组分为中建新材料保坍型聚羧酸减水剂取3％；固含量为13％。

综合考虑，水泥取胶凝材料的55％，矿粉取20％，粉煤灰取25％，外加剂掺量为胶凝材料的1.8％，即得顶升混凝土设计配合比：

项目	mw	m水泥	m矿粉	m粉煤灰	ms0	mg0	mwj
								单方用量kg/m3	168	340	120	153	881	770	11

实施例1配合比试配实测容重为2437kg/m³，偏差<1.5％，出机扩展度为710mm，1h扩展度为700m，初凝时间为7h；泵送顶升效率平均为20m³/h，泵压平稳，顺利完成顶升施工。

项目	7d	28d	28d干燥收缩	钢管混凝土是否有脱空
					性能指标	71.7MPa	93.8MPa	400×10-6	无脱空现象

综上，可以看出，本发明所述的顶升混凝土配合比设计方法，将施工因素纳入配合比设计考虑，更准确的对混凝土工作性、施工时间保塑性进行设计和控制，极大的降低了顶升混凝土可能出现的顶升中断或脱空风险，实施例测试其强度及脱空性均满足要求，具有良好的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种顶升混凝土配合比设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)检测粗骨料和细骨料在不同比例组合下的的松散堆积密度ρ_s和绝对密度ρ_g，得到在不同比例组合下的空隙率α₁、α₂、α₃、……α_n，通过最小空隙率α_min确定粗骨料与细骨料的最优比例；

(2)检测各胶凝材料28d和60d活性系数，分别计算强度贡献系数γ，并检测细骨料粒径小于0.075mm的含量与石粉MB值；根据扩展度流动性K要求，确定浆体富余系数k，并根据设计强度等级f_cu,0和保罗米公式确定胶凝材料总用量m_b与各胶凝材料用量以及用水量m_w；具体计算方法为：

先确定胶凝材料净浆总体积V_bm＝kα_min；各胶凝材料强度贡献系数γ为28d和60d活性系数算术平均，水泥强度贡献系数为1，其余胶凝材料强度贡献系数γ₁、γ₂……γ_n；根据保罗米公式各胶凝材料密度ρ_b1、ρ_b2、ρ_b3……，混凝土容重设计为2400～2460kg/m³，计算各胶凝材料用量m_b1、m_b2、m_b3……和用水量m_w；

(3)根据顶升混凝土界面Am²、施工效率vm/h、顶升高度H m以及混凝土初凝时间t₀，得到边界顶升高度H_min和临界顶升混凝土界面A_maxm²，顶升混凝土扩展度≥600mm，且损失≤20mm的保塑时间t₁；具体计算方法为：

计算边界顶升高度H_min ^＝0.66×t₀×v^0.5，式中t₀为混凝土设计初凝时间，当H_min>H时取值H；临界顶升混凝土界面式中r为扩展度调整系数，当K≥600，r＝0.02；K＜600，r＝0；计算保塑时间/>

(4)根据保塑时间t₁和初凝时间t₀，选择外加剂配方设计方案；

(5)根据确定的配合比进行试配验证修正配合比，并确定初凝时间和保塑时间满足施工要求。

2.如权利要求1所述顶升混凝土配合比设计方法，其特征在于步骤1)中骨料最大粒径≤20mm。

3.如权利要求1所述顶升混凝土配合比设计方法，其特征在于步骤2)中所述胶凝材料包括水泥及矿物掺合料，所述矿物掺合料为矿粉、粉煤灰、硅灰中一种或两种；其中水泥占胶凝材料占比≥40％，矿粉≤50％，粉煤灰≤30％，硅灰≤7％。

4.如权利要求1所述顶升混凝土配合比设计方法，其特征在于步骤2)中粒径小于0.075mm的细骨料占比5％～12％，且石粉MB值＜0.75；扩展度流动性K为600mm～700mm，其浆体富余系数k为1.18～1.13。

5.如权利要求1所述顶升混凝土配合比设计方法，其特征在于所述步骤4)中，外加剂配方设计有减水组分为减水型聚羧酸减水剂，减水率为20％～30％，取6～12％；缓凝组分为白糖，取2～5％，缓凝时间控制7h～20h；保坍组分为保坍型聚羧酸减水剂，取3～6％；外加剂固含量为13％～20％。

6.如权利要求1所述顶升混凝土配合比设计方法，其特征在于所述步骤5)中，配合比进行偏差验证，偏差<1.5％；扩展度保塑时间大于t₁；初凝时间大于t₀。