CN116230119A - 一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计及其制备方法 - Google Patents

一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计及其制备方法，它涉及建筑材料技术应用领域，具体涉及一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计及其制备方法。包括以下步骤：步骤一：根据公式一计算最紧密堆积状态粒径情况分布；步骤二：采用最大湿堆积密实度调控试验方法，再结合公式二确定灌浆料中的水泥、矿物掺和料和石英砂的分配方式及替代量，建立各种填料用量与体系最大湿堆积密实度之间的关系；步骤三：根据最紧密堆积理论计算出灌浆料配合比。采用上述技术方案后，本发明有益效果为：本发明制得的超细硅灰超早强无收缩加固补强灌浆料流动性好、微膨胀、早期强度发展快，抗折强度高，28天后强度超高。

Description

一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计 及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术应用领域，具体涉及一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计及其制备方法，可应用于城市道路快速施工、既有建筑加固、抢险堵塞等施工工期紧张的工程，强度要求高的基础加固或构件节点二次补强的工程。
背景技术
装配式建筑施工的关键技术环节就是节点的连接问题，节点连接的可靠性主要靠抗震构造措施，而保证抗震构造措施的关键就是材料的性能。灌浆料作为常用的节点连接材料，其应该具有高强度、高延性、高稳定性和耐久性等方面的优点。如何解决灌浆料的流动度和强度之间的关系成为复配水泥超早强灌浆料亟需解决的重难点问题。目前现行的普通高强灌浆料主要应用于预制装配式梁柱节点连接、预制柱底套筒连接、预制剪力墙底座套筒连接、桥梁支座、钢结构柱脚地脚螺栓锚固等节点连接处。
但目前现行的灌浆材料存在一定的弊端：常用的灌浆料材料在浇筑以后会出现骨料离析现象、骨料之间孔隙率增大现象，进而导致灌浆料强度降低；同时，普通高强灌浆料抗折性能差，大约是抗压强度的1/15～1/20左右，导致节点连接处可能出现脆性破坏。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计及其制备方法，它是一种适用于桥梁与桥墩快速拼接，并且施工进度紧张的复配水泥超早强梁柱节点灌浆料，它具有流动性能优良、微膨胀、12小时内强度提升快，28天后强度高，各种材料之间的孔隙率小，材料密实性好的优点。它能在灌浆料流动性和高强度之间寻找平衡点，能够满足预制构件灌浆套筒连接技术、钢结构地脚螺栓灌浆技术、风电发电基础灌浆技术、房屋加固技术、水利构件耐久性防护技术等需要。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，基于颗粒紧密堆积理论，利用MAA模型设计灌浆料配合比；包括以下步骤：
步骤一：根据公式一计算最紧密堆积状态粒径情况分布；
步骤二：采用最大湿堆积密实度调控试验方法，再结合公式二确定灌浆料中的水泥、矿物掺和料和石英砂的分配方式及替代量，建立各种填料用量与体系最大湿堆积密实度之间的关系；
步骤三：根据最紧密堆积理论计算出灌浆料配合比。
所述步骤一中的公式一为
Figure BDA0003975088420000021
式中，D为颗粒粒径；P(D)为粒径小于D的颗粒累积分数(％)；Dmax为灌浆料原材料的最大粒径(mm)；Dmin为最小粒径(mm)，q为分配系数，本研究中q的值固定在0.23。
所述步骤二中的公式二为
Figure BDA0003975088420000022
式中，其中φ表示堆积密实度；V表示模具体积；其中VS的计算公式为
Figure BDA0003975088420000023
Figure BDA0003975088420000024
Figure BDA0003975088420000031
Figure BDA0003975088420000032
式中，x表示不同的胶凝材料，
Figure BDA0003975088420000033
是所有选择的胶凝材料组分的集合，ρw、ρs、ρx分别是水、砂和胶凝材料x的密度；Rw、Rs、Rx分别表示水、砂和胶凝材料与总粘结剂含量之间的体积比；Vw、Vs、Vx分别表示水、砂和胶凝材料的体积；Mmax指浆体的最大质量。
所述灌浆料包括水泥一、水泥二、硅灰、粉煤灰、微珠、石英砂、减水剂、消泡剂、膨胀剂、纤维、水。
所述水泥一为52.5R硫铝酸盐水泥。
所述水泥二为P.I52.5R硅酸盐水泥。
所述减水剂为液体、减水率35％、早强型的聚羧酸高效减水剂。
所述消泡剂为巴斯夫液体消泡剂。
所述膨胀剂为UFA型。
所述纤维为镀铜钢纤维，长径比65。
所述石英砂级配分为20目-40目、40目-70目和70目-110目(按0.43∶0.43∶0.14调配)。
所述超细硅灰直径为2.13-18.7μm，密度为120kg/m3。
所述微珠为玻璃微珠，直径为150-200μm。
一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按灌浆料配合比，分别称取上述材料；
步骤二：先将粉煤灰、微珠、水泥一、水泥二、膨胀剂称量装锅慢速搅拌90-120s；
步骤三：然后加入石英砂继续慢速搅拌100-120s；
步骤四：接着，将消泡剂和水的混合液加入干拌料中慢搅20-50s，同时开始用秒表计时；
步骤五：然后加入减水剂(减水剂可以采用加入前与加入后的总重做差)，先慢速搅拌80-100s，再快速120-160s；
步骤六：最后剩余40-60s期间慢速搅拌，持续加钢纤维，直至加水搅拌用总时间4-6min停止。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：本发明制得的超细硅灰超早强无收缩加固补强灌浆料流动性好、微膨胀、早期强度发展快，抗折强度高，28天后强度超高。
具体实施方式
本具体实施方式采用的技术方案是：一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，基于颗粒紧密堆积理论，利用MAA模型设计灌浆料配合比；首先利用公式一计算最紧密堆积状态粒径情况分布，根据研究来确定各组分的约束条件，将该问题转化为带约束条件的二次规划问题，通过拉格朗日乘数法，构造拉格朗日函数，利用有效集法进行求解，得到满足约束条件的最优解。公式1如下所示，
Figure BDA0003975088420000041
式中，D为颗粒粒径；P(D)为粒径小于D的颗粒累积分数(％)；Dmax为灌浆料原材料的最大粒径(mm)；Dmin为最小粒径(mm)，q为分配系数，本研究中q的值固定在0.23。
其次采用最大湿堆积密实度调控试验方法，确定灌浆料中的水泥、矿物掺和料和石英砂的分配方式及替代量，建立各种填料用量与体系最大湿堆积密实度之间的关系，具体的计算方法如公式2所示：
Figure BDA0003975088420000042
式中，其中φ表示堆积密实度；V表示模具体积；其中VS的计算公式为
Figure BDA0003975088420000051
Figure BDA0003975088420000052
Figure BDA0003975088420000053
Figure BDA0003975088420000054
式中，x表示不同的胶凝材料，
Figure BDA0003975088420000055
是所有选择的胶凝材料组分的集合，ρw、ρs、ρx分别是水、砂和胶凝材料x的密度；Rw、Rs、Rx分别表示水、砂和胶凝材料与总粘结剂含量之间的体积比；Vw、Vs、Vx分别表示水、砂和胶凝材料的体积；Mmax指浆体的最大质量。
通过激光粒度仪分别测出硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、微珠和石英砂粒径分布，已知各粉体颗粒最大粒径Dmax为1110微米，根据公式一计算出最紧密堆积状态下的粒径分布，如表1所示。
表1 各个实验原料的粒径分布表
Figure BDA0003975088420000056
Figure BDA0003975088420000061
根据最紧密堆积理论计算出配合比，如表2所示；
表2 最紧密堆积理论求得灌浆料最佳配合比
水泥一 水泥二 硅灰 砂 减水剂 消泡剂 钢纤维 水 粉煤灰 微珠 UEA膨胀剂
675 225 180 750 45 1.8 55 207 30 34 3
3.0 1.0 0.8 3.33 0.2 0.008 0.244 0.92 0.133 0.151 0.013
根据最紧密堆积理论计算模型分析，超早强无收缩加固补强灌浆料按重量百分比计，如表3所示：
水泥一 水泥二 硅灰 砂 减水剂 消泡剂 钢纤维 水 粉煤灰 微珠 UEA膨胀剂
30.6％ 10.2％ 8.2％ 34％ 2.0％ 0.08％ 2.5％ 9.4％ 1.36％ 1.54％ 0.14％
通过对上述超早强灌浆料配比制得的灌浆料进行性能指标检测，所得到的12小时抗压强度、12小时抗折强度、3天抗压强度、28天抗压强度、竖向膨胀率和流动度性能指标见下表4所示：
Figure BDA0003975088420000062
从上面的测试结果可以得出，本发明制得的超细硅灰超早强无收缩加固补强灌浆料流动性好、微膨胀、早期强度发展快，抗折强度高，28天后强度超高。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，基于颗粒紧密堆积理论，利用MAA模型设计灌浆料配合比，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据公式一计算最紧密堆积状态粒径情况分布；
步骤二：采用最大湿堆积密实度调控试验方法，再结合公式二确定灌浆料中的水泥、矿物掺和料和石英砂的分配方式及替代量，建立各种填料用量与体系最大湿堆积密实度之间的关系；
步骤三：根据最紧密堆积理论计算出灌浆料配合比。
2.根据权利要求1所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述步骤一中的公式一为
Figure FDA0003975088410000011
式中，D为颗粒粒径；P(D)为粒径小于D的颗粒累积分数(％)；Dmax为灌浆料原材料的最大粒径(mm)；Dmin为最小粒径(mm)，q为分配系数，本研究中q的值固定在0.23。
3.根据权利要求1所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述步骤二中的公式二为
Figure FDA0003975088410000012
式中，其中φ表示堆积密实度；V表示模具体积；其中VS的计算公式为
Figure FDA0003975088410000013
Figure FDA0003975088410000014
Figure FDA0003975088410000021
Figure FDA0003975088410000022
式中，x表示不同的胶凝材料，
Figure FDA0003975088410000023
是所有选择的胶凝材料组分的集合，Pw、ρs、ρx分别是水、砂和胶凝材料x的密度；Rw、Rs、Rx分别表示水、砂和胶凝材料与总粘结剂含量之间的体积比；Vw、Vs、Vx分别表示水、砂和胶凝材料的体积；Mmax指浆体的最大质量。
4.根据权利要求1所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述灌浆料包括水泥一、水泥二、硅灰、粉煤灰、微珠、石英砂、减水剂、消泡剂、膨胀剂、纤维、水。
5.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述水泥一为52.5R硫铝酸盐水泥。
6.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述水泥二为P.I52.5R硅酸盐水泥。
7.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述减水剂为液体、减水率35％、早强型的聚羧酸高效减水剂。
8.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述消泡剂为巴斯夫液体消泡剂。
9.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述膨胀剂为UEA型。
10.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述纤维为镀铜钢纤维，长径比65。
11.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述石英砂级配分为20目-40目、40目-70目和70目-110目(按0.43：0.43：0.14调配)。
12.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述超细硅灰直径为2.13-18.7μm，密度为120kg/m3。
13.根据权利要求4所述的一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料设计，其特征在于：所述微珠为玻璃微珠，直径为150微米-200微米。
14.一种基于最紧密堆积模型的复配超早强梁柱节点灌浆料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：按灌浆料配合比，分别称取上述材料；
步骤二：先将粉煤灰、微珠、水泥一、水泥二、膨胀剂称量装锅慢速搅拌90-120s；
步骤三：然后加入石英砂继续慢速搅拌100-120s；
步骤四：接着，将消泡剂和水的混合液加入干拌料中慢搅20-50s，同时开始用秒表计时；
步骤五：然后加入减水剂(减水剂可以采用加入前与加入后的总重做差)，先慢速搅拌80-100s，再快速120-160s；
步骤六：最后剩余40-60s期间慢速搅拌，持续加钢纤维，直至加水搅拌用总时间4-6min停止。
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