CN116434894A - 一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法及制作方法。本发明包括以下步骤：确定替换率；获得转换系数；获得计算强度；获得配制强度；获得水泥抗压强度实测值；确定骨料回归系数的取值；获得水灰比；确定单位用水量；获得水泥用量；确定砂率；获得粗骨料及细骨料用量；获得钢渣用量；获得砂的用量；得到配合比。本发明可显著提高各组分用量确定的效率，节省试验工作量，缩短试验周期，降低经济成本，在确保混凝土成品的强度满足使用要求的同时，可快速实现目标强度要求下的钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计目的；本发明中涉及的计算步骤可为相关类型的智能化算法的编制提供参考。
Description
技术领域
本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法及制作方法。
背景技术
钢渣是在炼钢过程中加入石灰石、白云石和铁矿石等熔剂以及造渣材料冶炼后，从高温下熔化后的液相炉料中分离出来的杂质，含有丰富的钙、铁、硅等元素。由于钢渣的许多化学成分与水泥熟料的相似，钢渣具有很大资源化利用的潜力。将钢渣作为掺合料应用于混凝土，不仅可以降低混凝土的生产成本，减少水泥的用量，而且可以解决钢渣所带来的环境污染问题。
目前，对钢渣混凝土材料的开发与应用，就是将各类钢渣，在严格分类管理、分类处理、分级加工的基础上，按混凝土高性能化要求，结合各类钢渣的不同特性，加工生产成钢渣微粉，以用来开发形成钢渣混凝土及其制成品，这在如中国专利公告号为“CN112851264A”的名称为“一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土”以及中国专利公告号为“CN101774223B”的名称为“一种钢纤维橡胶钢渣再生骨料混凝土的制备方法”等专利文本中均有所公开。可见，现有技术对于钢渣在混凝土中的应用创新，多集中在钢渣粉作为外加剂应用于混凝土中，而对于钢渣骨料作为混凝土细骨料的应用，以及钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计等尚缺乏研究。究其原因，其一是目前针对不同钢渣细骨料替换率下的混凝土强度评估方法不明，造成钢渣替换细骨料难以进行强度转换，导致其在实际工程中难以应用；其二是目前缺少明确的钢渣替换细骨料混凝土的设计工艺，给实际生产和应用带来困难；其三为缺乏钢渣替换细骨料混凝土制备流程与方法，造成钢渣替换细骨料混凝土的制备缺少相关流程，难以实现钢渣替换细骨料混凝土的工业化生产。当前，对于细骨料，仍然几乎完全采用河砂或湖砂等，显然对自然资源的消耗巨大，过度的资源开采不仅会破坏环境，还会增加工程建设的成本；因此，亟待解决。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，本发明可显著提高各组分用量确定的效率，节省试验工作量，缩短试验周期，降低经济成本，在确保混凝土成品的强度满足使用要求的同时，可快速实现目标强度要求下的钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计目的；同时，本发明中涉及的计算步骤可为混凝土专家分析与支持系统、配比设计软件等智能化算法编制提供参考。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.确定钢渣替换细骨料的替换率m；
S2由下式获得钢渣替换细骨料混凝土和普通混凝土的转换系数
：
S3.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的计算强度f cu,sk ：
其中：
f cu,s 为目标混凝土的抗压强度标准值；
S4.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的配制强度f cu,so ：
其中：
t为目标混凝土95%的强度保证率下的常数值；
M为目标混凝土强度标准差；
S5.由下式获得水泥抗压强度实测值f ce ：
其中：
γ c 为水泥强度值的富余系数；
f ce，k 为水泥强度等级值；
S6.确定骨料回归系数α A 和α B 的取值；
S7.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的水灰比W/C：
S8.确定单位用水量W 0 ；
S9.由下式获得水泥用量C 0 ：
S10.确定砂率S P ；
S11.由下式获得粗骨料和细骨料用量：
其中：
S 0 为砂的用量；
G 0 为粗骨料的用量；
ρ c 为水泥密度；
ρ m 为水的密度；
ρ 0S 为砂的表观密度；
ρ 0G 为粗骨料的表观密度；
α为混凝土含气量的百分数；
S P 为砂率；
S12.由下式获得钢渣用量Z 1 ：
Z 1 =S 0 ·m；
S13.由下式获得砂的用量Z 2 ：
Z 2 =S 0 ·（1-m）；
S14.获得钢渣替换细骨料混凝土的配合比为：
C 0 ：W 0 ：G 0 ：Z 1 ：Z 2 。
优选的，所述步骤S4中，t=1.645。
优选的，所述步骤S6中，当粗骨料为碎石时，α A =0.46，α B =0.07；粗骨料为卵石时，α A =0.48，α B =0.33。
优选的，所述步骤S11中，不使用引气型外加剂时，α=1。
优选的，制作方法，该制作方法应用所述的一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于：
Sa.按照所述的钢渣替换细骨料混凝土的配合比，确定制备混凝土所需的水泥、水、钢渣、砂、石子的重量；
Sb.根据所需的重量称取材料，并将水泥、钢渣、砂、石子依次加入搅拌机，搅拌2~3min；
Sc.待材料搅拌混合均匀后，加入拌合用水及减水剂，继续搅拌3~5min，形成浆体；待浆体在搅拌机中完全流化，得到所需的钢渣替换细骨料混凝土的浆料。
优选的，所述水泥为标号P.O 42.5级的普通硅酸盐水泥。
优选的，所述钢渣为采用热闷工艺生产的转炉炉渣经由机械筛分法选取后的粒径为5~10mm 和10~20mm 的钢渣颗粒，并剔除其中的片状颗粒；所述转炉炉渣采用堆放一年以上的陈渣，压碎值不大于30%，游离氧化钙含量不大于3%，含泥量不大于0.5%，吸水率不大于1%。
优选的，所述砂为普通中砂，细度模数为2.3~3.0。
优选的，所述石子采用5~20mm连续级配的石灰石，含泥量不大于0.5%，吸水率不大于1%。
优选的，所述拌合用水采用中性天然水；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率不小于30%。
本发明的有益效果在于：
1）通过上述方案，本发明不仅提出了不同钢渣细骨料替换率下混凝土抗压强度的简化计算方法，实现了钢渣替换细骨料混凝土抗压强度快速预测；同时还解决了目标强度要求下钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计问题，实现了钢渣替换细骨料混凝土的具体化的应用设计。
实际操作时，本发明的技术方案由强度转换公式和配合比设计计算两部分组成。对于强度转换公式，由钢渣替换细骨料的替换率计算得到转换系数，再根据转换系数，将钢渣替换细骨料混凝土的设计强度转换为计算强度，再将计算强度转换为配制强度。对于配合比设计计算部分，则依据计算得出的配制强度进行设计，得到对应钢渣替换细骨料混凝土的配合比，即水、水泥、砂、石子、钢渣的用量比值，随后可利用该用量比值，无需试验或进行少量验证性试验，即可精准而快速的确定水、水泥、砂、石子、钢渣的组分用量。
至此，本发明可显著提高各组分用量确定的效率，节省试验工作量，缩短试验周期，降低经济成本，在确保混凝土成品的强度满足使用要求的同时，可快速实现目标强度要求下的钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计目的。
同时，本发明中涉及的计算步骤可为混凝土专家分析与支持系统、配比设计软件等智能化算法的编制提供参考。
2）进一步的，在上述方案的基础上，本发明还提供了一种制作方法，用以明确钢渣替换细骨料混凝土的具体制备流程，为钢渣替换细骨料混凝土的生产制造提供基础保证。
具体实施方式
为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
在进行相关配合比设计时，首先，确定需要配制的钢渣替换细骨料混凝土的设计强度，根据本发明提供的钢渣替换细骨料混凝土与普通混凝土的强度转换公式，将设计强度转换为计算强度。其次，考虑混凝土的强度保证率要求，利用公式，将钢渣替换细骨料混凝土的计算强度转换为配制强度。最后，依据规范要求及试验数据，依次确定水泥抗压强度实测值、骨料回归系数、水灰比、单位用水量、砂率、砂用量、粗骨料如碎石或卵石的用量、钢渣用量等参数。而其中的骨料回归系数的取值，可根据骨料的外形和性能进行参考设定；单位用水量则根据细骨料种类、最大粒径和设计要求的坍落度值进行参考设定。
为便于进一步解释本发明，下面以配制强度等级为C30的钢渣替换细骨料混凝土为例，对钢渣替换细骨料混凝土进行配合比设计，以便对本发明作具体实施例的论证：
实施例1：
目标混凝土：配制设计强度等级为C30的钢渣替换细骨料混凝土试件，要求强度保证率95％，施工要求坍落度35mm～50mm，采用机械搅拌机械振捣。
采用的材料规格如下：
水泥：普通硅酸盐水泥，强度等级42 .5，水泥密度3 .00g/cm3；水泥富余系数为1.08；
砂：河中砂，级配合格，表观密度为2650kg/m3，含水率1％；
石子：碎石，粒径5mm～20mm，级配合格，表观密度为2700kg/m3；
水：自来水。
此时：
由混凝土强度等级为C50 ，可知目标混凝土的抗压强度标准值f cu,s 为30MPa；
由强度保证率为95%，可知t=1.645；
由水泥强度等级为42.5，可知f ce,k =42.5MPa；
由水泥富余系数为1.08，可知γ c =1.08；
由水泥密度3 .00g/cm3，可知ρ c =3 .00g/cm3；
由砂的表观密度为2650kg/m3，可知ρ 0S =2.65g/cm3；
由石子也即粗骨料的表观密度为2700kg/m3，可知ρ 0G =2.7g/cm3；
水的密度ρ m =1g/cm³；
替换细骨料的话，得看粗骨料用的哪种；石子取用碎石就取用碎石的骨料回归系数，是卵石就取用卵石的骨料回归系数；实施例1的粗骨料为石子，且石子取用碎石，因此，α A =0.46，α B =0.07。
具体操作步骤如下：
S1.确定钢渣替换细骨料的替换率m=0.5；
S2由下式获得钢渣替换细骨料混凝土和普通混凝土的转换系数
：
S3.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的计算强度f cu,sk ：
S4.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的配制强度f cu,so ：
其中：
M为目标混凝土强度标准差，根据目标混凝土强度查表，取5MPa；
S5.由下式获得水泥抗压强度实测值f ce ：
S6.确定骨料回归系数α A 和α B 的取值；由前述，α A 和α B 分别为0.46、0.07；
S7.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的水灰比W/C：
S8.确定单位用水量W 0 ；可根据混凝土坍落度和维勃稠度以及碎石的最大粒径等指标通过查表获得，取W 0 =185kg；
S9.由下式获得水泥用量C 0 ：
S10.确定砂率SP，根据水灰比以及卵石和碎石的最大粒径等指标通过查表获得，砂率SP取35％；
S11.由下式获得粗骨料和细骨料用量：
不掺引气型外加剂时，α取1；
此时可知：
可得：S0=609kg，G0=1131kg；
S12.由下式获得钢渣用量Z 1 ：
Z 1 =S 0 ·m=609×0.5=304.5kg；
S13.由下式获得砂的用量Z 2 ：
Z 2 =S 0 ·（1-m）=609×（1-0.5）=304.5kg。
整合上述数值，可知钢渣替换细骨料混凝土的配合比为：C 0 ：W 0 ：G 0 ：Z 1 ：Z 2 =1：0.39：2.41：0.65：0.65。
在上述实施例1的基础上，变换钢渣替换率m的数值，进行实施例2、实施例3、实施例4及实施例5的计算，获得相应的钢渣替换细骨料混凝土的各组分实际用量。
最终获得的实施例1~5的钢渣替换细骨料混凝土配合比及各组分用量见表1：
表1
采用上述各实施例中的组分用量，按照本发明的制备方法进行制备获得浆料；按照GB/T50081-2002《混凝土力学性能试验方法标准》中规定的方法，将浆料制得试块，并在养护28天之后，对制备获得的钢渣替换细骨料混凝土试块进行抗压强度测试，获得的实施例1~5中的组分用量制得的钢渣替换细骨料混凝土试块的抗压强度试验值见表2：
表2
通过抗压强度实验测定，可得出使用本发明所获得的钢渣替换细骨料混凝土后的混凝土试样，强度均大于或等于目标值，也即满足使用要求。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (10)
1.一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.确定钢渣替换细骨料的替换率m；
S2由下式获得钢渣替换细骨料混凝土和普通混凝土的转换系数 
：
f cu,s 为目标混凝土的抗压强度标准值；
S4.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的配制强度f cu,so ：
t为目标混凝土95%的强度保证率下的常数值；
M为目标混凝土强度标准差；
S5.由下式获得水泥抗压强度实测值f ce ：
γ c 为水泥强度值的富余系数；
f ce，k 为水泥强度等级值；
S6.确定骨料回归系数α A 和α B 的取值；
S7.由下式获得钢渣替换细骨料混凝土的水灰比W/C：
S9.由下式获得水泥用量C 0 ：
S11.由下式获得粗骨料和细骨料用量：
S 0 为砂的用量；
G 0 为粗骨料的用量；
ρ c 为水泥密度；
ρ m 为水的密度；
ρ 0S 为砂的表观密度；
ρ 0G 为粗骨料的表观密度；
α为混凝土含气量的百分数；
S P 为砂率；
S12.由下式获得钢渣用量Z 1 ：
Z 1 =S 0 ·m；
S13.由下式获得砂的用量Z 2 ：
Z 2 =S 0 ·（1-m）；
S14.获得钢渣替换细骨料混凝土的配合比为：
C 0 ：W 0 ：G 0 ：Z 1 ：Z 2 。
2.根据权利要求1所述的一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，t=1.645。
3.根据权利要求1所述的一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，当粗骨料为碎石时，α A =0.46，α B =0.07；粗骨料为卵石时，α A =0.48，α B =0.33。
4.根据权利要求1所述的一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述步骤S11中，不使用引气型外加剂时，α=1。
5.制作方法，该制作方法应用如权利要求1或2或3或4所述的一种钢渣替换细骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于：
Sa.按照所述的钢渣替换细骨料混凝土的配合比，确定制备混凝土所需的水泥、水、钢渣、砂、石子的重量；
Sb.根据所需的重量称取材料，并将水泥、钢渣、砂、石子依次加入搅拌机，搅拌2~3min；
Sc.待材料搅拌混合均匀后，加入拌合用水及减水剂，继续搅拌3~5min，形成浆体；待浆体在搅拌机中完全流化，得到所需的钢渣替换细骨料混凝土的浆料。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述水泥为标号P.O 42.5级的普通硅酸盐水泥。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述钢渣为采用热闷工艺生产的转炉炉渣经由机械筛分法选取后的粒径为5~10mm 和10~20mm 的钢渣颗粒，并剔除其中的片状颗粒；所述转炉炉渣采用堆放一年以上的陈渣，压碎值不大于30%，游离氧化钙含量不大于3%，含泥量不大于0.5%，吸水率不大于1%。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述砂为普通中砂，细度模数为2.3~3.0。
9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述石子采用5~20mm连续级配的石灰石，含泥量不大于0.5%，吸水率不大于1%。
10.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述拌合用水采用中性天然水；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率不小于30%。
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