CN117034431A - 基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，包括根据紧密堆积模型中最大颗粒粒径和最小颗粒粒径得到各筛孔下的累计百分率；根据以上各筛孔尺寸的累计通过百分率得出各筛孔尺寸骨料的体积比例，得到相应粒径骨料的质量比例；计算得到该骨料模型的总比表面积；结合体积法和比表面积法，计算混凝土中砂石用量；由砂石质量计算出混凝土中浆体体积；初始水胶比根据普通混凝土配合比设计规程的计算方式；掺外加剂时，混凝土的用水量计算；根据各胶凝材料表观密度及用水量，确定各胶凝材料具体用量；进一步实现混凝土低碳化的配合比设计，保证混凝土性能优良的同时，达到混凝土绿色环保、节能降碳的目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法。
背景技术
据统计，2022年度全国碳排放总量为121亿吨，其中由于钢材和水泥产量较于2021年下降了2％和10％，使得工业部门排放量减少1.61亿吨。可见，作为碳排放重头行业的建筑业，在如火如荼的双碳战略推行下，将会持续承压。
混凝土碳排放主要来源于原材料开采、水泥生产、混凝土制造三部分，其中水泥生产的碳排放占90％以上。因而，混凝土的低碳化最直接的方式就是降低水泥用量，由此带来的经济效益也非常可观。
Andreasen-Andersen(MAA)紧密堆积模型通过骨料的紧密堆积，实现混凝土骨料骨架结构的最小空隙，达到减少混凝土中胶凝材料的目的，以此实现混凝土的低碳制造。
但是混凝土中胶凝材料的用量控制仍有很大的优化空间，因此，为解决以上问题，需要一种基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，进一步实现混凝土低碳化的配合比设计，保证混凝土性能优良的同时，达到混凝土绿色环保、节能降碳的目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，能够进一步实现混凝土低碳化的配合比设计，保证混凝土性能优良的同时，达到混凝土绿色环保、节能降碳的目的。
本发明的基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，包括以下步骤；
步骤1：根据紧密堆积模型中最大颗粒粒径和最小颗粒粒径得到各筛孔下的累计百分率：
式中：CPFT(％)为比粒径D小的累计筛余量；DL表示骨料颗粒系统中最大粒径尺寸(mm)；DS表示骨料颗粒系统中最小粒径尺寸(mm)；D表示当前骨料颗粒尺寸(mm)；q为分布系数；
步骤2：根据以上各筛孔尺寸的累计通过百分率得出各筛孔尺寸骨料的体积比例，结合各筛级骨料表观密度即可得到相应粒径骨料的质量比例；
步骤3：根据确定的各粒径骨料质量比例能够计算得到该骨料模型的总比表面积S，计算步骤如下：
联立公式(2)(3)得到：
式中：V为骨料体积(m3)，A为骨料表面积(m2)；
1m3骨料的总表面积如下：
联立公式(5)(6)得到：A＝∑Ai(7)
式中：Di为第i粒级骨料的平均粒径(mm)，Ai为单一粒径骨料的表面积(m2)，Ki为单一粒径骨料所占骨料模型的质量比例(％)；
由比表面积定义为每千克骨料的总表面积可知，该骨料模型的总比表面积计算如下：
式(8)中S为1m3骨料的比表面积(m2/kg)，m为1m3骨料的质量(kg)，β为骨料比表面积修正系数；
步骤4：结合体积法和比表面积法，可计算出1m3混凝土中砂石用量；
VP+Va＝1 (9)
Vp2＝t×MgS (11)
VP＝VP1+VP2 (13)
式(9)中：VP表示1m3混凝土中的浆体体积(m3)；Va表示混凝土中的骨料体积(m3)；
式(10)中：VP1表示1m3填充骨料空隙的浆体体积(m3)；Ms表示混凝土中细骨料质量(kg)；ρsd表示细骨料堆积密度(kg/m3)；P表示细骨料空隙率(％)；
式(11)中：VP2表示1m3混凝土中包裹骨料表面的浆体体积(m3)；t表示包裹骨料表面的水泥浆层厚度(m)；Mg表示1m3混凝土中骨料质量(kg)；
通过单一粒径骨料的质量比例可确定砂石相对比例，同时联立公式(8)～(13)可计算出1m3混凝土中的砂石用量；
步骤5：根据体积法，由砂石质量可计算出1m3混凝土中浆体体积VP；
步骤6：初始水胶比根据普通混凝土配合比设计规程的计算方式进行；
式(14)中表示混凝土水胶比；αa、αb表示回归系数；fb表示胶凝材料28d胶砂抗压强度(MPa)；fcu,0表示混凝土配制强度(MPa)；
fb＝γfγsfce (15)
fcu,0＝fcu,k+1.645σ (16)
式(15)中γf表示粉煤灰影响系数，γs表示矿渣影响系数；fce表示水泥28d胶砂实测抗压强度(MPa)；
式(16)中fcu,k表示混凝土的设计强度等级值(MPa)；σ表示混凝土强度标准差(MPa)；
步骤7：掺外加剂时，1m3混凝土的用水量计算：
mw＝m'w(1-β) (17)
式(17)中β为外加剂减水率(％)；m'w为理论水胶比下的理论用水量(kg)；
步骤8：建立在体积法基础上，根据各胶凝材料表观密度及用水量，确定各胶凝材料具体用量；
式(18)中mc表示1m3混凝土中的水泥质量(kg)；mf表示1m3混凝土中的矿物掺合料质量(kg)；mw1m3混凝土中的水质量(kg)；mG表示1m3混凝土中的粗骨料质量(kg)；mg表示1m3混凝土中的细骨料质量(kg)；α表示混凝土的含气量百分数；ρc表示水泥密度(kg/m3)；ρf表示矿物掺合料密度(kg/m3)；ρw表示水的密度(kg/m3)；ρG表示粗骨料的表观密度(kg/m3)；ρg表示细骨料的表观密度(kg/m3)。
进一步，步骤1中，分布系数q的取值范围：0.2～0.6。
进一步，步骤3中，骨料比表面积修正系数β的取值范围：1.00～1.15。
进一步，步骤4中，包裹骨料表面的水泥浆层厚度t的取值范围：10μm～50μm。
进一步，步骤8中，在不使用引气剂或引气型外加剂时，混凝土的含气量百分数α取1。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，与现有技术相比所具有的优势：
(a)本配合比设计方法采用优化后的Andreasen和Andersen颗粒堆积模型(MAA)完成混凝土骨料级配优化，实现混凝土的紧密堆积，通过比表面法、体积法的融合，实现1m3混凝土最小胶凝材料使用，成功从混凝土的配合比设计源头上实现混凝土的低碳化。
(b)本配合比设计方法中根据不同强度等级混凝土选择骨料浆体的包裹厚度与水胶比，能够从用水量和浆体含量两方面加强混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的控制。
具体实施方式
本实施例中的基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法包括以下步骤；
步骤1：根据紧密堆积模型中最大颗粒粒径和最小颗粒粒径得到各筛孔下的累计百分率：
式中：CPFT(％)为比粒径D小的累计筛余量；DL表示骨料颗粒系统中最大粒径尺寸(mm)；DS表示骨料颗粒系统中最小粒径尺寸(mm)；D表示当前骨料颗粒尺寸(mm)；q为分布系数分布系数q的取值范围：0.2～0.6；
步骤2：根据以上各筛孔尺寸的累计通过百分率得出各筛孔尺寸骨料的体积比例，结合各筛级骨料表观密度即可得到相应粒径骨料的质量比例；
步骤3：根据确定的各粒径骨料质量比例能够计算得到该骨料模型的总比表面积S，计算步骤如下：
联立公式(2)(3)得到：
式中：V为骨料体积(m3)，A为骨料表面积(m2)；
1m3骨料的总表面积如下：
联立公式(5)(6)得到：A＝∑Ai(7)
式中：Di为第i粒级骨料的平均粒径(mm)，Ai为单一粒径骨料的表面积(m2)，Ki为单一粒径骨料所占骨料模型的质量比例(％)；
由比表面积定义为每千克骨料的总表面积可知，该骨料模型的总比表面积计算如下：
式(8)中S为1m3骨料的比表面积(m2/kg)，m为1m3骨料的质量(kg)，β为骨料比表面积修正系数，骨料比表面积修正系数β的取值范围：1.00～1.15；
步骤4：结合体积法和比表面积法，可计算出1m3混凝土中砂石用量；
VP+Va＝1 (9)
Vp2＝t×MgS (11)
VP＝VP1+VP2 (13)
式(9)中：VP表示1m3混凝土中的浆体体积(m3)；Va表示混凝土中的骨料体积(m3)；
式(10)中：VP1表示1m3填充骨料空隙的浆体体积(m3)；Ms表示混凝土中细骨料质量(kg)；ρsd表示细骨料堆积密度(kg/m3)；P表示细骨料空隙率(％)；
式(11)中：VP2表示1m3混凝土中包裹骨料表面的浆体体积(m3)；t表示包裹骨料表面的水泥浆层厚度(m)，包裹骨料表面的水泥浆层厚度t的取值范围：10μm～50μm；Mg表示1m3混凝土中骨料质量(kg)；
通过单一粒径骨料的质量比例可确定砂石相对比例，同时联立公式(8)～(13)可计算出1m3混凝土中的砂石用量；
步骤5：根据体积法，由砂石质量可计算出1m3混凝土中浆体体积VP；
步骤6：初始水胶比根据普通混凝土配合比设计规程的计算方式进行；
式(14)中表示混凝土水胶比；αa、αb表示回归系数；fb表示胶凝材料28d胶砂抗压强度(MPa)；fcu,0表示混凝土配制强度(MPa)；
fb＝γfγsfce (15)
fcu,0＝fcu,k+1.645σ (16)
式(15)中γf表示粉煤灰影响系数，γs表示矿渣影响系数；fce表示水泥28d胶砂实测抗压强度(MPa)；
式(16)中fcu,k表示混凝土的设计强度等级值(MPa)；σ表示混凝土强度标准差(MPa)；
步骤7：掺外加剂时，1m3混凝土的用水量计算：
mw＝m'w(1-β) (17)
式(17)中β为外加剂减水率(％)；m'w为理论水胶比下的理论用水量(kg)；
步骤8：建立在体积法基础上，根据各胶凝材料表观密度及用水量，确定各胶凝材料具体用量；
式(18)中mc表示1m3混凝土中的水泥质量(kg)；mf表示1m3混凝土中的矿物掺合料质量(kg)；mw1m3混凝土中的水质量(kg)；mG表示1m3混凝土中的粗骨料质量(kg)；mg表示1m3混凝土中的细骨料质量(kg)；α表示混凝土的含气量百分数，在不使用引气剂或引气型外加剂时，混凝土的含气量百分数α取1；ρc表示水泥密度(kg/m3)；ρf表示矿物掺合料密度(kg/m3)；ρw表示水的密度(kg/m3)；ρG表示粗骨料的表观密度(kg/m3)；ρg表示细骨料的表观密度(kg/m3)。
本发明涉及一种关于混凝土低碳化的配合比设计方法，根据紧密堆积模型完成骨料级配优化，在实现骨料最紧密堆积的基础上，结合骨料比表面积调整浆体用量，实现不同强度等级混凝土的配合比设计；本发明能够通过优化骨料成分比例和浆体用量，降低混凝土胶凝材料用量，制得性能优异、绿色环保的混凝土，成功实现混凝土生产成本的降低和低碳化，具有广泛的应用前景。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，与现有技术相比所具有的优势：
(a)本配合比设计方法采用优化后的Andreasen和Andersen颗粒堆积模型(MAA)完成混凝土骨料级配优化，实现混凝土的紧密堆积，通过比表面法、体积法的融合，实现1m3混凝土最小胶凝材料使用，成功从混凝土的配合比设计源头上实现混凝土的低碳化。
(b)本配合比设计方法中根据不同强度等级混凝土选择骨料浆体的包裹厚度与水胶比，能够从用水量和浆体含量两方面加强混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的控制。
本方案根据Andreasen-Andersen(MAA)紧密堆积模型确定混凝土最紧密堆积状态下各骨料成分比例，结合骨料比表面积调整浆体用量以此确定混凝土中骨料和浆体用量；之后建立在体积法的基础上，根据普通混凝土配合比设计规程确定不同强度等级混凝土水胶比，计算各胶凝材料用量和用水量，实现混凝土的最佳配合比设计。
采用本方案的配合比设计规程计算如下：
S1.根据骨料堆积模型，骨料最大粒径取20mm，分布系数取0.5，计算各粒径体积分数如下：
| 0.075-0.15 | 0.15-0.3 | 0.3-0.6 | 0.6-1.18 | 1.18-2.36 | 2.36-4.75 | 4.75-10 | 10-20 |
| 2.7％ | 3.8％ | 5.4％ | 7.4％ | 10.7％ | 15.3％ | 23.4％ | 31.2％ |
根据各粒径骨料表观密度计算质量分数与体积分数相近；
S2.根据公式(4)(5)(6)(7)(8)：
石子比表面积修正系数取1.12，砂比表面积取1.0，计算大石比表面积为0.147m2/kg，小石比表面积0.294m2/kg，砂的比表面积为3.485m2/kg。
S3.联立公式(9)(10)(11)(12)(13)：
骨料浆体包裹厚度取20μm，计算大石质量为576.3kg，小石质量为434.7kg，砂质量为840.6kg，浆体体积为0.319m3。
S4.配制C30强度等级混凝土，通过联立公式(14)(15)(16)(17)(18)结合胶凝材料密度，减水剂减水率取29％，计算胶凝材料质量为398kg，其中水泥质量为239kg，粉煤灰质量为100kg，矿渣质量为60kg，水质量为171kg。
采用普通混凝土配合比设计规程计算如下：
配制C30强度等级混凝土，标准差σ取值5.0，试配强度为fcu,0＝fcu,k+1.645σ＝38.225MPa，其中粉煤灰掺量25％，矿渣掺量15％，水胶比为以目标坍落度230mm选取用水量250kg，实际用水量则为250×(1-29％)＝178kg，则总胶材用量为413.9kg，其中水泥质量为248.4kg，粉煤灰质量为103.4kg，矿渣质量为62.1kg。
较于同等参数情况下普通混凝土配合比设计规程完成的配合比设计来看，本配合比设计方法胶凝材料总量减少15.9kg，具有明显的低碳节能效益；通过优化混凝土中的骨料级配，实现混凝土中骨架结构的最紧密堆积，结合骨料浆体厚度的优化，实现混凝土低碳化的配合比设计，保证混凝土性能优良的同时，达到混凝土绿色环保、节能降碳的目的。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤1：根据紧密堆积模型中最大颗粒粒径和最小颗粒粒径得到各筛孔下的累计百分率：
式中：CPFT(％)为比粒径D小的累计筛余量；DL表示骨料颗粒系统中最大粒径尺寸(mm)；DS表示骨料颗粒系统中最小粒径尺寸(mm)；D表示当前骨料颗粒尺寸(mm)；q为分布系数；
步骤2：根据以上各筛孔尺寸的累计通过百分率得出各筛孔尺寸骨料的体积比例，结合各筛级骨料表观密度即可得到相应粒径骨料的质量比例；
步骤3：根据确定的各粒径骨料质量比例能够计算得到该骨料模型的总比表面积S，计算步骤如下：
联立公式(2)(3)得到：
式中：V为骨料体积(m3)，A为骨料表面积(m2)；
1m3骨料的总表面积如下：
联立公式(5)(6)得到：A＝∑Ai(7)
式中：Di为第i粒级骨料的平均粒径(mm)，Ai为单一粒径骨料的表面积(m2)，Ki为单一粒径骨料所占骨料模型的质量比例(％)；
由比表面积定义为每千克骨料的总表面积可知，该骨料模型的总比表面积计算如下：
式(8)中S为1m3骨料的比表面积(m2/kg)，m为1m3骨料的质量(kg)，β为骨料比表面积修正系数；
步骤4：结合体积法和比表面积法，可计算出1m3混凝土中砂石用量；
VP+Va＝1 (9)
Vp2＝t×MgS (11)
VP＝VP1+VP2 (13)
式(9)中：VP表示1m3混凝土中的浆体体积(m3)；Va表示混凝土中的骨料体积(m3)；
式(10)中：VP1表示1m3填充骨料空隙的浆体体积(m3)；Ms表示混凝土中细骨料质量(kg)；ρsd表示细骨料堆积密度(kg/m3)；P表示细骨料空隙率(％)；
式(11)中：VP2表示1m3混凝土中包裹骨料表面的浆体体积(m3)；t表示包裹骨料表面的水泥浆层厚度(m)；Mg表示1m3混凝土中骨料质量(kg)；
通过单一粒径骨料的质量比例可确定砂石相对比例，同时联立公式(8)～(13)可计算出1m3混凝土中的砂石用量；
步骤5：根据体积法，由砂石质量可计算出1m3混凝土中浆体体积VP；
步骤6：初始水胶比根据普通混凝土配合比设计规程的计算方式进行；
式(14)中表示混凝土水胶比；αa、αb表示回归系数；fb表示胶凝材料28d胶砂抗压强度(MPa)；fcu,0表示混凝土配制强度(MPa)；
fb＝γfγsfce (15)
fcu,0＝fcu,k+1.645σ (16)
式(15)中γf表示粉煤灰影响系数，γs表示矿渣影响系数；fce表示水泥28d胶砂实测抗压强度(MPa)；
式(16)中fcu,k表示混凝土的设计强度等级值(MPa)；σ表示混凝土强度标准差(MPa)；
步骤7：掺外加剂时，1m3混凝土的用水量计算：
mw＝m'w(1-β) (17)
式(17)中β为外加剂减水率(％)；m'w为理论水胶比下的理论用水量(kg)；
步骤8：建立在体积法基础上，根据各胶凝材料表观密度及用水量，确定各胶凝材料具体用量；
式(18)中mc表示1m3混凝土中的水泥质量(kg)；mf表示1m3混凝土中的矿物掺合料质量(kg)；mw1m3混凝土中的水质量(kg)；mG表示1m3混凝土中的粗骨料质量(kg)；mg表示1m3混凝土中的细骨料质量(kg)；α表示混凝土的含气量百分数；ρc表示水泥密度(kg/m3)；ρf表示矿物掺合料密度(kg/m3)；ρw表示水的密度(kg/m3)；ρG表示粗骨料的表观密度(kg/m3)；ρg表示细骨料的表观密度(kg/m3)。
2.根据权利要求1所述的基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，其特征在于：步骤1中，分布系数q的取值范围：0.2～0.6。
3.根据权利要求2所述的基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，其特征在于：步骤3中，骨料比表面积修正系数β的取值范围：1.00～1.15。
4.根据权利要求3所述的基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，其特征在于：步骤4中，包裹骨料表面的水泥浆层厚度t的取值范围：10μm～50μm。
5.根据权利要求4所述的基于紧密堆积模型的混凝土低碳化配合比设计方法，其特征在于：步骤8中，在不使用引气剂或引气型外加剂时，混凝土的含气量百分数α取1。
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| CN116768545B (zh) * | 2023-06-21 | 2024-03-12 | 中铁二十二局集团轨道工程有限公司 | 一种含有机制砂的盾构管片混凝土以及制作工艺 |
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