CN117524357A - 一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，在充分考虑透水混凝土非均质、多相和多层次的复合材料特性的基础上，计算出集料表面裹附的胶凝材料以及集料本身吸收的胶凝材料，复合叠加得出最终胶凝材料的总用量。对于各段级配，差异化计算各段级配曲线对应集料的比表面积，通过性能指标矩阵的归一化与决策处理，定量的确定最佳胶凝材料膜厚度。综合集料吸收的胶凝材料量，从而确定集料表面裹附的胶凝材料用量。本发明更加合理精确地确定了透水混凝土胶凝材料的用量，保证透水混凝土的承载强度、透水性等多方面的性能。
Description
技术领域
本发明涉及信息模型技术领域，本发明涉及材料技术领域，尤其涉及材料技术在路面工程中的应用。本发明提出了一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法。
背景技术
透水混凝土是经过特殊无机型透水保水水泥混凝土增强剂经与水混合形成稀释液再于水泥混合形成水泥浆包裹住粗、细骨料，配合精细施工制成具有连续孔隙的高强度透水混凝土，是一种新型生态环保型城市道路的铺装材料，它既可满足城市各种载荷道路的强度要求，又具有透气透水性，分解汽车尾气等有害气体，吸附微小粉尘，降音、降噪，缓解城市“热岛效应”等。
胶凝材料用量的多少对透水混凝土的性能影响巨大。胶凝材料用量增加可以加强骨料之间的黏结程度,进而提高透水性混凝上的强度。但如果胶凝材料用量过大的话混凝土的孔隙率会相应减小,从而降低透水混凝土的透水系数。且在拌和成型的过程中会沿空隙下沉,不仅堵塞空隙影响排水性,而且还会造成强度分布不均匀。胶凝材料用量减少则可以提升孔隙率,从而增强透水混凝土的透水性能。但是如果用量过少则会降低透水性混凝上的强度。因此如何合理的确定胶凝材料用量，关系到透水混凝土的承载强度、透水性等多方面的性能，是透水混凝土路面能否推广应用的关键所在。
专利申请CN113152193A公开了一种新型透水混凝土制备方法。通过洒水或浸泡使混凝土骨料表面润湿；将表面润湿的混凝土骨料与胶凝材料粉体混合，使凝胶材料粉体在混凝土骨料表面包裹成壳；将包裹成壳的混凝土骨料摊铺至施工区域碾压成型；通过喷雾或喷淋养护达到设计强度。本发明在透水混凝土的制备过程中不形成胶凝材料浆体，进而免去了水胶比设计的工作，极大简化了材料设计工作；同时可以避免浆体离析聚集于透水混凝土下部导致孔隙堵塞，保障透水混凝土的透水性能。通过碾压成型使骨料间相互嵌锁，胶凝材料壳体相互重叠并联结紧密，提高了胶凝材料的用量精度，既不因为用量过少而导致强度不足，又不因用量过多堵塞透水孔隙并产生浪费。
专利申请CN112390590B公开了一种高粘结性胶凝材料及高强透水水泥混凝土材料。基于物理填充-化学改性的复合方法，在保证改性透水水泥混凝土不产生水泥胶浆离析的前提下，提高了水泥用量；同时利用未参加水化反应的水泥颗粒、未参加二次水化反应的硅灰颗粒的二级填充效应，消除大孔并均匀化水泥胶浆内部及水泥-集料界面的毛细孔分布，明显提高透水混凝土的力学性能；同时利用玄武岩纤维进一步改善其力学和透水性能。
专利申请CN112094082B公开了一种基于浆骨比和胶凝材料的透水混凝土的配制方法。根据胶结料浆体占透水混凝土比例和粗骨料占透水混凝土比例确定浆骨比，然后科学合理的确定透水混凝土的胶凝材料用量，计算用水量，最终确定配合比。
专利申请CN114638104A公开了一种透水混凝土的设计方法及其应用。根据胶凝材料的抗折强度，确定胶凝材料的水胶比、浆体的粘度和骨料包裹层厚度；基于骨料的透水系数设计透水混凝土的透水系数，并结合富浆量和施工工艺修正得到透水混凝土的透水系数，根据透水混凝土的受力破坏的特点，用硅酸盐水泥净浆的抗折强度设计透水混凝土的抗压强度，结合富浆量和施工工艺修正透水混凝土的抗压强度，结合骨料密度，胶凝材料浆体的密度和粘度，基于等直径骨料堆积原理，计算出胶凝材料的用量、水用量和骨料的用量。
专利申请CN111645188B公开了一种基于水泥浆体包裹骨料的再生骨料透水混凝土配制方法。在已知再生骨料紧密堆积密度、表观密度、空隙率、总表面积以及所需配制的透水混凝土孔隙率的基础上，根据再生骨料表面裹浆厚度与水泥浆体流动度数学关系模型，水泥浆体流动度与水灰比、外加剂掺量数学关系模型，计算出再生骨料透水混凝土各组分用量，确定其理论配合比。
论文《水泥浆厚度在再生骨料透水混凝土配合比设计中的应用》作者：汪文文；吴芳；等；来源：硅酸盐通报.2019,38(01)，试验研究了水胶比、减水剂用量和骨料特性对水泥浆包裹骨料表面厚度的影响,并把水泥浆厚度应用到再生骨料透水混凝土配合比设计中。
论文《基于可压缩堆积模型的透水混凝土配合比设计》作者：陈晋栋；王武祥；等；来源：硅酸盐通报.2018,37(06)，基于可压缩堆积模型,以全孔隙率为设计指标,提出了一种考虑成型过程和集料级配影响的透水混凝土配合比设计方法.该方法首先根据可压缩堆积模型挑选出干堆积密实度较高的级配集料,引入反映成型过程影响的比例因子λ建立了集料在透水混凝土中的堆积密实度与其干堆积密实度之间的关系,进而确定出单位体积透水混凝土的集料用量；然后根据集料用量和水灰比,计算得到透水混凝土的水泥浆体体积和水泥用量。
通过以上相关文献的分析可以发现，现有专利和论文要么只是宏观的提出透水混凝土的制备方法，不能定量精确地计算胶凝材料的用量。要么虽然计算了水泥浆厚度，但是未能考虑胶凝材料被集料吸收部分对于总的胶凝材料用量的影响，同时也忽略了透水混凝土作为一种非均质、多相和多层次的复合材料，集料的形状、级配以及空隙特征，都存在一定的随机性和统计自相似性，采用普通的简化分析方法不能很好的对其加以准确描述的问题。然而合理的确定胶凝材料用量，关系到透水混凝土的承载强度、透水性等多方面的性能，是透水混凝土路面能否推广应用的关键所在。因此本发明提出的透水混凝土胶凝材料用量确定方法显得迫切且必要。
发明内容
为解决在透水水泥混凝土路面胶凝材料用量难以控制与确定的问题，本发明提出了一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，包括以下步骤：
(1)根据透水混凝土级配，拟合出双对数坐标系统下各段级配曲线的斜率，进而计算各段级配曲线的微积系数；
(2)通过室内试验测定各段级配曲线对应的集料的堆积密度与表观密度；
(3)计算各段级配曲线对应的体积微积系数；
(4)设定透水混凝土为空间立方体模型，对空间立方体进行透水混凝土微元数m等分，形成m3个小立方体，从m3个中舍弃透水混凝土空隙微元数n个，以表示骨料与空隙，依据体积微积系数，计算透水混凝土微元数m与透水混凝土空隙微元数n的值；
(5)透水混凝土微元数m与透水混凝土空隙微元数n的值计算集料比表面积微积系数；
(6)计算集料比表面积；
(7)依据性能评价指标，确定胶凝材料膜厚度；
(8)计算得到集料吸收的胶凝材料比例；
(9)比集料比表面积乘以胶凝材料膜厚度得到计算的胶凝材料比例，加上集料吸收的胶凝材料比例，即为透水混凝土胶凝材料比例。
本发明的进一步技术：
优选的，各段级配曲线的微积系数按照下式计算：
H＝3-K
式中：H—各段级配曲线的微积系数；
K—各段级配曲线的斜率。
优选的，体积微积系数按照下式计算：
式中：H—各段级配曲线的微积系数；
HV—各段级配曲线的体积微积系数；
xmax—级配曲线对应的集料最大粒径，mm；
xmin—级配曲线对应的集料最小粒径，mm；
ρ—集料的堆积密度，g/cm3；
ρa—集料的表观密度，g/cm3。
优选的，透水混凝土微元数m与透水混凝土空隙微元数n的值按照下式计算：
式中：HV—各段级配曲线的体积微积系数；
m—透水混凝土微元数；
n—透水混凝土空隙微元数。
优选的，集料比表面积微积系数按照下式计算：
式中：HS—集料比表面积微积系数；
m—透水混凝土微元数；
n—透水混凝土空隙微元数。
优选的，集料比表面积按照下式计算：
式中：S—集料比表面积；
Cs—集料表面形状系数；
Cv—集料体积形状系数；
rmin—测量集料微积面积时所用最小码尺长度，m；
M0—集料总质量，g；
ρa—集料的表观密度，g/cm3；
HS—集料比表面积微积系数；
H—各段级配曲线的微积系数；
xmax—级配曲线对应的集料最大粒径，mm；
xmin—级配曲线对应的集料最小粒径，mm。
优选的，胶凝材料膜厚度按照以下步骤确定：
(1)选取28d抗压强度、28d抗弯拉强度、15℃透水系数、25次冻融循环抗冻质量损失率、磨损量作为透水混凝土性能评价指标，记为xij，xij为第i个胶凝材料膜厚度下的第j个性能指标；
(2)建立透水混凝土的i×j的性能指标矩阵，对矩阵进行统一处理，具体处理方式为：
对于28d抗压强度、28d抗弯拉强度、15℃透水系数3个指标，aij＝xij/max(xij)；
对于25次冻融循环抗冻质量损失率、磨损量2个指标，aij＝min(xij)/xij；
(3)确定最佳与最差方案
yj +＝max{aij}、yj -＝min{aij}
最佳方案：
最差方案：
(4)计算待评胶凝材料膜厚度方案与最佳、最差胶凝材料膜厚度方案之间的距离分别为：
(5)结果排序
根据Ci的大小排序，Ci最小时的方案即确定胶凝材料膜厚度μ。
优选的，集料吸收的胶凝材料比例按照下式计算：
式中：P吸收—集料吸收的胶凝材料比例，％；
γse—矿料的有效相对密度；
γsb—矿料的合成毛体积相对密度；
γb—胶凝材料的相对密度。
优选的，计算的胶凝材料比例为：
P计算＝S·μ
式中：P计算—计算的胶凝材料比例，％；
S—集料比表面积；
μ—胶凝材料膜厚度，μm。
优选的，透水混凝土胶凝材料比例计算方法为：
P＝P计算+P吸收
式中：P—透水混凝土胶凝材料比例，％；
P计算—计算的胶凝材料比例，％；
P吸收—集料吸收的胶凝材料比例，％。
本发明的有益效果为：
本发明提出的透水混凝土胶凝材料用量确定方法，是在充分考虑透水混凝土非均质、多相和多层次的复合材料特性的基础上，计算出集料表面裹附的胶凝材料以及集料本身吸收的胶凝材料，复合叠加得出最终胶凝材料的总用量。对于各段级配，差异化计算各段级配曲线对应集料的比表面积，通过性能指标矩阵的归一化与决策处理，定量的确定最佳胶凝材料膜厚度。从而确定集料表面裹附的胶凝材料用量。本发明更加合理精确地确定了透水混凝土胶凝材料的用量，保证透水混凝土的承载强度、透水性等多方面的性能，是透水混凝土路面能否推广应用的关键所在。
附图说明
图1为本发明提出的透水混凝土胶凝材料用量确定方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本说明，并不用于限定本发明。
实施例：某高速公公路服务区广场拟采用透水混凝土路面，前期确定的透水混凝土级配如表所示。
表1透水混凝土级配
试验测得的各段级配对应的集料自然堆积密度和自然堆积密度如下表所示。
表2集料密度检测结果
根据上表确定的级配，在双对数坐标系统下做出级配曲线图，并进行拟合，拟合出各段级配曲线的斜率，从而计算各段级配曲线的微积系数，如下表所示。
表3各段微积系数值
| 序号 | 分段(mm) | 微积系数值 |
| 1 | 0-0.15 | 2.728 |
| 2 | 0.15-0.3 | 2.687 |
| 3 | 0.3-0.6 | 2.594 |
| 4 | 0.6-1.18 | 2.632 |
| 5 | 1.18-2.36 | 2.496 |
| 6 | 2.36-4.75 | 2.191 |
| 7 | 4.75-9.5 | 1.606 |
| 8 | 9.5-13.2 | 1.301 |
| 9 | 13.2-16 | 1.039 |
由此可以计算得到各段级配曲线对应的体积微积系数。如下表所示。
表4各段体积微积系数值
依据体积微积系数，计算m(透水混凝土微元数)与n值(透水混凝土空隙微元数)，进而计算得到计算集料比表面积微积系数。
表5各段比表面积微积系数值
| 序号 | 分段(mm) | 比表面积微积系数 |
| 1 | 0-0.15 | 2.973 |
| 2 | 0.15-0.3 | 2.831 |
| 3 | 0.3-0.6 | 2.856 |
| 4 | 0.6-1.18 | 2.773 |
| 5 | 1.18-2.36 | 2.485 |
| 6 | 2.36-4.75 | 2.459 |
| 7 | 4.75-9.5 | 1.567 |
| 8 | 9.5-13.2 | 1.512 |
| 9 | 13.2-16 | 1.253 |
再进一步计算得到集料比表面积。
表6各段比表面积
透水混凝土比表面积综合为2.828m2/kg。
不同胶凝材料膜厚度条件下的性能指标数值如下表所示。
表7透水混凝土评价指标值
建立评价矩阵
对矩阵进行统一处理后得到：
最佳与最差方案分别为：
最佳方案：y+＝(1.00 1.00 1.00 1.00 1.00)
最差方案：y-＝(0.53 0.61 0.18 0.40 0.19)
计算待评胶凝材料膜厚度方案与最佳、最差胶凝材料膜厚度方案之间的距离分别为：
d+＝0.61，d-＝0.73
因此对应于胶凝材料膜厚度为80μm时透水混凝土综合性能最优。
计算的胶凝材料量(占比)为：
P计算＝S·μ＝2.828·80＝22.62％
式中：P计算—计算的胶凝材料比例，％；
S—集料比表面积，取2.828m2/kg；
μ—胶凝材料膜厚度，取80μm。
集料吸收的胶凝材料量(占比)为：
式中：P吸收—集料吸收的胶凝材料比例，％；
γse—矿料的有效相对密度，取2.713；
γsb—矿料的合成毛体积相对密度，取2.626；
γb—胶凝材料的相对密度，2.2g/cm3。
透水混凝土胶凝材料用量(占比)为：
P＝P计算+P吸收＝22.62％+2.69％＝25.31％
式中：P—透水混凝土胶凝材料比例，％；
P计算—计算的胶凝材料比例，取22.62％；
P吸收—集料吸收的胶凝材料比例，取2.69％。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据透水混凝土级配，拟合出双对数坐标系统下各段级配曲线的斜率，进而计算各段级配曲线的微积系数；
(2)通过室内试验测定各段级配曲线对应的集料的堆积密度与表观密度；
(3)计算各段级配曲线对应的体积微积系数；
(4)设定透水混凝土为空间立方体模型，对空间立方体进行透水混凝土微元数m等分，形成m3个小立方体，从m3个中舍弃透水混凝土空隙微元数n个，以表示骨料与空隙，依据体积微积系数，计算透水混凝土微元数m与透水混凝土空隙微元数n的值；
(5)透水混凝土微元数m与透水混凝土空隙微元数n的值计算集料比表面积微积系数；
(6)计算集料比表面积；
(7)依据性能评价指标，确定胶凝材料膜厚度；
(8)计算得到集料吸收的胶凝材料比例；
(9)比集料比表面积乘以胶凝材料膜厚度得到计算的胶凝材料比例，加上集料吸收的胶凝材料比例，即为透水混凝土胶凝材料比例。
2.根据权利要求1所述的一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，各段级配曲线的微积系数按照下式计算：
H＝3-K
式中：H—各段级配曲线的微积系数；
K—各段级配曲线的斜率。
3.根据权利要求1所述的一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，体积微积系数按照下式计算：
式中：H—各段级配曲线的微积系数；
HV—各段级配曲线的体积微积系数；
xmax—级配曲线对应的集料最大粒径，mm；
xmin—级配曲线对应的集料最小粒径，mm；
ρ—集料的堆积密度，g/cm3；
ρa—集料的表观密度，g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，透水混凝土微元数m与透水混凝土空隙微元数n的值按照下式计算：
式中：HV—各段级配曲线的体积微积系数；
m—透水混凝土微元数；
n—透水混凝土空隙微元数。
5.根据权利要求1所述的一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，集料比表面积微积系数按照下式计算：
式中：HS—集料比表面积微积系数；
m—透水混凝土微元数；
n—透水混凝土空隙微元数。
6.根据权利要求1所述的一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，集料比表面积按照下式计算：
式中：S—集料比表面积；
Cs—集料表面形状系数；
Cv—集料体积形状系数；
rmin—测量集料微积面积时所用最小码尺长度，m；
M0—集料总质量，g；
ρa—集料的表观密度，g/cm3；
HS—集料比表面积微积系数；
H—各段级配曲线的微积系数；
xmax—级配曲线对应的集料最大粒径，mm；
xmin—级配曲线对应的集料最小粒径，mm。
7.根据权利要求1所述的一种透水混凝土胶凝材料用量确定方法，其特征在于，胶凝材料膜厚度按照以下步骤确定：
(1)选取28d抗压强度、28d抗弯拉强度、15℃透水系数、25次冻融循环抗冻质量损失率、磨损量作为透水混凝土性能评价指标，记为xij，xij为第i个胶凝材料膜厚度下的第j个性能指标；
(2)建立透水混凝土的i×j的性能指标矩阵，对矩阵进行统一处理，具体处理方式为：
对于28d抗压强度、28d抗弯拉强度、15℃透水系数3个指标，aij＝xij/max(xij)；
对于25次冻融循环抗冻质量损失率、磨损量2个指标，
aij＝min(xij)/xij；
(3)确定最佳与最差方案
最佳方案：
最差方案：
(4)计算待评胶凝材料膜厚度方案与最佳、最差胶凝材料膜厚度方案之间的距离分别为：
(5)结果排序
根据Ci的大小排序，Ci最小时的方案即确定胶凝材料膜厚度μ。
8.根据权利要求1所述的一种透水混凝土最佳水泥浆用量预估方法，其特征在于，集料吸收的胶凝材料比例按照下式计算：
式中：P吸收—集料吸收的胶凝材料比例，％；
γse—矿料的有效相对密度；
γsb—矿料的合成毛体积相对密度；
γb—胶凝材料的相对密度。
9.根据权利要求1所述的一种透水混凝土最佳水泥浆用量预估方法，其特征在于，计算的胶凝材料比例为：
P计算＝S·μ
式中：P计算—计算的胶凝材料比例，％；
S—集料比表面积；
μ—胶凝材料膜厚度，μm。
10.根据权利要求1所述的一种透水混凝土最佳水泥浆用量预估方法，其特征在于，透水混凝土胶凝材料比例计算方法为：
P＝P计算+P吸收
式中：P—透水混凝土胶凝材料比例，％；
P计算—计算的胶凝材料比例，％；
P吸收—集料吸收的胶凝材料比例，％。
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| WO2017052481A1 (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-30 | Ouypornorasert Winai | A method to find concrete mix proportion by minimum void in aggregates and sharing of cement paste |
| CN108548914A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-09-18 | 云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司 | 基于骨料特性和裹浆厚度的透水混凝土配合比设计方法 |
| CN112115409A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-22 | 广东工业大学 | 一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法 |
| CN112380708A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-02-19 | 同济大学 | 水泥-集料-外加剂体系的高强透水混凝土优化设计方法 |
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