CN111724869B - 一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：1）根据机制砂石骨料现浇混凝土的特点，确定以低收缩为其主要设计目标；2）基于混凝土收缩与弹性模量的预测模型，建立了混凝土收缩与骨料、界面及浆体的关系；3）明确了低收缩混凝土用原材料的选材原则和优化技术。本发明创新了基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，所配制的机制砂石骨料现浇混凝土工作性、力学性能和耐久性好，具有低收缩且混凝土不同组分收缩匹配性好的特点，可以更好的服役于高速铁路等重大工程，大幅度降低现浇混凝土结构的开裂能力。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其是涉及一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法。
背景技术
随着我国建筑领域工程发展战略的稳步推进，铁路、公路等重大工程发展迅速，而受河 砂资源限采政策以及季节性影响，满足要求的混凝土用河砂原材料资源严重短缺，以云、贵、 川地区为主的山区工程尤为显著。这不仅造成原材料质量不稳定和价格上涨，还影响工程建设工期，严重时导致工程耐久性不足和质量下降，影响工程的服役性能和使用寿命。应用机 制砂石骨料是解决混凝土用砂困难的主要措施，也是绿色建材发展的重要方向。
目前，机制砂石骨料在铁路现浇混凝土中研究较多。研究结果表明机制砂石骨料应用于铁路现浇混凝土构件是可行的，但是对于铁路用机制砂石骨料现浇混凝土的收缩研究很少。近年来，铁科院李化建等人对铁路用机制砂石骨料现浇混凝土的性能进行了系统地研究，包括灌注桩、墩承台、隧道衬砌等机制砂石骨料现浇混凝土结构，但没有提出基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土的配合比设计方法。中国专利CN 109369097 A《一种低收缩低收缩抗裂高性能大体积混凝土》、中国专利CN 102701654 B《一类低收缩混凝土》、中国专利CN 103011727 B《一种低收缩混凝土》和中国专利CN 105461274 B《一种低收缩混凝土》公开了低收缩混凝土的配方，但是这些专利缺乏理论支撑和指导，缺少对混凝土不同组分收缩匹配性的考虑，同时缺少对机制砂混凝土收缩的研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而发明一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）根据机制砂石骨料现浇混凝土的特点，确定以低收缩为其主要设计目标；2）基于混凝土收缩与弹性模量的预测模型，建立了混凝土收缩与骨料、界面及浆体的关系；3）明确了低收缩混凝土用原材料的选材原则和优化技术。
所述的步骤1）中机制砂石骨料现浇混凝土成型1d后拆模，测试养护360d时的收缩值，主要包括三个级别：I级为收缩小于350×10-6，级为收缩介于350×10-6~450×10-6，级为收缩大于450×10-6。
优选的，所述的低收缩等级为I级。
所述的步骤2）中混凝土的收缩与骨料、界面以及浆体的关系建立主要基于混凝土弹性模量的收缩预测模型、基于骨料和浆体弹性模量的混凝土弹性模量预测模型及基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型的联立。
优选的，所述的步骤2）中基于混凝土弹性模量的收缩预测模型的计算式为：
εsh（t, t0）=-khS(t)εs∞607Et/(t0+τsh) （1）
式中εsh（t, t0）为t龄期时混凝土结构的收缩，t为混凝土收缩测试龄期，t0为开始干燥龄期，kh为环境修正系数，Et为混凝土t龄期时的弹性模量，εs∞和τsh为与混凝土厚度、轴心抗压强度、形状及含水率有关的系数。
优选的，所述的步骤2）中基于骨料和浆体弹性模量的混凝土弹性模量预测模型的计算式为：
Et=EmVm+EgVg （2）
式中Em、Eg分别为浆体和骨料的弹性模量，Vm、Vg分别为浆体和骨料的体积分数，且Vm+Vg=1。
优选的，所述的步骤3）中基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型计算式为：
Em=4.0279σs 0.1794 （3）
式中σs为浆体抗压强度。
联立式（1）~（3）可得，
εsh（t, t0）=-khS(t)εs∞607 (4.0279σs 0.1794Vm+EgVg)/(t0+τsh) （4）
计算式（4）建立了混凝土收缩与骨料、界面及浆体的关系。
所述的步骤3）中低收缩混凝土用原材料的选材原则和优化技术主要针对骨料、界面和浆体。
优选的，所述的步骤3）中骨料选材原则为选取适中弹性模量和粒径、粒形和级配较好的粗骨料，选取粒形、级配好、MB值低及石粉含量适中的机制砂。
进一步优选的，所述的适中弹性模量为50GPa~100GPa，单轴抗压强度为60MPa~100MPa，粗骨料主要斜长花岗岩、斑状花岗岩、片麻花岗岩、石英砂岩、正长岩、花岗岩、安山岩和石灰岩中的一种。
进一步优选的，所述的机制砂石骨料为0mm~20mm连续级配，其细度模数为4.6~6.0。
进一步优选的，所述的粗骨料粒形较好为粗骨料圆形度大于0.8，且针片状含量小于粗骨料总质量的5%。
进一步优选的，所述的机制砂的粒形较好为圆形度大于0.85，长径比小于1.5。
进一步优选的，所述的机制砂级配为II区中砂。
进一步优选的，所述的机制砂MB值为小于1.4，石粉含量小于10%。
优选的，所述的步骤3）中界面的优化技术为减小界面过渡区厚度和减小界面过渡区的孔隙率。
进一步优选的，所述的减小界面过渡区厚度和孔隙率主要通过使用较低水胶比、掺入减水剂和掺入大掺量硅基材料中的一种或几种。
更优选的，所述的较低水胶比为介于0.35~0.45。
更优选的，所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
更优选的，所述的硅基材料为粉煤灰、硅灰、稻壳灰、矿渣粉、偏高岭土中的一种或几种。
优选的，所述的步骤3）中浆体的选材原则为掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料，优化技术为增大浆体含气量和提升浆体体积分数。
进一步优选的，所述的掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料为能提高水泥浆体中的钙硅比和超细矿物掺合料。
更优选的，所述的掺入能提高水泥浆体中的钙硅比的矿物掺合料为碳酸钙粉。
更优选的，所述的超细矿物掺合料主要为纳米二氧化硅、磨细石粉中的一种或几种。
进一步优选的，所述的增大浆体含气量为控制混凝土的含气量小于4%；
更优选的，所述的增大浆体含气量可以通过使用引气剂。
进一步优选的，所述的浆体体积分数为25%~35%。
所述的基于收缩控制机制砂石骨料现浇混凝土是由同一岩性骨料和石粉质掺合料辅以胶凝材料、水、外加剂等组成，由以下组分按照重量份配制而成：
强度等级>42.5级的水泥 100，
比表面积不小于400m2/kg磨细石粉 10-20，
矿物掺合料 10-55，
0mm~20mm连续级配的混合机制砂石骨料 376-416，
聚羧酸系高效减水剂 0.4-1.0，
引气剂 0.01-0.05，
水 42-85.5。
所述的制备方法为按比例向搅拌机中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制60s~180s后制得混凝土拌合物。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）机制砂石骨料低收缩的定量设计。前期发明对于机制砂石骨料现浇混凝土的收缩研究较少，并且公开的发明专利所配制的混凝土收缩仍较高，无法满足低收缩等级机制砂石骨料现浇混凝土的设计目标。本发明基于理论设计，材料优选和优化等技术，定量设计出低收缩机制砂石骨料现浇混凝土。（2）选材原则得当可靠。在优先考虑设计低收缩机制砂石骨料现浇混凝土的基础上，同时考虑混凝土不同组分之间收缩的差值，而这一点是其他发明专利未曾考虑的，也是对混凝土开裂影响十分重要的特性。本发明通过优选原材料，减小了不同组分弹性模量和热力学性质的差异。（3）配合比设计方法先进。本发明配合比设计理念是由同一岩性砂石骨料和石粉质掺合料辅以胶凝材料、水、外加剂等组成，从粉体改性、机制砂关键指标要求、粗骨料关键指标控制，矿物掺合料优选，基于相关理论支撑，通过不同组分、不同尺度提出机制砂石骨料现浇混凝土的配合比设计，方法具有极高的先进性。
一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法原理如下：
一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法的目的为满足混凝土整体低收缩设计目标基础上，匹配不同组分弹性模量，为此建立了机制砂石骨料现浇混凝土收缩与骨料、界面和浆体相关的预测模型如下式：
εsh（t, t0）=-khS(t)εs∞607 (4.0279σs 0.1794Vm+EgVg)/(t0+τsh)
式中εsh（t, t0）为t龄期时混凝土结构的收缩，t为混凝土收缩测试龄期，t0为开始干燥龄期，kh为环境修正系数，Et为混凝土t龄期时的弹性模量，εs∞和τsh为与混凝土厚度、轴心抗压强度、形状及含水率有关的系数，Em、Eg分别为浆体和骨料的弹性模量，Vm、Vg分别为浆体和骨料的体积分数，且Vm+Vg=1，σs为浆体抗压强度。
基于混凝土低收缩的优化理论预测模型，将混凝土弹性模量具体分为骨料、界面和浆体三个部分，可以更好的建立混凝土收缩与混凝土用原材料之间的关系。
对于骨料来说，在混凝土中，骨料占有较大的体积分数，发挥着骨架的作用，并且骨料的弹性模量很高，因此骨料弹性模量对混凝士弹性模量影响显著。当粗骨料弹性模量Eg越大，所占体积分数Vg越大时，混凝土弹性模量就越大，其收缩度就越低；而粗骨料最大粒径越大、级配越好同样可以使得其所占体积分数越大，进而提升混凝土弹性模量。本发明不追求过低的收缩，在获得较低收缩的基础上，尽可能匹配不同组分的收缩，因此粗骨料的弹性模量、最大粒径和体积分数均需要适中。对于机制砂来说，选取粒形和级配较好、MB值较低和石粉含量适中的机制砂有助于提升混凝土的工作性。
对于界面来说，其是降低混凝土弹性模量的关键影响因素，为尽可能匹配骨料的弹性模量，可以通过减小界面过渡区厚度和孔隙率来提升界面的弹性模量。具体为使用较低水胶比或者掺入硅基矿物掺合料等措施改善，主要机理为减少过渡区的水分、孔隙率和氢氧化钙的含量等。
对于浆体来说，其主要由C-S-H凝胶和孔隙组成，因此其弹性模量的提升主要通过提高水泥浆体中的钙硅比提升C-S-H凝胶的弹性模量，掺入超细石粉和矿物掺合料可以起到晶核促进水化作用和填充水泥石孔隙的作用，进而促进浆体弹性模量的提升，增加浆体体积分数有利于实现混凝土优良的工作性，而浆体中较高的矿物材料取代可以大幅减少水泥用量，减小混凝土收缩。
通过上述原材料选材原则和优化技术，可以配制出低收缩的机制砂石骨料现浇混凝土，同时基于粗骨料弹性模量较高，而浆体和界面弹性模量较低的特点，本发明在配合比设计上通过提升界面和浆体的弹性模量来匹配不同组分之间弹性模量的差值，同时通过使用相同岩性的石、砂、粉来匹配砂石粉的弹性模量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明基于一种基于形变控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明的范围。
实施例1：原材料中，水泥为P.O42.5级，水泥用量为270kg/m3，水胶比为0.36，粗骨料为安山岩，机制砂石骨料为0mm~20mm连续级配，其细度模数为5.2，粗骨料圆形度为0.81，针片状含量为4%，细骨料为安山岩机制砂，级配为II区中砂，MB值为1.2，石粉含量为5%，机制砂圆形度为0.86，长径比为1.38，粉煤灰为II级粉煤灰，用量为90kg/m3，稻壳灰用量为70kg/m3，磨细安山岩石粉的比表面积为450m2/kg，用量为30kg/m3，含气量为3%，浆体体积分数为25%。
按比例向搅拌机中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制60s~180s后制得混凝土拌合物。混凝土尺寸为100mm×100mm×400mm，浇筑成型1d后拆模移入温度为 20±2℃、相对湿度为 60±5%的恒温恒温室中，测试混凝土360d的干燥收缩。
实施例2：原材料中，水泥为P.O42.5级，水泥用量为250kg/m3，水胶比为0.39，粗骨料为斜长花岗岩，机制砂石骨料为0mm~20mm连续级配，其细度模数为5.4，粗骨料圆形度为0.83，针片状含量为4%，细骨料为斜长花岗岩机制砂，级配为II区中砂，MB值为1.0，石粉含量为6%，机制砂圆形度为0.88，长径比为1.36，骨料所占体积分数为80%，粉煤灰为II级粉煤灰，用量为80kg/m3，稻壳灰用量为60kg/m3，磨细斜长花岗岩石粉的比表面积为450m2/kg，用量为25kg/m3，纳米二氧化硅用量为10kg/m3，含气量为3.5%，浆体所占体积分数为30%。
按比例向搅拌机中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制60s~180s后制得混凝土拌合物。混凝土尺寸为100mm×100mm×400mm，浇筑成型1d后拆模移入温度为 20±2℃、相对湿度为 60±5%的恒温恒温室中，测试混凝土360d的干燥收缩。
实施例3：原材料中，水泥为P.O42.5级，水泥用量为210kg/m3，水胶比为0.39，粗骨料为石灰岩，机制砂石骨料为0mm~20mm连续级配，其细度模数为5.5，粗骨料圆形度为0.85，针片状含量为4%，细骨料为石灰岩机制砂，级配为II区中砂，MB值为0.8，石粉含量为7%，机制砂圆形度为0.92，长径比为1.32，I级粉煤灰30kg/m3，稻壳灰用量为50kg/m3，偏高岭土用量为50kg/m3，石灰石粉的比表面积为400m2/kg，用量为20kg/m3，纳米二氧化硅用量为10kg/m3，含气量为3.5%，浆体所占体积分数为35%。
按比例向搅拌机中加入胶凝材料和机制砂石骨料，强制搅拌60s，在所得混合物中加入3/4水和外加剂，强制搅拌60s，然后再在所得混合物中加入1/4水和外加剂，强制60s~180s后制得混凝土拌合物。混凝土尺寸为100mm×100mm×400mm，浇筑成型1d后拆模移入温度为 20±2℃、相对湿度为 60±5%的恒温恒温室中，测试混凝土360d的干燥收缩。
将本实施例1~3提供的低收缩机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计和对比机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计的所测的性能见表1和表2。
表1 不同配比的机制砂石骨料现浇混凝土工作性能测试
表2 不同配比的机制砂石骨料现浇混凝土收缩度性能测试
由表1可以看出，实施例3所配制的混凝土工作性能很好，完全满足现浇混凝土的施工需求。由表2可以看出，与对比配合比设计的机制砂石骨料现浇混凝土相比，实施例1~3的混凝土不同组分的弹性模量差值相对较小，进而可知这几组混凝土的不同组分之间收缩相对较均一，混凝土内部应力集中减弱。进一步分析可知，实施例3不仅收缩小，而且各组分之间的弹性模量更加接近，符合本发明设计的目标，有利于实现机制砂石骨料现浇混凝土长期安全的使用，不易开裂。
Claims (4)
1.一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据机制砂石骨料现浇混凝土的特点，确定以低收缩为其设计目标；2)基于混凝土收缩与弹性模量的预测模型，建立了混凝土收缩与骨料、界面及浆体的关系；3)明确了低收缩混凝土用原材料的选材原则和优化技术；
所述的步骤2)中混凝土的收缩与骨料、界面以及浆体的关系建立基于混凝土弹性模量的收缩预测模型、基于骨料和浆体弹性模量的混凝土弹性模量预测模型及基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型的联立；
所述的步骤2)中基于混凝土弹性模量的收缩预测模型的计算式为：
Εsh(t，t0)＝-khS(t)εs∞607Et/(t0+τsh) (1)
式中εsh(t，t0)为t龄期时混凝土结构的收缩，t为混凝土收缩测试龄期，t0为开始干燥龄期，kh为环境修正系数，Et为混凝土t龄期时的弹性模量，εs∞和τsh为与混凝土厚度、轴心抗压强度、形状及含水率有关的系数；
基于骨料和浆体弹性模量的混凝土弹性模量预测模型的计算式为：
Et＝EmVm+EgVg (2)
式中Em、Eg分别为浆体和骨料的弹性模量，Vm、Vg分别为浆体和骨料的体积分数，且Vm+Vg＝1；
基于浆体抗压强度的浆体弹性模量预测模型计算式为：
Em＝4.0279σs 0.1794 (3)
式中σs为浆体抗压强度；
联立式(1)～(3)可得，
εsh(t，t0)＝-khS(t)εs∞607(4.0279σs 0.1794Vm+EgVg)/(t0+τsh) (4)
计算式(4)建立了混凝土收缩与骨料、界面及浆体的关系；
所述的步骤3)中低收缩混凝土用原材料的选材原则和优化技术针对骨料、界面和浆体；
所述的步骤3)中机制砂石骨料选材原则具体指标如下：机制砂石骨料的母岩弹性模量为50～100GPa，单轴抗压强度为60～100Mpa，母岩为斜长花岗岩、斑状花岗岩、片麻花岗岩、石英砂岩、正长岩、花岗岩、安山岩和石灰岩中的一种，机制砂石骨料为0-20mm连续级配，其细度模数为4.6-6.0；粗骨料圆形度大于0.8，且针片状含量小于粗骨料总质量的5％；机制砂的粒形为圆形度大于0.85，长径比小于1.5，机制砂级配为II区中砂，机制砂MB值为小于1.4，石粉含量小于10％；
所述的步骤3)中界面的优化技术为减小界面过渡区厚度和孔隙率，具体优化技术如下：通过使用水胶比为介于0.35～0.45、掺入聚羧酸高效减水剂和掺入硅基材料中的一种或几种，所述硅基材料为粉煤灰、硅灰、稻壳灰、矿渣粉、偏高岭土材料中的一种或几种；
所述的步骤3)中浆体的选材原则和优化技术为掺显著提升浆体弹性模量的矿物掺合料和减小浆体含气量，具体选材原则和优化技术如下：掺入碳酸钙粉、纳米二氧化硅、磨细石粉中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的步骤1)中机制砂石骨料现浇混凝土成型1d后拆模，测试养护360d时的收缩值，包括三个级别：I级为收缩小于350×10-6，II级为收缩度介于350×10-6～450×10-6，III级为收缩度大于450×10-6。
3.根据权利要求1所述的一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，其特征在于，增大浆体含气量通过使用引气剂，且控制含气量小于4％，浆体体积分数为25％～35％。
4.根据权利要求1所述的一种基于收缩控制的机制砂石骨料现浇混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的基于收缩控制机制砂石骨料现浇混凝土是由同一岩性机制砂石骨料和石粉质掺合料辅以胶凝材料、水、外加剂组成，由以下组分按照重量份配制而成：
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