一种空间二相混凝土配合比设计方法与流程

2021-01-08 11:01:31|

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本发明涉及一种混凝土配合比计算方法，具体涉及一种空间二相混凝土配合比设计方法。

背景技术：

传统的混凝土配合比设计方法仅仅基于包罗米关系和体积法、并依据经验确定混凝土各材料的配合比用量，然而包罗米关系只考虑了水和水泥两种材料的用量对混凝土强度的影响，未考虑粗骨料类型及其分布对混凝土强度的贡献和影响。

技术实现要素：

为解决现有技术中的上述不足，本发明提供一种适用于采用不同类型粗骨料的混凝土配合比设计方法，具体采用以下技术方案：

一种空间二相混凝土配合比设计方法，将混凝土模型简化为空间分布的粗骨料和填充于粗骨料空隙间的砂浆，混凝土的强度简化为由粗骨料空间分布强度、砂浆体硬化强度组成，混凝土材料的强度公式为：

fcu,o＝fm×(1-γv)+fgk×γv(1-1)，式中，fcu,o为混凝土目标强度，单位：mpa；fm为砂浆材料28天立方体抗压强度实测值，单位mpa；fgk为粗骨料的空间分布强度，单位：mpa；γv为粗骨料在单位体积混凝土空间中的体积占有率，γv＝g/ρg(1-2)，为无量纲单位；g、ρg分别为单位体积混凝土总粗骨料的用量、粗骨料密度，单位：kg/m³。

进一步的，包括以下步骤：

步骤1：设定混凝土的目标强度：fcu,o＝fcu,k+1.645×σ(1-3)，式中，fcu,k为混凝土的强度标准值，单位mpa；σ为混凝土强度标准差，其取值参考《普通混凝土配合比设计规程》，单位mpa；

步骤2：建立混凝土的包罗米关系：fcu,o＝a0×(w/c)+b0(1-4)，式中，w/c为水灰的用量比，a0、b0实测数据拟合的回归系数(回归相关系数r²宜大于等于0.90)；

步骤3：建立砂浆强度关系：砂强度关系为砂浆强度-砂浆比关系或砂浆强度-砂灰比关系，其计算式为：或

式(1-5a)表示砂浆强度-砂浆比关系，式(1-5b)表示砂浆强度-砂灰比关系，s为砂的用量，单位kg/m³，a1、a2、b1、b2为拟合式的回归系数(回归相关系数r²宜大于等于0.90)；

步骤4：建立粗骨料空间分布强度关系：对式(1-1)进行变形可得：

通过测量fcu,o和fm，由式1-6反算求得fgk，并拟合发现fgk与fcu,o的关系为：

fgk＝a3·fcu,o+b3(1-7)，式中，fgk为粗骨料的空间分布强度，a3、b3为拟合回归系数(回归相关系数宜大于等于0.90)；

步骤5：试配混凝土及砂浆立方块并测试其强度，确定回归系数：a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3；

步骤6：根据设定的塌落度，参考《普通混凝土配合比设计规程》，及实际测到的骨料粒径确定净用水量w，单位kg/m³；

步骤7：以体积法作为计算各材料用量的配合比：

式中，ρc、ρs、ρg、ρw分别为水泥、细骨料、粗骨料、水的密度，单位kg/m³；wz为总用水量，单位kg/m³，wz＝w+wf，wf为附加水用量，使用普通天然骨料时，wf＝0，使用一小时吸水率大于4％的粗骨料时宜考虑附加水，wf＝γ1h×h，单位kg/m³；γ1h为粗骨料一小时吸水率；α为混凝土的含气百分数，在不使用引气剂或引气型外加剂时，其值可取1；

步骤8：根据以上步骤建立的关系式，建立如下线性方程组求解：

进一步的，确定回归系数的步骤为：

步骤1：按梯度设置至少3组不同的水灰比，并配制尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试块，进行混凝土单轴抗压试验，测定28天的混凝土立方体抗压强度，将每组数据中的水灰比、测得的抗压强度值采用式(1-4)拟合回归，可得a0、b0及相关系数r²；

步骤2：按梯度设置至少3组不同的砂浆比和砂灰比，并配制尺寸为100mm×100mm×100mm的砂浆立方体试块，进行单轴抗压试验，测定28天的砂浆立方体抗压强度，以砂浆比或砂灰比的数值为横坐标，以实测抗压强度值为纵坐标绘制散点图，采用公式(1-5a)或(1-5b)拟合回归并得到a1、b1或a2、b2及相关系数r²；

若砂浆强度-砂浆比关系中r²高于砂浆强度-砂灰比关系中的r²，则采用公式(1-5a)及a1、b1；

若砂浆强度-砂灰比关系中r²高于砂浆强度-砂浆比关系中的r²，则采用公式(1-5b)及a2、b2；

步骤3：将步骤1中使用的粗骨料用量g和所测得的混凝土立方体抗压强度fcu,o及步骤2所测得的砂浆立方体抗压强度fm代入式(1-6)中，得出混凝土的粗骨料空间分布强度fgk，将fcu,o和fgk采用式(1-6)拟合回归，可得a3、b3。

进一步的，步骤3中，配制时掺入矿物掺合料，砂浆强度关系的计算式为：砂浆强度-砂浆比关系：或砂浆强度-砂灰比关系：

式中，j为矿物掺合料用量，单位kg/m³，其取值可参考中国最新修订的《普通混凝土配合比设计规程》，或者根据已有研究数据以经验取值。

进一步的，步骤7中，配制时掺入矿物掺合料，以体积法作为计算配合比的计算式为：(1-11)，式中，ρj为矿物掺合料的密度，单位kg/m³。

进一步的，步骤8中，可以将线性方程组(1-9)以矩阵的形式改写，得到如下所示两种表达：

或

本发明的有益效果是：本发明将混凝土模型简化为空间分布的粗骨料和填充于空间分布粗骨料空隙间的砂浆组成，混凝土强度简化为粗骨料空间分布强度和砂浆体硬化强度叠加，通过粗骨料空间分布强度来考虑粗骨料类型及其分布对混凝土强度的贡献和影响，该方法具有明确的物理和力学意义，本发明适用于采用了不同类型粗骨料的混凝土的强度设计方法，包括但不限于普通骨料混凝土、轻骨料混凝土等。

附图说明

图1空间二相混凝土的理论模型示意图；

图2混凝土的包罗米关系；

图3砂浆的砂浆强度关系，其中：图3(a)为砂浆比强度关系，图3(b)为砂灰比强度关系；

图4为混凝土的粗骨料空间分布强度关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

在下述实施例中，均选取珊瑚和/或珊瑚礁碎石作为骨料配制混凝土试块。

实施例一：试配以确定回归系数

步骤1、建立包罗米关系：分别按不同的水灰比配制尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试块，进行混凝土单轴抗压试验，测定28天的混凝土立方体抗压强度，记录如下：

表1-1试配阶段的混凝土配合比及结果

以表1-1中的w/c(水灰比)为横坐标、以抗压强度fcu,o为纵坐标，绘制散点图，如图2所示，拟合回归线可解得相关系数r²为0.99，由回归直线取a0＝-93.33，b0＝87.67，代入式(1-4)中可得：fcu,o＝-93.33×(w/c)+87.67(2-1)；

步骤2、建立砂浆强度关系：分别按不同的砂浆比配制尺寸为100mm×100mm×100mm的砂浆立方体试块，进行砂浆单轴抗压试验，测定28天的砂浆材料立方体抗压强度，并记录如下：

表1-2试配阶段砂浆配合比

以表1-2中的s/(w+c)(砂浆比)、s/c(砂灰比)为横坐标，以抗压强度fm为纵坐标，绘制散点图，如图3(a)、图3(b)所示，分别拟合回归线并求解相关系数，由图3(a)，r²为0.98；由图3(b)，r²为0.97。图3(a)中的拟合优度较高，所以由图3(a)中的回归直线取a1＝-30.0，b1＝91，代入式(1-5a)中可得：

步骤3、建立粗骨料空间分布强度关系：

将步骤1中所用粗骨料用量g和测得的混凝土立方体抗压强度fcu,o及步骤2所测得的砂浆立方体抗压强度fm代入式(1-6)中，得出混凝土的粗骨料空间分布强度fgk，以fcu，o为横坐标，以fgk为纵坐标，绘制散点图，如图4所示，分别拟合回归线并得到相关系数，由回归直线取a3＝0.84，b3＝-15，代入式(1-7)中可得fgk＝0.84·fcu,o-15(2-3)。

实施例二：

选取c25混凝土，即fcu,k＝25mpa。

1、确定目标强度

试验采用100mm×100mm×100mm的立方体试块，考虑尺寸效应，计算时，折算成150mm×150mm×150mm的立方体的强度应除以0.95的系数，即

fcu,o＝(25+1.645×σ)/0.95＝(25+1.645×5)/0.95＝34.97mpa；

2、参考已有的研究与前期试配经验，根据塌落度和骨料粒径要求，在保证能满足正常施工的情况下，净用水量的取值为w＝200kg/m³；

3、确定水泥用量c，将用水量w＝200kg/m³代入式(1-4)可求得c＝343kg/m³；

4、通过已经建立的“砂浆强度关系”式(2-2)与“粗骨料空间分布强度关系”式(2-3)，代入(1-9)的方程组，得到以下联立方程：

以矩阵的形式改写可以得到：

将由实施例1得到的回归系数代入式(2-5)中，求解上述方程组，得到水泥用量c、砂用量s、粗骨料用量g、附加水用量wf。

并按照上述材料的用量配制尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试块，进行混凝土单轴抗压试验，测定28天的混凝土材料立方体抗压强度。

实施例三：