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        基于波全元理論的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

        2020-07-21 07:26:28龍鳳全羅燦亮褚云朋侯鴻杰
        四川建筑 2020年1期
        關(guān)鍵詞:理論混凝土

        龍鳳全,羅燦亮,褚云朋,侯鴻杰

        (1.四川省三臺(tái)縣波特蘭商品混凝土有限公司, 四川綿陽(yáng) 621010;2 西南科技大學(xué), 四川綿陽(yáng) 621010)

        現(xiàn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)復(fù)雜,本文提出一種對(duì)混凝土質(zhì)量全面控制與實(shí)用配合比設(shè)計(jì)的理論-波全元混凝土理論。該理論中混凝土包括三類:密實(shí)類混凝土(普通混凝土),空隙類混凝土(透水混凝土),砂漿(無(wú)粗骨料的混凝土)。此理論能夠把混凝土的技術(shù)、質(zhì)量與綜合成本進(jìn)行很好控制;把結(jié)構(gòu)理論與混凝土材料構(gòu)成相融合,全面考慮影響混凝土配制的各個(gè)因素,創(chuàng)新混凝土配合比設(shè)計(jì)理論,改進(jìn)其配合比設(shè)計(jì)方法,使配合比設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。針對(duì)混凝土的特點(diǎn)和性能,用波全元混凝土理論的結(jié)構(gòu)模型與傳力原理進(jìn)行計(jì)算假定,并以工程要求為目標(biāo),結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),加以力學(xué)分析計(jì)算,以主材占單方混凝土體積為單位,以水膠比理論為基礎(chǔ),以混凝土工作性能要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。在質(zhì)量保證的前提下,達(dá)到材料性能穩(wěn)定,且降低成本。

        本文闡述波全元混凝土理論對(duì)混凝土的配合比創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原則,體積控制,主要檢測(cè)指標(biāo),以及粗細(xì)骨料的形狀及用量的確定過(guò)程,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì),給出以此理論支撐的混凝土配合比實(shí)用設(shè)計(jì)方法,為混凝土生產(chǎn)企業(yè)提供借鑒。

        1 單方混凝土體積的控制

        1.1 體積控制的方法

        此理論把三類混凝土統(tǒng)一建立了體積計(jì)算公式,即把占混凝土體積的空隙(透水混凝土有),粗骨料(砂漿無(wú))、細(xì)骨料(透水混凝土無(wú))、漿體以絕對(duì)體積進(jìn)行分配,再換算成各自重量。粗細(xì)骨料與凈漿體用量的總和為單方混凝土設(shè)計(jì)容重。又因?yàn)椴ㄈ炷晾碚撜J(rèn)為空氣占用混凝土的有效體積只能融于漿體內(nèi)。故漿體體積為空氣體積與凈漿體積之和。

        1.2 混凝土配合比的體積組成

        單方混凝土配合比的體積組成分三類介紹:

        (1)密實(shí)類混凝土的體積(為每1 m3混凝土體積為粗骨料體積、細(xì)骨料體積、漿體體積之和)。

        (2)空隙類混凝土的體積(每1 m3混凝土體積為空隙體積、粗骨料體積、漿體體積之和)。其中空隙類混凝土的空氣含量以漿體測(cè)定,故空氣折算體積Vac表達(dá)式見(jiàn)式(1):

        Vac=(1-Vg-Vv)·Ca

        (1)

        式中:Vg指粗骨料的體積;Vv指空隙體積;Ca指空氣含量。

        (3)砂漿每1 m3體積由細(xì)骨料體積、漿體體積組成。

        1.3 混凝土配合比的主要計(jì)算步驟

        按波全元混凝土理論三類混凝土統(tǒng)一配合比的體積組成,主要合理確定空隙,粗骨料、細(xì)骨料、漿體四者之間的體積關(guān)系,無(wú)則為零。

        (1)空隙的體積按產(chǎn)品要求進(jìn)行修正確定。

        (2)以單方混凝土粗骨料的理論孔隙率確定粗骨料的體積。

        (3)每1 m3混凝土體積減去混凝土的空隙加粗骨料體積為砂漿的體積,砂漿體積中以細(xì)骨料的理論孔隙率計(jì)算出細(xì)骨料的體積。

        (4)砂漿體積減細(xì)骨料和空氣體積為每1 m3混凝土凈漿體積。

        1.4 混凝土配合比統(tǒng)一計(jì)算公式

        (1)空隙體積Vv的計(jì)算見(jiàn)式(2)。

        Vv=βv·γ

        (2)

        其中:βv表示設(shè)計(jì)空隙率;γ為調(diào)整系數(shù),γ根據(jù)生產(chǎn)誤差確定,取值范圍0.5~1.5,無(wú)空隙率要求的混凝土空隙體積為0。

        (2)粗骨料體積Vg的計(jì)算見(jiàn)式(3)

        Vg=1-Vv-βgv

        (3)

        其中βgv指粗骨料的理論孔隙率,無(wú)粗骨料的混凝土粗骨料的體積為0。

        (3)細(xì)骨料的體積計(jì)算分為兩步,首先計(jì)算出砂漿的體積Vm見(jiàn)式(4),再計(jì)算細(xì)骨料體積Vs見(jiàn)式(5)。其中βsv指細(xì)骨料的理論孔隙率,無(wú)細(xì)骨料的混凝土細(xì)骨料體積為0。

        Vm=1-Vv-Vg

        (4)

        Vs=Vm·(1-βsv)

        (5)

        (4)漿體體積Vpu見(jiàn)式(6):

        VPu=1-Vv-Vg-Vs

        (6)

        (5)凈漿的體積Vp見(jiàn)式(7):

        Vp=1-Vv-Vg-Vs-Vac

        (7)

        其中Vac指實(shí)測(cè)空氣體積。

        (6)凈漿的用量mp見(jiàn)式(8):

        mp=ρp·VP

        (8)

        ρp指實(shí)測(cè)凈漿的密度。

        2 骨料平均粒徑及單顆粒凈距確定

        2.1 等效體積假定

        計(jì)算混凝土粗或細(xì)骨料總體平均粒徑時(shí)先按照波全元理論對(duì)粗或細(xì)骨料顆粒進(jìn)行等效體積假定。等效體積假定按粗細(xì)骨料分為兩類,以篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)按每格篩網(wǎng),把形態(tài)各異的粗骨料或細(xì)骨料等效為以每格篩余的平均粒徑為邊長(zhǎng)的正方體(圖1)。

        圖1 骨料等效為正方體

        2.2 粗或細(xì)骨料總體平均粒徑計(jì)算

        (9)

        其中:Lb、Ll分別指本格篩網(wǎng)方孔的邊長(zhǎng)和上一格篩網(wǎng)方孔的邊長(zhǎng)。

        每格篩余骨顆粒數(shù)的計(jì)算分為每格篩余單顆骨顆粒的體積Vr、每格篩余單顆粒的質(zhì)量mr、每格篩余骨料的顆粒數(shù)tr。先計(jì)算每格篩余單顆粒的體積為式(10):

        (10)

        (2)每格篩余單顆粒的質(zhì)量計(jì)算為式(11)。

        mr=Vr·ρ/106

        (11)

        其中:ρ表示骨料的實(shí)測(cè)表觀密度。

        (3)每格篩余的顆數(shù)tr=m/mr,m表示每格對(duì)應(yīng)的篩余值,單位為g。

        (4)篩分實(shí)驗(yàn)所取骨料樣品的總顆粒數(shù)t的計(jì)算見(jiàn)式(12)。

        t=∑tr

        (12)

        (13)

        其中:mg、tg、ρg分別代表粗骨料的樣品重量、粗骨料總顆粒數(shù)、粗骨料實(shí)測(cè)表觀密度,m2.36表示2.36 mm方篩孔以下底盤(pán)的重量。

        (14)

        其中:ms、ts、ρs分別代表細(xì)骨料的樣品重量、細(xì)骨料總顆粒數(shù)、細(xì)骨料實(shí)測(cè)表觀密度,m0.15表示0.15mm方篩孔以下底盤(pán)的重量。

        (8)處理多組篩余試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的計(jì)算方法為:按現(xiàn)行混凝土配合比技術(shù)規(guī)程[1]的一般要求,粗骨料作1組篩分試驗(yàn),細(xì)骨料作2組。若作2組以上的篩分試驗(yàn),應(yīng)以2組以上樣品的總量,每格篩余重量、底盤(pán)重量的平均值均按上述方法進(jìn)行計(jì)算。

        2.3 粗或細(xì)骨料合理凈距的計(jì)算

        圖2 網(wǎng)點(diǎn)力的分解

        (15)

        按F方向的兩個(gè)垂直面同時(shí)分解,F(xiàn)=F1+4·F2,則可推出公式(16):

        (16)

        (17)

        由圖3的力的平衡可知:配制強(qiáng)度與砂漿體的抗壓強(qiáng)度相等的前提下,骨料在外力F作用下,任一面分解到砂漿體上的壓力F1與傳至沙漿體上的力FR相平衡。得出:F/骨料邊長(zhǎng)平方=F1/(骨料的邊長(zhǎng)·骨料的凈距),依據(jù)式(17)得出骨料的凈距=骨料的邊長(zhǎng)/ē·骨料凈距的調(diào)整系數(shù)ā,骨料的凈距計(jì)算公式分別為:

        圖3 按等壓力法計(jì)算骨料凈距

        粗骨料的凈距=粗骨料的邊長(zhǎng)·ā/ē

        細(xì)骨料的凈距=細(xì)骨料邊長(zhǎng)·ā/ē

        (18)

        (19)

        2.4 粗或細(xì)骨料理論孔隙率的計(jì)算

        為了計(jì)算粗細(xì)骨料的凈距,確定單立方混凝土中粗細(xì)骨料的理論孔隙率,更好控制漿骨比與砂率,得出粗細(xì)骨料與漿體三者的合理體積。假定單方混凝土中粗細(xì)骨料按理想狀態(tài)排列,可得出理論孔隙率的計(jì)算模型。

        2.4.1 理論孔隙率計(jì)算模型假定

        以粗骨料為例,假定每方混凝土粗骨料用量定值,粗骨料的總顆數(shù)與總體積和砂漿總體積都必然確定,把砂漿的總體積分配到總顆數(shù)上,折算到等體積的單顆粒粗骨料的正方體上,替代形狀與大小各異的粗骨料計(jì)算粗骨料用量,以及骨料與砂漿的內(nèi)在關(guān)系,計(jì)算出粗骨料的理論孔隙率,見(jiàn)圖4。

        圖4 理論孔隙率假定模型

        2.4.2 混凝土理想狀態(tài)排列假定

        (1)粗骨料的狀態(tài)排列假定:混凝土中,粗骨料是以平均粒徑為邊長(zhǎng)的正方體,為了給砂漿體留下足夠體積空間,每側(cè)以粗骨料之間凈距的1/2為空隙(為砂漿體積區(qū)域),由粗骨料和空隙構(gòu)成的正方體組成1 m3混凝土,砂漿體積則為每1 m3混凝土體積減去粗骨料的體積。

        (2)細(xì)骨料的理想狀態(tài)排列假定:細(xì)骨料為以總體平均粒徑為邊長(zhǎng)的正方體(為細(xì)骨料體積區(qū)域),為給漿體(含空氣)留下足夠空間,每側(cè)以細(xì)骨料之間凈距的1/2空隙(為漿體積區(qū)域),由細(xì)骨料加空隙構(gòu)成的正方體組成1 m3混凝土中砂漿體,漿體的體積則為每1 m3混凝土中砂漿的體積減去細(xì)骨料的體積。

        3 混凝土配合比具體設(shè)計(jì)步驟

        配合比設(shè)計(jì)共分為七步:確定凈漿體及其密度,確定粗骨料體積及用量,確定細(xì)骨料體積及用量,確定凈漿體用量及初步基準(zhǔn)配合比,適配及工作性檢驗(yàn)混凝土基準(zhǔn)配合比,定混凝土的生產(chǎn)配合比,及采用計(jì)算相關(guān)Excel表。

        (1)以混凝土現(xiàn)行配合比設(shè)計(jì)規(guī)程初步確定凈漿體并測(cè)定密度。主要包括確定配制凈漿體的原材料及測(cè)定其相關(guān)指標(biāo),按照混凝土現(xiàn)行配合比設(shè)計(jì)規(guī)程計(jì)算配制強(qiáng)度和水膠比,先按測(cè)凈漿體密度所需最小用量mpx計(jì)算各原材料的用量,并按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測(cè)凈漿的密度。相關(guān)的計(jì)算表達(dá)式為式(20)~式(26):

        總用水量Wz的與凈漿用量、水膠比等有關(guān),見(jiàn)式(20)。

        Wz=mpx/(1+1/Sj+Wc·Wg/(Sj·104)

        (20)

        膠凝總用量Jz:

        Jz=Wz/Sj

        (21)

        外加劑用量Wy:

        Wy=Jz·Wc/100

        (22)

        外加劑含水Wh:

        Wh=Wy·(100-Wg)/100

        (23)

        摻合料用量Fy:

        Fy=Jz·Fc/100

        (24)

        水泥用量Sy:

        Sy=Jz-Fy

        (25)

        用水量W:

        W=Wz-Wh

        (26)

        其中水膠比為Sj,外加劑摻量為Wc,外加劑固含量Wg,粉煤灰摻量Fc。

        (2)確定粗骨料體積及用量計(jì)算。確定兩種粗骨料的最佳搭配比例,搭配后的粗骨料按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)粗骨料相關(guān)指標(biāo)。再按前述方法計(jì)算粗骨料總體平均粒徑,確定出粗骨料的合理凈距,計(jì)算出粗骨料的理論孔隙率。再計(jì)算粗骨料的單方用量,包括計(jì)算粗骨料體積與用量,砂漿體的體積。

        (3)確定細(xì)骨料的體積與用量,相關(guān)方法同粗骨料體積及用量的確定方法。

        (4)確定凈漿體用量及初步基準(zhǔn)配合比。先確定凈漿的用量,包括計(jì)算凈漿的體積;其次計(jì)算凈漿的總用量mp,再計(jì)算漿骨比;第三步用確定凈漿的總用量mp代替mpx按式(1)計(jì)算,式(20)計(jì)算凈漿各原材的用量;第四步是初步確定混凝土的基準(zhǔn)配合比。

        (5)適配及工作性和強(qiáng)度等檢驗(yàn)混凝土基準(zhǔn)配合比。工作性主要是檢測(cè)粘聚性、保水性、流動(dòng)性、初凝值及終凝值等,通過(guò)調(diào)整粗(細(xì))骨料凈距確定粗、細(xì)骨料的合理用量,后調(diào)整水膠比,最終得出混凝土的基準(zhǔn)配合比。

        (6)確定混凝土的生產(chǎn)配合比。再得出的基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上,再根據(jù)相關(guān)施工要求、利用原材料相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)換算為混凝土生產(chǎn)配合比。

        (7)按上述步驟對(duì)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì),為減少混凝土配合比計(jì)算工作量,將相關(guān)公式編入Excel表中,方便混凝土各原材料用量計(jì)算,通過(guò)Excell表計(jì)算的配合比見(jiàn)表1~表3。

        4 結(jié)論

        為獲得混凝土的粗、細(xì)骨料與漿體三部分主材體積與用量,用混凝土配合比設(shè)計(jì)滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能,獲得高效配合比的設(shè)計(jì)方法,并使混凝土配制實(shí)現(xiàn)高度可控。

        表1 粗骨料用量

        表2 基準(zhǔn)配合比計(jì)算

        表3 基準(zhǔn)配合比工作性能

        (1)通過(guò)波全元混凝土理論的結(jié)構(gòu)模型對(duì)骨料進(jìn)行了計(jì)算模型的假定。在對(duì)骨料進(jìn)行計(jì)算模型假定時(shí)針對(duì)粗細(xì)骨料的形狀和狀態(tài)分布進(jìn)行了合理的假定,并結(jié)合配制強(qiáng)度及骨料實(shí)際受力,提出粗細(xì)骨料凈距表達(dá)式,用以得到粗細(xì)骨料調(diào)整系數(shù),指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計(jì)。

        (2)通過(guò)采用以波全元混凝土理論對(duì)粗細(xì)骨料的形狀和在單方混凝土中狀態(tài)分布的假定,在計(jì)算的基礎(chǔ)上,以具體使用的原材料實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),加以Excel表輔助實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)混凝土配合比的方法。

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