现代混凝土配合比全计算法设计的数学模型.docx
《现代混凝土配合比全计算法设计的数学模型.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《现代混凝土配合比全计算法设计的数学模型.docx(15页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、现代混凝土配合比全计算法设计的数学模型对高性能混凝土的再认识及全计算配合比设计 王栋民 1 ,陈建奎 2 中国矿业大学材料科学与工程系 1 ,北京 100083 北京工业大学材料学院 2 ,北京 100022 1 绪论 混凝土配合比设计是混凝土科研、生产及应用中的一个基本问题,也是一个非常重要的问题。配合比设计在很大程度上决定了混凝土的几乎所有性能:强度、工作性、耐久性和经济性。混凝土配合比设计的两个基本方法是绝对体积法和假定容重法。两方法的共同点是:强度与水胶比的关系都遵从波罗米公式;两方法的不同点是:前者以 1m 3 混凝土绝对体积为基础;后者以假定混凝土容重为一定值(通常 2400kg/
2、m 3 )为基础。 HPC由于使用了复合超塑化剂和超细矿物质掺合料,配合比设计亦更为复杂。国内外提出多种HPC配合比设计方法,比较著名的有:美国Mehta和Aitcin推荐的方法 ,法国路桥中心建议的方法 ,日本阿部道彦方法 ,以及基于最大密实度理论的方法 :包括 Domone P L J的方法 ,Carbonari B T 的方法以及清华大学王怀德的方法(颗粒堆积物密实度计算线性模型的修正) 等。近年来HPC配合比设计趋向于计算机化,典型的方法与软件有:法国路桥中心的RENE-LCPC TM, 软件,Dunstan M R H的方法 ,澳大利亚Day K W的Conad配合比设计系统 ,以及
3、我国陈肇元-王怀德HPC配合比设计系统 等。以上方法基本上都是以经验为基础的半定量设计方法,各种方法(包括CAD)通常体系都比较庞杂,其中两个核心参数单位用水量和砂率仍多为经验取值。究其根源在于没有能够掌握和揭示混凝土材料内在组分的关系。在各种设计方法中,美国Mehta和Aitcin推荐的方法有较多的可取性。 2 HPC 的再认识 吴中伟院士在高性能混凝土一书中比较全面地介绍了国内外学者对高性能混凝土的定义和认识。可以看出各国学者均从不同角度、不同层面阐述高性能混凝土的定义、内涵和外延。有些内容是相互交叉的,有些又是相互补充的,各国学者均突出强调了各自关注的某一或某几方面。如美国学者十分强调高
4、强度和高耐久性(特别是高体积稳定性和低渗透性),而日本学者则似乎更关注高施工性能,当然耐久性亦是重要方面,但对高强度则不特别强调。吴中伟院士综合了各种论点后提出一个比较全面的高性能混凝土的定义。 然而,究竟什么是高性能混凝土?能不能用更简单的语言给予更清楚的定义?或者能不能用清晰的图像给予更明了的描述?仍是公众关心的问题。另外,人们普遍会提出,高强混凝土与高性能混凝土在材料制备上有什么区别?是不是掺了高效减水剂和超细矿物质掺合料后,同时设计有较大的坍落度值而制得的高强混凝土就是高性能混凝土了呢?超塑化高强混凝土是不是就等同于高性能混凝土了呢?这些问题按上述对高性能混凝土的定义和认识,仍然不能给
5、出一个简单而明了的答复。 为此有必要再次对混凝土的发展给予重新的审视。最早的混凝土是一种低强度的塑性混凝土,当时密实成型设备不过关,又没有外加剂可掺,混凝土是一种高水灰比、低强度的塑性混凝土。后来振动和挤压成型工艺发展后,干硬性混凝土得以发展,这种混凝土水灰比大大降低,又通过特殊的搅拌成型工艺进行密实成型,于是制得了干硬性的强度较高的混凝土,这是最早使用的高强混凝土。但这种混凝土施工工艺较难实现,强度指标离散性大。随着化学外加剂的发展,混凝土在满足强度使用要求的情况下,逐步实现了塑性和流态化,于是发展了流态混凝土。流态混凝土的发展和泵送混凝土施工工艺的广泛采用,使混凝土施工进入现代化施工的范畴
6、,大大提高了施工效率并改善了劳动和施工环境,在此基础上又发展了流态高强混凝土。随着新型高效减水剂的使用和优质超细矿物质掺合料的使用,混凝土进入到高性能混凝土的范畴。所以混凝土的发展经历了如下几个阶段:高性能混凝土是混凝土材料发展的必然趋势。高性能混凝土( HPC )与高强混凝土( HSC )和流态混凝土( FLC )最显著的差别在于混凝土配合比的不同。在设计 HPC 配合比时要综合考虑工作性、强度和耐久性。其配合比设计的基本原则是: 满足工作性的情况下,用水量要小 满足强度的情况下,水泥用量少,细掺量多掺 材料组成及其用量合理,满足耐久性及特殊性能要求 掺加新型高效减水剂,改善与提高混凝土的多
7、种性能 因此, HPC 的配合比设计比 HSC (高强混凝土)和 FLC (流态混凝土)更为严格合理。图 1 给出了各种类型的混凝土配合比分区范围。无论采用什么方法设计, HSC 、 FLC 和 PLC (塑性混凝土)的配合比均在一个范围之内,而 HPC 在 AB 线附近。可见 HPC 配合比设计必须严格、精确和合理。 从这个图上可以较清楚直观地看出 HPC 与 HSC 和 FLC 之间的区别。 3 HPC 全计算配合比设计方法 早在 1919 年 Abrams 就发表了混凝土强度的水灰比定则:对于一定材料,强度仅取决于一个因素,即水灰比 。这一定则可以用下列公式表示: 式中, c 某一定龄期
8、的抗压强度; a 经验常数,一般取 925kg / m 3 ; b 取决于水泥的种类,但可取 4 左右。 强度与水灰(胶)比 m ( w ) / m ( c )成反比的这种观点仍然是大多数配合比设计方法的基础。后人为简化计算,取水胶比倒数,导出近似的直线公式 式中, f cu , p 混凝土的配制强度; f ce 水泥的实测强度; m ( c ) / m ( w )灰水比 或胶水比 m ( b ) / m ( w ) ; A , B 回归系数,对碎石混凝土, A= 0.48 , B=0.52 ,对卵石混凝土, A= 0.50 , B= 0.61 。 该式成为混凝土配合比设计中计算强度的基础。近
9、 80 年来混凝土配合比设计方法也几经发展,到目前为止,最为常用的两种方法是绝对体积法和假定密度法。这两种方法都是以经验为基础的半定量设计方法。近年来国内外提出了多种 HPC 配合比设计方法,包括一些计算机程序设计和数据库,使混凝土配合比设计这一原本简单的问题更显复杂化,其根源是未能掌握混凝土组分间的内在联系。 本工作的特点在于建立了普遍适用的混凝土体积模型,经数学推导得出用水量和砂率计算通式,并以此为基础建立了混凝土定量配合比设计新方法。本研究的部分内容已在有关学术期刊上发表。3.1 普遍适用的混凝土体积模型 传统的混凝土密实填充的概念为:在混凝土中石子的空隙由砂子来填充,砂子的空隙由水泥来
10、填充,水泥的空隙由水来填充。 美国 P.K.Mehta 和 加拿大 P.C.Aitcin 教授 在对高性能混凝土 (HPC) 进行了大量的研究后认为要使 HPC 同时达到最佳的施工和易性和强度性能,其水泥浆与骨料应有一个最佳体积比,建议取 Ve:(Vs+Vg)=35:65 。这一认识事实上是确定了 HPC 配合比设计中水泥浆体体积与骨料体积间的定量关系。他们还假定, HPC 中水泥和细掺料(如粉煤灰和磨细矿渣)的体积比为 75 : 25 。 受 P.K.Mehta 和 P.C.Aitcin 观点的启发,对混凝土配合比设计的绝对体积法重新审视,提出如下观点和模型。 我们的基本观点如下: 混凝土各
11、组成材料(包括固、液、气三相)具有体积加和性; 石子的空隙由干砂浆来填充; 干砂浆的空隙由水来填充; 干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成。 其中干砂浆和干砂浆体积的概念以及基本观点( 2 )、( 3 )、( 4 )条为作者首次提出,并由此奠定了混凝土配合比全计算设计的技术基础。 普遍适用的混凝土体积模型如图 2 所示,该模型的基本模式较早由 A. M. Neville 提出 。在 A. M. Neville 模型中,没有提出干砂浆体积的概念,所以混凝土中浆体与集料是彼此割裂的。本模型假定混凝土总体积为 1m 3 (1000L), 由水、水泥、细掺料、空气、砂、石等部分组成,对应的体积分别为
12、 V w ,V c ,V f ,V a ,V s ,V g 。图中表示干砂浆体积的实线框可以上下移动,以调整用水量和砂率。 V e 浆体体积( L ); V es 干砂浆体积( L ); V w 用水量( L 火或 kg/m 3 ); V c , V f , V a , V s , V g 分别为水泥、细掺料(如 FA )、空气、砂子和石子的体积用量( L )。 本文将 Ve 与水灰 ( 胶 ) 比定则相联系,求得了用水量 W(kg/m 3 ) 公式;提出“干砂浆体积”的概念,在水泥浆体体积 Ve 和集料体积 V S +V G 之间建立了联系,从而使砂率 Sp(%) 的求解成为可能。 混凝土配
13、合比设计中的两个基本关系式 3.2.1 用水量公式 根据水灰 ( 胶 ) 比定则,有 (1) fce 水泥实测强度 (MPa) , fce= fce,k ; fce,k 水泥标号的标准值, fcu,p 混凝土配制强度 (MPa) ; 水泥强度富裕系数。 将 (1) 式与 (3) 式解联立方程,可求出用水量与配制强度的关系。 假设细掺料在胶凝材料中的体积掺量为 ,即水泥与细掺料体积之比为 (1-) ,则有: (2) 这是掺加各种不同数量细掺料时单方混凝土用水量的计算通式。 3.2.2 砂率公式: 根据普遍适用的混凝土体积模型(图 2 ) ,可知 浆体体积 Ve=W+V c +V F +V a (
14、3) 集料体积 Vs+V G =1000-Ve (4) 干砂浆体积 Ves=V C +V F +V a +V S (5) 由式 (5)得V S =Ves-(V C +V F +Va) (6) 由式 (3)得V C +V F +V a =Ve-W (7) 将式 (7)代入式(6) V S =Ves-Ve+W (8) 则砂子重量 S=(Ves-Ve+W) S (8 ) 式子, S 砂子用量 (kg/m 3 );s 砂的视密度 (kg/L) 由式 (4)得V G =1000-Ve-Vs (9) 将式 (8)代入式(9)V G =1000-Ves-W (10) 则石子重量 G=(1000-Ves-W)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 现代 混凝土 配合 算法 设计 数学模型
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【可****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【可****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。