专利摘要

本发明涉及一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法，该方法包括以下步骤：1)测定粉体材料、机制砂颗粒、单方混凝土中粗骨料质量、粗骨料的表观密度及粗骨料的堆积密度；2)根据性能需求，根据砂浆富余系数获取粗骨料用量和砂浆体积；3)根据设计强度，确定水胶比；4)假定净浆体积和机制砂颗粒的体积比，计算水泥质量、机制砂质量和拌合水质量；5)根据混凝土工作性对机制砂自密实混凝土中的外加剂用量进行调整；6)根据优劣系数对满足混凝土性能需求的配合比进行优选。与现有技术相比，本发明具有步骤简单、计算量小、应用广泛、兼顾工作性和强度等优点。

权利要求

1.一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)测定粉体材料的表观密度、机制砂颗粒的表观密度、单方混凝土中粗骨料质量、粗骨料的表观密度、粗骨料的堆积密度及机制砂中石粉含量；

2)根据性能需求，根据砂浆富余系数获取粗骨料质量和砂浆体积；

3)根据设计强度，确定水胶比；

4)假定净浆体积和机制砂颗粒的体积比，计算水泥质量、机制砂质量和拌合水质量；

5)根据混凝土工作性对机制砂自密实混凝土中的外加剂用量进行调整；

6)根据优劣系数对满足混凝土性能需求的配合比进行优选；

所述的步骤2)中，砂浆富余系数Ff的表达式为：

式中，Mg为单方混凝土中粗骨料质量，ρg为粗骨料表观密度，ρ′g为粗骨料堆积密度，Vm为砂浆体积，其计算公式为：

砂浆富余系数Ff的取值范围为1.6～1.8；

所述的步骤3)中，水胶比的表达式为：

式中，mw为每立方米混凝土的用水量，mb为每立方米混凝土的胶凝材料用量，fce为水泥的28d实测抗压强度，fcu,0为混凝土配制强度，βi为第i种矿物掺合料替换水泥的质量百分数，γi为矿物掺合料的胶凝系数实测值；

所述的步骤4)中，水泥质量、机制砂质量和拌合水质量通过下述公式获取：

Vm＝Vp+VMS

式中，Vp为净浆体积，VMS为机制砂颗粒体积，Mc为水泥质量，ρc为水泥表观密度，ρi为第i种矿物掺合料的表观密度，Ms为机制砂质量，βsp为机制砂中石粉含量，ρsp为石粉表观密度，ρs为机制砂颗粒表观密度，Mw为拌合水质量(kg)，ρw为为拌合水密度，当净浆体积Vp和机制砂颗粒体积VMS的比为0.8～1.0时，选取0.90；

所述的步骤6)中，优劣系数Qf的表达式为：

式中，a为工作性权重值，n为工作性指标的数量，Rj为工作性j的归一化值，Rc为28d抗压强度归一化值，工作性j的归一化值Rj的表达式为：

式中，X为性能测试指标，Xopt为配合比中的性能最佳值，Xwor为配合比中的性能最差值。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法。

背景技术

混凝土作为当今世界应用最广、用量最大的建筑材料，自密实混凝土拌合物由于具有很高的流动性并在混凝土的浇筑过程中不发生离析、泌水，能够在不经过振捣的情况下完全依靠自身重力作用下实现密实填充，已在我国的大量的基础建设和民用建设中广泛应用。随着河砂资源的匮乏以及混凝土可持续发展认识的逐步提高，机制砂逐步替代河砂成为混凝土可持续发展的趋势。

机制砂自密实混凝土可看做由砂浆填充粗骨料堆积空隙并包裹粗骨料表面的复合材料，而砂浆可以看作由胶凝材料、石粉和水组成的浆体填充机制砂颗粒填充空隙并包裹机制砂颗粒表面的复合材料。机制砂具有粒形不规则、级配易呈现“两头多、中间少”、颗粒表面粗糙等特点，且机制砂含有大量的胶材颗粒级别的石粉(粒径<0.075μm)，同时具有远高于天然砂的细度模数，这些特征使得机制砂自密实混凝土的性能受机制砂特征的影响尤为显著，与河砂混凝土相比，机制砂混凝土易泌水、离析且粘度较大。由于未能考虑机制砂特征的影响，通过《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55、《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283和《自密实混凝土配合比设计与施工指南》CCES 02难以制备同时满足工作性、强度和耐久性的机制砂自密实混凝土。实际工程中，机制砂自密实混凝土配合比设计主要以经验为依据，所需配合比往往需要经过大量的试验工作方能获取，耗时耗力，且所得配合比往往工作性和力学性能表现出不一致性，无法通过定量化方法在综合工作性和强度的基础上对配合比进行优选。

中国专利CN 105801031 A公开一种人工集料混凝土的配合比设计方法，提出通过粉体间的组成比例关系设计混凝土配合比，其主要集中于粉体间的设计，未考虑粉体、机制砂、粗骨料的关系。中国专利CN 105974791 A公开了一种混凝土配合比优化系统控制方法，通过多层权重值的设置与计算，获取混凝土性能与原材料的关系，该专利方法较为复杂、计算量大、不易使用，且对于机制砂混凝土，石粉的引入使得参数量增多，更不易采用。

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提供一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

砂浆富余系数是指机制砂砂浆填充粗骨料堆积空隙后，富余的砂浆体积与堆积空隙体积的比值。砂浆富余系数法将机制砂石粉含量作为粉体材料进行设计，并提出优劣系数进行配合比的优选，保证工作性的同时，兼顾强度和耐久性要求。

基于此，本发明涉及一种机制砂自密实混凝土配合比设计与优选方法，该方法具体包括以下步骤：

1)测定粉体材料表观密度、机制砂颗粒表观密度、单方混凝土中粗骨料质量、粗骨料的表观密度、粗骨料的堆积密度及机制砂中石粉含量。

2)根据性能需求，根据砂浆富余系数获取粗骨料用量和砂浆体积。

砂浆富余系数Ff的表达式为：

式中，Mg为单方混凝土中粗骨料质量，ρg为粗骨料表观密度，ρ′g为粗骨料堆积密度，Vm为砂浆体积。

所述的砂浆体积Vm的表达式为：

3)根据设计强度，确定水胶比。

4)假定净浆体积和机制砂颗粒的体积比，计算水泥质量、机制砂质量和拌合水质量。

5)根据混凝土工作性对机制砂自密实混凝土中的外加剂用量进行调整。

6)根据优劣系数对满足混凝土性能需求的配合比进行优选。

优选地，砂浆富余系数Ff的取值范围为1.6～1.8。

优选地，水胶比的表达式为：

式中，mw为每立方米混凝土的用水量，mb为每立方米混凝土的胶凝材料用量，fce为水泥的28d实测抗压强度，fcu，0为混凝土配制强度，βi为第i种矿物掺合料替换水泥的质量百分数，γi为矿物掺合料的胶凝系数实测值。

优选地，水泥用量、机制砂用量和拌合水用量通过下述公式获取：

Vm＝Vp+VMS

式中，Vp为净浆体积，VMS为机制砂颗粒体积，Mc为水泥质量，ρc为水泥表观密度，ρi为第i种矿物掺合料的表观密度，Ms为机制砂质量，βsp为机制砂中石粉含量，ρsp为石粉表观密度，ρs为机制砂颗粒表观密度，Mw为拌合水质量(kg)，ρw为为拌合水密度。

优选地，当净浆体积Vp和机制砂颗粒体积VMS的比为0.8～1.0时，选取0.90。

优选地，优劣系数Qf的表达式为：

式中，a为工作性权重值，n为工作性指标的数量，Rj为工作性j的归一化值，Rc为28d抗压强度归一化值。Qf的值越大，混凝土的综合性能越好，即配合比更优。

优选地，工作性j的归一化值Rj的表达式为：

式中，X为性能测试指标，Xopt为配合比中的性能最佳值，Xwor为配合比中的性能最差值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明方法步骤简单、计算量小、应用广泛；

(2)本发明考虑粉体、机制砂、粗骨料的关系，基于砂浆富余系数，将机制砂石粉含量作为粉体材料进行配比设计，并根据优劣系数进行配合比的优选，在保证工作性的同时，兼顾了强度和耐久性的要求。

附图说明

图1为一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法的流程图。

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。

实施例1

如图1所示，本发明涉及一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法，该方法包括以下步骤：

S1：测定粉体材料、机制砂颗粒和粗骨料的表观密度及粗骨料的堆积密度；

S2：根据性能需求，根据砂浆富余系数获取粗骨料用量和砂浆体积；

砂浆富余系数Ff的表达式为：

砂浆体积Vm的表达式为：

上述两个式子中，Mg为单方混凝土中粗骨料质量(kg)，ρg为粗骨料表观密度(kg/m3)，ρ′g为粗骨料堆积密度(kg/m3)。

经过大量的试验研究与工程实践发现，砂浆富余系数不是一个定值，其值受原材料性质和设计要求的影响。粗骨料和机制砂粒形差、石粉含量的降低、强度等级的提高以及工作性要求的提高，会造成砂浆富余系数的增大；反之亦然。砂浆富余系数Ff一般可在1.5左右，可通过0.1～0.2的变化幅度上下调整。

S3：根据实际设计强度，按照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283的规定确定水胶比；

式中，mw为每立方米混凝土的用水量(kg)；

mb为每立方米混凝土的胶凝材料用量(kg)；

fce为水泥的28d实测抗压强度(MPa)；

fcu，0为混凝土配制强度(MPa)；

βi为第i种矿物掺合料替换水泥的质量百分数；

γi为矿物掺合料的胶凝系数实测值，无测试值时，可根据粉煤灰0.4、矿渣0.9、硅灰1.05进行取值。

S4：假定净浆体积和机制砂颗粒的体积比，计算水泥用量、机制砂用量和拌合水用量；

水泥用量、机制砂用量和拌合水用量通过下方的式子获取：

Vm＝Vp+VMs

式中，Vp为净浆体积(m3)；

VMS为机制砂颗粒体积(m3)；

Mc为水泥质量(kg)；

ρc为水泥表观密度(kg/m3)；

ρi为第i种矿物掺合料的表观密度(kg/m3)；

Ms为机制砂质量(kg)；

βsp为机制砂中石粉含量；

ρsp为石粉表观密度(kg/m3)；

ρs为机制砂颗粒表观密度(kg/m3)；

Mw为拌合水质量(kg)；

ρw为为拌合水密度(kg/m3)。

经过大量的试验证明，浆体材料和机制砂颗粒的体积比为0.8～1.0时，可取0.90。

S5：根据混凝土工作性对机制砂自密实混凝土中的外加剂用量进行调整，在保证混凝土不发生泌水、离析的前提下，尽可能增大外加剂用量；

S6：根据获取的系列配合比，提出优劣系数Qf对满足混凝土性能需求的配合比进行优选；

Qf的值越大，则混凝土的综合性能越好即配合比更优。Qf通过对混凝土工作性能和抗压强度指标归一化处理后加权平均计算得到：

式中，a为工作性权重值，范围为0～1/n，工作性要求越高，则权重值越大；

n为工作性指标的数量；

Rj为工作性j的归一化值；

Rc为28d抗压强度归一化值；

其中，工作性j的归一化值Rj的表达式为：

式中，X为性能测试指标；

Xopt为配合比中的性能最佳值；

Xwor为配合比中的性能最差值。

基于本发明方法，本实施例提供了一种应用于承台、墩柱等的C40机制砂自密实混凝土，其中水泥为P.O42.5水泥，28d抗压强度55.0MPa，表观密度3120kg/m3，粉煤灰表观密度为2200kg/m3，机制砂为玄武岩机制砂，石粉含量为9.2％，石粉表观密度2990kg/m3，粗骨料表观密度为2900kg/m3，堆积密度1655kg/m3；选取不同砂浆富余系数(1.0，1.20，1.40，1.60)下的混凝土配合比如表1所示。

表1 C40机制砂自密实混凝土配合比

测试混凝土工作性和强度，各组配合比得到的混凝土粘聚性均良好，考虑坍落度、扩展度和倒坍时间三个工作性指标，工作性权值取0.2，28d强度权值取0.4，计算配合比优劣系数，如表2所示。

表2 C40机制砂自密实混凝土测试性能与优劣系数

由表2可知，C40-3组的优劣系数最佳，得到C40机制砂自密实混凝土最优配合比，此时砂浆富余系数是1.40。

实施例2

本实施例提供了一种应用于索塔的C60机制砂自密实混凝土，所用原材料与实施例1一致，矿物掺合料中新增硅灰，表观密度2000kg/m3；选取不同砂浆富余系数(1.29，1.45，1.61，1.77)下的混凝土配合比如表3所示。

表3 C60机制砂自密实混凝土配合比

测试混凝土工作性和强度，各组配合比得到的混凝土粘聚性均良好，考虑坍落度、扩展度和倒坍时间三个工作性指标，工作性权值取0.2，28d强度权值取0.4，计算配合比优劣系数，如表4所示。

表4 C60机制砂自密实混凝土测试性能与优劣系数

由表4可知，C60-2组的优劣系数最佳，得到C60机制砂自密实混凝土最优配合比，此时砂浆富余系数是1.45。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

一种机制砂自密实混凝土的配合比设计与优选方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。