通过骨料中的最小空隙和水泥浆的共用来找到混凝土配比的方法 |
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| 申请号 | CN201680030058.8 | 申请日 | 2016-09-23 | 公开(公告)号 | CN107614223B | 公开(公告)日 | 2019-07-23 |
| 申请人 | W·乌伊珀恩巴硕; | 发明人 | W·乌伊珀恩巴硕; | ||||
| 摘要 | 建议的方法是通过混合 骨料 中的最小空隙和 水 泥浆的共用找到 混凝土 配比，应用了找到混合骨料中的最小空隙的技术，并且通过使用实验设计的适应方案以系统找到混合骨料中的最小空隙的共用 水泥 浆，并且水泥浆的共用根据在骨料颗粒表面处的水泥浆包覆膜和在骨料 接触 表面处共用的水泥浆的膜计算。这种新方法可以产生一般应用的混凝土配比。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种通过混合骨料中的最小空隙和水泥浆的共用找到混凝土配比的方法，方法包括： |
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| 说明书全文 | 通过骨料中的最小空隙和水泥浆的共用来找到混凝土配比的方法 技术领域背景技术[0002] 一般来说，混凝土混合设计的方法由例如ACI(美国混凝土学会)、BS(英国标准)和IS(印度标准)等的用于混凝土的标准学会提出。这些方法基于每单位体积混凝土配比。计算步骤主要是1)根据预先规定的标准和性能确定骨料的最大尺寸2)选择满足可使用性要求的自由水量3)确定达到混凝土的目标抗压强度的水灰比4)计算每单位体积的水和水泥的量以及5)针对细骨料的给定细度模量，可确定粗骨料的体积。多数来自这些方法的混凝土配比导致混凝土生产成本过高，这是因为混凝土中的水泥含量过多，这也将对环境产生很大的影响，由于从水泥生产中释放CO2。此外，在这些方法中，用于确定骨料的体积分数值的表仅以细骨料的细度模量的一些值给出。因此，列表数据不能直接应用于具有不同细度模量的细骨料。这些可能会导致选择用于混凝土配比的骨料的局限性。 [0003] 由于上述问题，在通过从混凝土的标准学会输入数据用于分析和创建系统来分析用于控制生产质量和成本的混凝土配比的方面存在研究项目，诸如专利申请公开No.WO2013/173764 A1“QUALITY CONTROL AND COST MANAGEMENT SYSTEM FOR CEMENTATIONS MIXTURES”，其可应用于大型项目，并可用于利用现有数据进行分析，以改善混凝土的性质或为某些特定目的获得适当的混凝土混合物。因此，存在专注于确定适用于在不同环境中使用的特定产品的水泥含量的发明，诸如专利No.CN101549976A“一种沉管隧道管段用混凝土配合比”，其提出了确定地下隧道产品混凝土配比以适应地下中的工作环境。除了调整常规的混凝土掺合料外，还使用一些材料来部分替代诸如粉煤灰和矿物粉的水泥。其它替代材料也用于诸如专利No.US7025825 B2“PLASTIC FIBERS FOR IMPROVED CONCRETE”提出了用于降低生产成本和提高混凝土强度的增强塑料纤维、专利No.US7641731 B2“ULTRAHIGH-PERFORMANCE,SELF-COMPACTING CONCRETE,PREPARATION METHOD THEREOF AND USE OF SAME”提出了使用用于生产高强度混凝土的硅灰的替代材料。然而，这些天然和合成的替代材料可能具有一些缺点，导致对混凝土的诸如水分、耐久性粘附和孔隙率的影响。 [0004] 目前，许多国家已经注意适当的自然保护和管理以及更好的环境的恢复。一种方法是使用废物或来自工业的副产品。这种方法是研究的主要趋势。然而，存在许多后续的问题、例如废物或工业的副产品的量不足以达到商业规模，或者这些材料的质量不符合要求。可替代的方法是确定无需任何替代材料的新的混凝土配比，但导致具有好的或甚至较好的质量的混凝土、例如混凝土可能更致密，因此更耐用。所获得的混凝土的质量应满足所有预先规定的标准和规格。混凝土配比的方法对于从不同结构和工程性质的任何本地来源的骨料来说应该是灵活的。 发明内容[0005] 本发明的目的是通过开发方法来解决上述问题，所述方法通过使用混合骨料中的最小空隙的技术和水泥浆的共用来找到新的混凝土配比。该方法由以下组成：骨料的工程性质的收集或测试；根据产品的条件或工作条件确定骨料的最大标称尺寸；选择的骨料的标称尺寸数量和可用骨料的标称尺寸；基于实验设计的适应方案系统找到混合骨料中的最小空隙；对于选择的混合骨料中的空隙，确定满足根据产品的预先规定或工作条件的目标抗压强度的水灰比；根据所选择的混合骨料中的空隙的附加、包覆在每个骨料颗粒的表面的水泥浆的量和在所有接触表面处共用的水泥浆膜的量确定需要的水泥浆的下限和上限，这反映了在需要的置信度区间水平统计学不确定性；从主混凝土配比根据产品的预先规定或工作条件确定用于其他性质的其他掺合料；对于每单位体积的混凝土配比，稍微调整混凝土配比；并且最后浇铸混凝土试件用于一系列测试，一系列测试可能导致轻微调整各混凝土配比。 [0006] 本发明的目的是使用新方法来找到无需任何替代材料的一般应用的混凝土配比，以减少水泥消耗、生产具有满足所有预先规定工程规格的性质的更致密和更耐用的混凝土。所建议的方法可以应用于以任何骨料来源的混凝土生产。附图说明 [0007] 通过参考以下附图可以理解本发明和一些实施例的以下详细描述： [0008] 图1A、1B和1C示出了在接触表面处共用水泥浆的模型。 [0009] 图2A、2B、2C、2D、2E和2F示出了共用不同数量的接触表面的包覆骨料的颗粒的水泥浆的膜的模型。 [0010] 图3A、3B、3C、3D、3E和3F示出了在不同类型的骨料之间共用水泥浆包覆膜的模型。 [0011] 图4A和4B示出了标准圆柱体混凝土的横截面和纵截面中的水泥浆包覆的共用。 [0012] 图5示出了在混凝土桩产品的横截面中水泥浆包覆的共用。 [0013] 图6示出了用所建议的方法确定混凝土配比的流程图。 [0014] 图7示出了在百分比p处的样本的值。 [0015] 图8示出了根据工程规格确定平均值。 [0016] 图9示出了适于给定的一组数据的分布函数。 具体实施方式[0017] 为了适当和清楚地理解本发明，混凝土、细骨料、粗骨料，水泥浆的类型以及每种类型的水泥浆的构造的抗压强度的定义和描述将在以下显示： [0018] 1.混凝土的抗压强度是指28天龄时直径为15cm、高30cm的标准圆柱体试件的抗压强度。 [0019] 2.细骨料(1)是颗粒尺寸小于4.75mm的骨料。 [0020] 3.粗骨料(2)是颗粒尺寸不小于4.75mm的骨料。 [0021] 4.水泥浆的形式由以下组成： [0022] 水泥浆包覆膜(3)是围绕骨料的每个颗粒和诸如模具壁、附加材料以及加固件的其他材料包覆的水泥浆膜。该膜根据由水围绕其表面包覆的水泥颗粒的直径计算。水膜的量必须足以使水泥完全水化。 [0023] 共用水泥浆膜(4)是在骨料的每个颗粒的接触表面和其他材料之间共用的水泥浆包覆膜。 [0024] 混合骨料中的空隙的水泥浆(5)是在包覆混合骨料和其他包覆材料中的空隙中的水泥浆。 [0025] 5.各类水泥浆的构造： [0026] 在图1A中，模型显示混合骨料颗粒之间的距离，其影响在由细骨料(1)和粗骨料(2)组成的混凝土内的接触表面处水泥浆膜的共用。在一对两个颗粒彼此太远的情况下，两个颗粒(5)之间将不会共用。在一对两个颗粒彼此足够接近的情况下，可以共用两个颗粒周围的水泥浆包覆膜(3)，称为共用水泥浆膜(4)，其可以被如图1B和1C中示出放大。 [0027] 混凝土混合物由大量混合骨料颗粒组成。混合骨料的每个颗粒可以靠近单个或多个颗粒。因此，这将分别影响水泥浆包覆共用膜(4)的接触表面的数量，数量是不相等的，如图2A、2B、2C、2D、2E和2F所示一个、两个、三个、四个、五个和六个接触面。 [0028] 共用水泥浆膜(4)可以形成在一对相同类型的骨料颗粒和一对不同类型骨料颗粒以及具有其它材料的骨料颗粒之间，诸如： [0029] 如图3A所示，在细骨料(1)的颗粒与相同类型细骨料(1)的另一颗粒之间，[0030] 如图3B所示，在细骨料(1)的颗粒与粗骨料(2)的另一颗粒之间，[0031] 如图3C所示，在细骨料(1)的颗粒与模具壁或附加材料(6)之间，[0032] 如图3D所示，在细骨料(1)的颗粒和加固件(7)之间， [0033] 如图3E所示，在粗骨料(2)的颗粒与相同类型粗骨料(2)的另一个颗粒之间，[0034] 如图3F所示，在粗骨料(2)的颗粒与模具壁或加固件(6)之间。 [0035] 硬化混凝土的结构可以分别示于图4A、4B和5中的标准圆柱体试件的横截面和纵截面以及混凝土制品的横截面。这些结构与以下模型的结构类似： [0036] 形成混凝土圆柱体试件的共用水泥浆的膜(8)可以与如图1A，1B和1C所示的模型的共用水泥浆的膜(4)进行比较， [0037] 来自混凝土的圆柱体的混合骨料中的空隙内的水泥浆(9)可以与来自如图1A所示模型的混合骨料中的水泥浆(5)进行比较， [0038] 在圆柱体混凝土中的一对细骨料颗粒之间的水泥浆包覆膜的共用(10)可与图3A的模型图进行比较， [0039] 在细骨料颗粒与粗骨料颗粒之间的水泥浆包覆膜的共用(11)可与图3B的模型图进行比较， [0040] 一对粗骨料颗粒之间的水泥浆包覆膜的共用(12)可与图3E的模型图进行比较，[0041] 细骨料颗粒与模具壁或附加材料之间的水泥浆包覆膜的共用(13)可与图3C的模型图进行比较， [0042] 细骨料颗粒与加固件之间的水泥浆包覆膜的共用(14)可与模型图3D进行比较。 [0043] 通过混合骨料中的最小空隙以及水泥浆的共用找到混凝土配比的方法由以下如图6所示的流程图形式的步骤组成： [0044] 1.研究、收集和测试需要的每种类型的骨料的工程性质(15)，包括： [0045] 渐变性 [0046] 细度模量 [0047] 天然空隙 [0048] 饱和表面-干比重 [0049] 吸水性 [0051] 诸如水泥类型、颗粒尺寸、比重和细度模量的水泥的性质。 [0052] 预先规定的工程规格和工作条件所需的其他性质。 [0053] 2.确定用于混凝土产品的骨料的最大标称尺寸或工作条件(16)。 [0054] 3.确定用于混合骨料的骨料的来源或标称尺寸的数量(17)。 [0055] 4.找到具有以下条件的混合骨料中的最小空隙(18)： [0056] a.使用实验设计的适应方案，根据以下条件，针对至少两个骨料的标称尺寸数量，找到混合骨料中的最小空隙： [0057] i.用于找到混合骨料中的空隙的适应方案从宽区间中骨料的每个标称尺寸的配比开始，并且具有至少一个内部点。 [0058] ii.找到混合骨料中的空隙的方案利用每种类型的骨料的所有可能的比例值或一些值。 [0059] b.针对根据任何标准测试的每种模式，找到混合骨料中的空隙，针对每种模式至少有一次具有如以下描述的步骤： [0060] i.选择导致混合骨料中最小空隙的实验模式， [0061] ii.缩小骨料的每个标称尺寸的比例区间， [0062] iii.使用实验设计方案， [0063] iv.针对每种实验模式，进行找到混合骨料中的空隙的实验， [0064] v.选择较窄域中具有最小空隙的混合骨料的比例。 [0065] c.通过使用用于单个或多个变量的任何数学模型来找到具有最小空隙的混合骨料的比例，所述数学模型作为用于该目的的工具基于实验模式的数量应不小于数学模型中未知系数的数量的条件，并重复每个步骤直到在以下条件下在目标置信度水平获得具有最小空隙的混合骨料的比例： [0066] i.骨料的比例可以按重量或按体积， [0067] ii.数学模型可以是例如二阶或更高阶的多项式的任何类型的，其可以在骨料的每个标称尺寸的域内产生最佳值， [0068] iii.通过插值技术或回归分析找到数学模型的未知系数， [0069] d.数学模型中的独立变量是骨料的每个标称尺寸的比例，独立变量的数量总是骨料的标称尺寸的数量减去一， [0070] e.在所考虑的域内找到混合骨料中的空隙的实验模式的数量不应低于所应用的数学模型的未知系数的数量， [0071] f.针对每种实验模式找到混合骨料中的空隙应在以下条件下进行至少一次： [0072] i.在针对每种模式找到混合骨料中的空隙的实验数量不止一个的情况下，应使用每种实验模式的混合骨料中的空隙平均值。 [0073] g.考虑到每种实验模式的混合骨料中空隙的不确定性，通过使用混合骨料的百分比不小于如图7所示的p的每种模式的混合骨料中的空隙。 [0074] i.每种实验模式的混合骨料中空隙的百分比的值不应小于95。 [0075] 5.找到在以下条件下用于在混合骨料中的最小空隙的包覆混合骨料表面的水泥浆膜的量的期望值和在混合骨料的接触表面处共用的水泥浆膜的量的期望值(19)： [0076] a.包覆骨料的每个标称尺寸的水泥浆膜的量的期望值和在骨料的所有标称尺寸的颗粒的接触表面处共用的水泥浆膜的量的期望值。 [0077] b.根据水泥颗粒尺寸、水泥浆膜的厚度以及骨料的每个标称尺寸的颗粒尺寸的统计数据或平均值计算包覆在骨料颗粒表面处的水泥浆膜的量的期望值和骨料接触表面处共用的水泥浆膜的量的期望值。 [0078] c.通过使用水泥的颗粒尺寸分布的实际类型、水泥浆膜的厚度以及骨料的每种类型的颗粒尺寸，可以改进包覆骨料的水泥浆膜的量的期望值和在骨料接触表面处共用的水泥浆膜的量的期望值。 [0079] 6.在以下条件下，找到水泥浆量的边界(20)： [0080] a.水泥浆量的边界是根据包覆在骨料颗粒表面处的水泥浆膜的量的期望值、在骨料的接触表面处共用的水泥浆膜的量的期望值和如图7所示百分比p处混合骨料中的空隙内的水泥浆的量的期望值被计算的。 [0081] b.水泥浆量的下限是根据包覆在骨料表面处水泥浆膜的量的期望值加上在百分比p处混合骨料中空隙内水泥浆的量的期望值减去在骨料的接触表面处共用的水泥浆膜的量的期望值。 [0082] c.水泥浆量的上限是根据包覆在骨料表面处的水泥浆膜的量的期望值加上在百分比p处混合骨料中空隙内的水泥浆的量的期望值被计算的。 [0083] 7.找到适当的水灰比(21)。该比值应当产生不同使用年限混凝土的抗压强度值不低于工程规格预先规定的相应值，其中失效概率低于如图8所示的pf。不同使用年限混凝土抗压强度的期望值应符合以下条件： [0084] a.pf的值应该是预先规定的，通常pf设置为5％。 [0085] b.不同使用年限的抗压强度的平均值根据正态分布被计算。 [0086] c.如图9所示，对于具有足够多的之前数据的情况，根据实际的分布类型计算不同使用年限的抗压强度的平均值。 [0087] 8.找到主要的混凝土配比(22)，其中可能有多个配方，每个配方的水泥浆的量的期望值不低于下限。 [0089] 10.在根据步骤8、9和10的条件下，找到用于每个配方的混凝土配比值(24)。 [0090] 11.根据预先规定的标准和工作条件，对每个配方浇筑混凝土试件(25)，并对每个配方的混凝土的工程性质进行测试。 [0091] 12.稍微调整每个配方的混凝土配比，使得每个配方的混凝土配比可以浇筑或生产混凝土，并产生满足具有预先规定的标准和工作条件的质量的混凝土(26)。 [0092] 13.根据方法选择具有最低生产成本的混凝土配比配方，以找到如上所述的混凝土配比(27)。 [0093] 实例 [0094] 所提方法材料的数据 [0095] 1.直径15cm、高度30cm的标准圆柱体混凝土7天龄时的抗压强度＝350ksc，[0096] 2.骨料最大标称尺寸＝19mm， [0097] 3.普通Portland水泥III型：比重＝3.15， [0098] 4.粗骨料来源1：饱和表面-干比重＝2.779， [0099] 细度模量＝8.467， [0100] 5.粗骨料来源2：饱和表面-干比重＝2.754， [0101] 细度模量＝5.896， [0102] 6.细骨料：饱和表面-干比重＝2.636， [0103] 细度模量＝2.025， [0104] 7.空气空隙＝1.5％ [0105] 8.水泥浆：混合骨料中的最小空隙＝0.17778加上7.062-9.444％范围[0106] 内的附加水泥浆， [0107] 9.水灰比＝0.44， [0108] 10.材料成本：水泥400＝THB/m3，水＝14THB/m3，石头＝380THB/m3，砂＝380THB/m3。 [0109] 来自实验的数据 [0110] 1.混合骨料最小空隙＝0.17778，变动系数＝0.02693。 [0111] 2.来自分析的水泥浆膜厚度，通过实验验证＝13.756微米。 [0112] 来自计算的结果 [0113] 1.混合骨料的重量比例：粗骨料1：粗骨料2： [0114] 细骨料＝1015:301:772kg。 [0115] 2.下限和上限的调整因子分别＝0.960和0.955。 [0116] 3.下限重量的混合骨料的比例：粗骨料1：粗骨料2：细骨料＝974.4:289.0:741.1kg。 [0117] 4.上限重量的混合骨料的比例：粗骨料1：粗骨料2：细骨料＝969.3:287.5:737.3kg。 [0118] 5.混合骨料中增加的空隙达到95％置信度＝0.17778×0.02693×1.645＝0.18556。 [0119] 6.用于包覆粗骨料1的颗粒所需的水泥浆＝0.00173/体积。 [0120] 7.用于包覆粗骨料2的颗粒所需的水泥浆＝0.0143/体积。 [0121] 8.用于包覆细骨料的颗粒所需的水泥浆＝0.29644/体积。 [0122] 9.用于包覆骨料的颗粒所需的水泥浆的下限： [0123] 9.1用于包覆粗骨料1的颗粒所需的水泥浆 [0124] ＝(0.00173×974.4/2.779)/998＝0.00061。 [0125] 9.2用于包覆粗骨料2的颗粒所需的水泥浆 [0126] ＝(0.0143×289.0/2.754)/998＝0.00156。 [0127] 9.3用于包覆细骨料的颗粒所需的水泥浆 [0128] ＝(0.29644×741.1/2.636)/998＝0.08351。 [0129] 9.4用于共用的最大水泥浆＝0.11188/体积。 [0130] 9.5用于高效共用的水泥浆的量 [0131] ＝0.8×0.11188×741.1/(2.636×988)＝0.02521。 [0132] 9.6涂布混合骨料所需的水泥浆的量 [0133] ＝0.00061+0.00156+0.08351-0.02521＝0.06046。 [0134] 9.7体积调节因子＝1.015+0.06774＝1.08274。 [0135] 9.8用于包覆骨料的颗粒所需的水泥浆的下限 [0136] ＝(0.17778+0.18556)/1.08274+0.06046＝0.232。 [0137] 9.9水泥浆的附加量＝0.18556/1.08274+0.06046＝0.068。 [0138] 10.用于包覆骨料的颗粒所需的水泥浆的上限： [0139] 10.1用于包覆粗骨料1的颗粒所需的水泥浆 [0140] ＝(0.00173×969.3/2.779)/998＝0.00060。 [0141] 10.2用于包覆粗骨料2的颗粒所需的水泥浆 [0142] ＝(0.0143×287.46/2.754)/998＝0.00155。 [0143] 10.3用于包覆细骨料的颗粒所需的水泥浆 [0144] ＝(0.29644×737.26/2.636)/998＝0.08308。 [0145] 10.4用于共用的最大水泥浆 [0146] ＝0.00060+0.00155+0.08308＝0.08523。 [0147] 10.5体积调节系数＝1.015+0.09235＝1.01734。 [0148] 10.6水泥浆的上限 [0149] ＝(0.17778+0.18556)/1.10734+0.08308＝0.253。 [0150] 10.7水泥浆的附加量＝0.18556/1.10734+0.08308＝0.092。 [0151] 11.下限的水量和水泥量 [0152] 11.1水泥含量＝0.232×(3.15/(1+0.44×3.15)×998＝305.6kg， [0153] 11.2水含量＝0.44×305.6＝134.5kg。 [0154] 12.上限的水量和水泥量 [0155] 12.1水泥含量＝0.253×(3.15/(1+0.44×3.15)×998＝333.2kg， [0156] 12.2水含量＝0.44×333.2＝146.6kg。 [0157] 表1所提方法的混凝土配比 [0158] [0159] 所建议的方法与现有方法之间的结果的比较 [0160] 来自参考资料的数据 [0161] 1.15cm的混凝土立方体28天龄时的抗压强度＝20MPa(203.9ksc)，[0162] 2.骨料最大标称尺寸＝20mm， [0163] 3.普通Portland水泥I型：比重＝3.15， [0164] 4.粗骨料：比重＝2.6，堆积密度＝1600kg/m3， [0165] 细度模数＝6.5，吸水率＝0.5％ [0166] 5.细骨料：比重＝2.6，堆积密度＝1700kg/m3， [0167] 细度模量＝2.2，吸水率＝2.0％ [0168] 6.水灰比＝0.55，空气空隙＝2％。 [0169] 建议的方法的材料数据，其性质接近参考文献的材料数据 [0170] 1.15cm的混凝土立方体7天龄时的抗压强度＝20MPa(203.9ksc)，[0171] 2.骨料的标称最大尺寸＝19mm， [0172] 3.普通Portland水泥III型：比重＝3.15， [0173] 4.粗骨料：饱和-表面-干比重＝2.823，细度模量＝6.89， [0174] 5.细度模量：饱和-表面-干比重＝2.636，细度模量＝2.025， [0175] 6.水灰比＝0.55，空气空隙＝2％ [0176] 7.总水泥浆：混合骨料中最小空隙＝0.1998+6.925-9.257％的范围内的附加水泥浆。 [0177] 表2通过建议的方法和现有方法比较混凝土配比 [0178] [0179] 备注*结果来自M.L.Gambhir,Concrete Technology,2nd Ed.,Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited,New Delhi,1996,p.160-165. [0180] 建议的方法和ACI方法的结果比较(需要配方、图表或表格的计算步骤)[0181] ACI方法和建议的方法的材料数据 [0182] 1.骨料的标称最大尺寸＝19mm。 [0183] 2.普通Portland水泥III型：比重＝3.15。 [0184] 3.直径15cm、高度30cm的标准圆柱体混凝土7天龄时的抗压强度＝350ksc。 [0185] 4.粗骨料1：饱和表面-干比重＝2.779，细度模量＝8.467。 [0186] 5.粗骨料2：饱和表面-干比重＝2.754，细度模量＝5.986。 [0187] 6.细骨料：饱和表面-干比重＝2.636，细度模量＝2.025。 [0188] 7.水灰比＝0.44，空隙＝2％。 [0189] 8.总水泥浆：混合骨料中的最小空隙＝0.17778加附加水泥浆7.062-9.444％。 [0190] 表3采用ACI方法和建议的方法比较混凝土配比 [0191] [0192] 备注*S.H.Kosmatka,B.Kerkhoff and W.C.Panarese,Design and Control of Concrete Mixtures,11th Ed.,2nd Printing,Portland Cement Association,Illinois,2005,p.151-158中的计算. [0193] 两个实例中的比较的总结 [0194] 发现采用建议的方法的混凝土配比与通过其他方法为了混凝土的抗压强度的相等值的相应水泥含量和成本相比产生最小的水泥含量和最小的成本。此外，通过建议的方法硬化混凝土的基体比通过其他方法的对应的基体倾向于更稠密。因此，所建议的方法获得的混凝土应该比对比的方法更耐用。 |
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