基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法
【專利摘要】一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，包括以下步驟：(1)確定混凝土材料的工作性能、強度指標和抗氯離子侵入性能指標設(shè)計參數(shù)；(2)確定混凝土制備所采用的原材料；(3)計算混凝土的強度配制值和氯離子擴散系數(shù)配制值；(4)確定混凝土的水膠比計算模型；(5)確定氯離子擴散系數(shù)計算模型和齡期衰減系數(shù)計算模型；(6)計算混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量；(7)驗算混凝土礦物摻合料摻量和水膠比；(8)確定混凝土的單方用水量和砂率；(9)進行混凝土的配合比計算。該方法能滿足28天齡期混凝土規(guī)定的抗氯離子侵入性能指標和強度指標要求。
【專利說明】基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，能夠?qū)⒒炷恋目孤入x子侵入性能指標和強度指標同時納入計算模型中，并通過計算和定量分析進行混凝土配合比設(shè)計，使制備得到的混凝土能夠同時滿足氯鹽環(huán)境下的耐久性要求和強度要求的方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋由于受到氯離子的侵蝕而發(fā)生銹蝕，從而引發(fā)混凝土的開裂、剝落，嚴重時將導致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞，造成經(jīng)濟損失，危及人們的工作和安全。
[0003]混凝土的氯離子擴散系數(shù)和齡期衰減系數(shù)是衡量混凝土抗氯離子侵入和擴散性能的重要指標，是決定氯鹽環(huán)境下混凝土服役壽命和耐久性的控制參數(shù)，采用氯離子擴散系數(shù)較低、齡期衰減系數(shù)較高的混凝土作為建筑材料可以顯著提高氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，因此，設(shè)計合理的混凝土配合比，并制備得到適宜的氯離子擴散系數(shù)和齡期衰減系數(shù)的混凝土成為了增強混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵。
[0004]目前，混凝土配合比的設(shè)計方法主要有三類:一類是基于強度要求、同時兼顧耐久性的配合比設(shè)計方法，第二類是基于提高混凝土密實性的配合比設(shè)計方法，第三類是基于耐久性的配合比設(shè)計方法。國內(nèi)外的規(guī)范主要采用第一類，即基于強度要求、同時兼顧耐久性的配合比設(shè)計方法，包括我國現(xiàn)行規(guī)程JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、美國ACI211.1-普通、特重和大體積混凝土配合比設(shè)計的標準操作規(guī)程和日本規(guī)范-JGC16等。該方法主要基于水膠比和混凝土強度的關(guān)系模型，根據(jù)混凝土的強度要求計算水膠比，并通過對水膠比最大值的控制兼顧了耐久性的要求，但是難以按照預(yù)定的耐久性設(shè)計參數(shù)開展混凝土配合比設(shè)計。第二類方法是基于提高混凝土密實性的配合比設(shè)計方法，其代表是美國Metha教授提出的最佳漿骨比配合比設(shè)計方法和我國的陳建奎教授提出的全計算配合比設(shè)計方法。美國的Metha教授在Cement, concrete and aggregates期刊的1990年第
2期上發(fā)表了 Principles underlying production of high-performance concrete 一文，介紹了最佳漿骨比配合比設(shè)計方法。我國的陳建奎教授在《硅酸鹽學報》的2000年第2期上發(fā)表了“高性能混凝土配合比設(shè)計新法——全計算法” 一文，介紹了全計算配合比設(shè)計方法。該類方法的核心思想是根據(jù)水膠比和混凝土強度的關(guān)系模型，通過對粗骨料、細骨料、膠凝材料和水四種組分在混凝土中所占體積的合理分配和控制，實現(xiàn)提高混凝土密實度，改善混凝土耐久性的目的。但是該類方法仍然難以按照預(yù)定的耐久性設(shè)計參數(shù)開展混凝土配合比設(shè)計。第三類方法是基于耐久性的配合比設(shè)計方法，其代表是我國廉慧珍教授發(fā)表在《建筑技術(shù)》2001年第I期的“按耐久性設(shè)計高性能混凝土的原則和方法”一文中提出的基于耐久性設(shè)計的高性能混凝土配合比設(shè)計方法。該方法根據(jù)經(jīng)驗用列表的方式建立了氯離子擴散系數(shù)、飽鹽混凝土電導率與水膠比和強度的經(jīng)驗對應(yīng)范圍，據(jù)此計算混凝土各組分的用量。但該方法未建立氯離子擴散系數(shù)與水膠比的計算模型，且忽略了粉煤灰、礦粉等礦物摻合料對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響以及氯離子擴散系數(shù)的齡期衰減特性，因此也難以按照預(yù)定的耐久性和強度設(shè)計參數(shù)開展混凝土配合比設(shè)計。綜上所述，傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法未能將混凝土的耐久性能參數(shù)納入計算模型中，難以按照強度和耐久性指標開展耐久性定量設(shè)計。
[0005]因此，將混凝土的氯離子擴散系數(shù)、齡期衰減系數(shù)和強度同時作為開展混凝土配合比設(shè)計的控制參數(shù)，建立科學的配合比定量計算模型，使制備得到的混凝土能同時滿足氯鹽環(huán)境下的耐久性和強度指標要求，從而保證混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽侵蝕環(huán)境中能夠達到預(yù)定的設(shè)計使用年限，具有重要的學術(shù)意義和工程應(yīng)用前景。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，該方法通過合理設(shè)計混凝土配合比，使之同時滿足混凝土的抗氯離子侵入性能和強度指標要求。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的:一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，包括以下步驟:
[0008]1、確定混凝土材料的工作性能參數(shù)、強度指標和抗氯離子侵入性能指標等設(shè)計參數(shù):根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)施工條件，確定混凝土的坍落度；根據(jù)結(jié)構(gòu)承載力要求和構(gòu)件設(shè)計結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)不同部位的混凝土設(shè)計強度等級；根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境作用等級、設(shè)計使用年限和混凝土保護層等指標，利用專利申請?zhí)枮?01210562397.4的“一種海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計的方法”，確定混凝土的氯離子擴散系數(shù)限值和齡期衰減系數(shù)；
[0009]2、確定混凝土制備所采用的原材料:根據(jù)混凝土材料的設(shè)計強度等級確定水泥類別與強度等級，結(jié)合當?shù)鼗炷林苽涞脑牧锨闆r，選取粗骨料類別與粒徑范圍、礦物摻合料類別與組合以及外加劑；
[0010]3、計算混凝土的強度配制值和氯離子擴散系數(shù)的配制值:根據(jù)混凝土的設(shè)計強度等級計算確定混凝土的強度配制值；根據(jù)混凝土的氯離子擴散系數(shù)限值計算確定混凝土的氯離子擴散系數(shù)配制值；
[0011]4、確定混凝土的水膠比計算模型:根據(jù)步驟3確定的混凝土強度配制值、以及步驟2確定的水泥強度等級和骨料類別，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定混凝土的水膠比計算模型Rw/b = f(RSG, Rsf)，其中Rw/b為水膠比，Rfa和Rse分別表示粉煤灰和礦粉摻量的百分數(shù)；
[0012]5、確定氯離子擴散系數(shù)計算模型和齡期衰減系數(shù)計算模型:根據(jù)步驟2確定的混凝土礦物摻合料組合情況，以水膠比、粉煤灰摻量和礦粉摻量作為因素，選擇合理的氯離子擴散系數(shù)計算模型D = f 0VB，Rfa, Rsg)和齡期衰減系數(shù)計算模型n = g(RFA，Rse)，其中D為28天齡期混凝土的氯離子擴散系數(shù)，單位為X 10-V/s, η為混凝土的齡期衰減系數(shù)；可以根據(jù)已有文獻提供的研究成果或現(xiàn)場試驗結(jié)果確定氯離子擴散系數(shù)和齡期衰減系數(shù)計算模型； [0013]6、計算混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量:根據(jù)步驟I和步驟3確定的混凝土齡期衰減系數(shù)、混凝土強度配制值與氯離子擴散系數(shù)配制值，利用步驟4和步驟5確定的混凝土水膠比計算模型、氯離子擴散系數(shù)計算模型和齡期衰減系數(shù)計算模型，計算混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量；
[0014]7、驗算混凝土礦物摻合料摻量和水膠比:如果步驟6計算得到的礦物摻合料摻量不小于零，也未超過JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的礦物摻合料限值要求，則直接進入下一步，繼續(xù)開展混凝土配合比設(shè)計；反之，如果步驟6計算得到的礦物摻合料摻量小于零，或超過了 JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的限值要求，則需要提高混凝土強度指標5MPa或lOMPa，回到步驟3重新進行計算；
[0015]8、確定混凝土的單方用水量和砂率:根據(jù)步驟I確定的混凝土坍落度和步驟2確定的粗骨料的類別、粒徑范圍以及外加劑，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定混凝土的單方用水量和砂率；
[0016]9、進行混凝土的配合比計算:根據(jù)步驟I至步驟8確定的水膠比、單方用水量、砂率以及礦物摻合料組合及摻量，利用重量法或體積法計算混凝土的配合比，確定單方混凝土中水、水泥、粗骨料、細骨料和礦物摻合料的用量。
[0017]所述混凝土的礦物摻合料包括粉煤灰和礦粉。
[0018]所述混凝土的齡期衰減系數(shù)的范圍為0.2至0.6。
[0019]所述混凝土的氯離子擴散系數(shù)的范圍為lX10_12m2/s至1.5X10_nm2/S。
[0020]所述的氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)與混凝土制備工藝有關(guān)，工藝控制較好、質(zhì)量波動較小的混凝土的 氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)較小，該變異系數(shù)的范圍通常為0.1至0.3。
[0021]本發(fā)明的突出優(yōu)點在于:
[0022]首次提供一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，能同時滿足混凝土的抗氯離子侵入性能指標和強度等級要求的混凝土配合比，從而保證混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。
四、【具體實施方式】
[0023]以下通過實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細描述。
[0024]實施例1
[0025]本實施例為一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法的具體實例，包括以下步驟:
[0026]1、確定混凝土材料的工作性能參數(shù)、強度指標和抗氯離子侵入性能指標等設(shè)計參數(shù):
[0027]一堵混凝土墻，位于我國北部灣的近海大氣區(qū)，設(shè)計使用年限為50年，工程采用泵送混凝土的方式進行施工，根據(jù)泵送施工對混凝土工作性能的要求，確定混凝土的坍落度為180mm ;按照該混凝土墻的承載能力要求，確定混凝土設(shè)計強度等級為C30 ;根據(jù)該混凝土墻所處的海洋環(huán)境作用等級、設(shè)計使用年限和混凝土保護層厚度等指標，利用申請?zhí)枮?01210562397.4的“一種海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計的方法”，通過定量計算可得到該環(huán)境條件下混凝土的氯離子擴散系數(shù)上限值為10.16X10_12m2/s，齡期衰減系數(shù)下限值為0.32，
[0028]2、確定混凝土制備所采用的原材料:[0029]選取的水泥強度等級通常為混凝土設(shè)計強度等級的0.8~1.5倍，其中混凝土設(shè)計強度等級較低時取較高倍數(shù)值，混凝土設(shè)計強度等級較高時取較低倍數(shù)值，本實施例中的混凝土設(shè)計強度等級為C30，選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，代號為P042.5，結(jié)合當?shù)鼗炷林苽涞脑牧锨闆r，選取粗骨料類別為碎石，粒徑范圍為5~31.5_、礦物摻合料為復摻粉煤灰和礦粉的組合，外加劑選用減水率為20%的聚羧酸減水劑，
[0030]3、計算混凝土的強度配制值和氯離子擴散系數(shù)配制值:
[0031]根據(jù)混凝土的設(shè)計強度等級計算確定混凝土的強度配制值:本實施例中混凝土的設(shè)計強度等級值為30MPa，根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中的式4.0.1-1,即4,0≥feu, k+l.645 σ cu計算混凝土的強度配制值，式中f—為混凝土的強度配制值，fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值，這里取混凝土的設(shè)計強度等級值，σ 為混凝土強度標準差，根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中的表4.0.2取σ eu = 5.0MPa，則本實例中混凝土的強度配制值f；u,?！?0+1.645X5.0 = 38.23MPa，取3位有效數(shù)字則feu,Q =38.3MPa ；
[0032]根據(jù)混凝土的氯離子擴散系數(shù)限值要求，根據(jù)公式Dtl ( Dk-L 645 σ D計算氯離子擴散系數(shù)配制值，式中Dc^Dk分別為氯離子擴散系數(shù)的配制值和上限值，oD= S11Dk為氯離子擴散系數(shù)的標準差，其中δ D為氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)。本實施例中氯離子擴散系數(shù)上限值為10.16X10_12m2/s，選擇氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)為0.15，即可計算得到氯離子擴散系數(shù)配制值
[0033]D0^ 10.16X 10-12-1.645X0.15X 10.16 X 10-12 = 7.653 X l(T12m2/s，取 3 位有效數(shù)
字
[0034]Dtl = 7.65Xl(T12m2/s，
[0035]4、確定混凝土的水膠比計算模型:
[0036]根據(jù)本實施例中混凝土的強度配制值38.3MPa，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合
比設(shè)計規(guī)程》中的式5.1.1、式5.1.3和式5.1.4，即
【權(quán)利要求】
1.一種基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟: 1.1確定混凝土材料的工作性能參數(shù)、強度指標和抗氯離子侵入性能指標設(shè)計參數(shù):根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)施工條件，確定混凝土的坍落度；根據(jù)結(jié)構(gòu)承載力要求和構(gòu)件設(shè)計結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)不同部位的混凝土設(shè)計強度等級；根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境作用等級、設(shè)計使用年限和混凝土保護層指標，利用海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計的方法，確定混凝土的氯離子擴散系數(shù)限值和齡期衰減系數(shù)； 1.2確定混凝土制備所采用的原材料:根據(jù)混凝土材料的設(shè)計強度等級確定水泥類別與強度等級，結(jié)合當?shù)鼗炷林苽涞脑牧锨闆r，選取粗骨料類別與粒徑范圍、礦物摻合料類別與組合以及外加劑； 1.3計算混凝土的強度配制值和氯離子擴散系數(shù)配制值:根據(jù)混凝土的設(shè)計強度等級計算確定混凝土的強度配制值；根據(jù)混凝土的氯離子擴散系數(shù)限值計算確定混凝土的氯離子擴散系數(shù)配制值； 1.4確定混凝土的水膠比計算模型:根據(jù)步驟3確定的混凝土的強度配制值、以及步驟2確定的水泥強度等級和骨料類別，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定混凝土的水膠比計算模型Rw/b = f(RSG, Rsf)，其中Rw/b為水膠比，Rfa和Rse分別表示粉煤灰和礦粉摻量的百分數(shù)； 1.5確定氯離子擴散系數(shù)計算模型和齡期衰減系數(shù)計算模型:根據(jù)步驟2確定的混凝土礦物摻合料組合情況，以水膠比、粉煤灰摻量和礦粉摻量作為因素，選擇合理的氯離子擴散系數(shù)計算模型D = f(Rff/B,RFA,RSG)和齡期衰減系數(shù)計算模型n = g(RFA，Rse)，其中D為28天齡期混凝土的氯離子擴散系數(shù)，單位為X10_12m2/s，η為混凝土的齡期衰減系數(shù)；確定氯離子擴散系數(shù)和齡期衰減系數(shù)計算模型； 1.6計算混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量:根據(jù)步驟I和步驟3確定的混凝土齡期衰減系數(shù)、混凝土強度配制值與氯離子擴散系數(shù)配制值，利用步驟4和步驟5確定的混凝土水膠比計算模型、氯離子擴散系數(shù)計算模型和齡期衰減系數(shù)計算模型，計算混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量； 1.7驗算混凝土礦物摻合料摻量和水膠比:如果步驟6計算得到的礦物摻合料摻量不小于零，也未超過JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的礦物摻合料限值要求，則直接進入混凝土配合比設(shè)計；反之，如果步驟6計算得到的礦物摻合料摻量小于零，或超過了 JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的限值要求，則需要提高混凝土強度指標5MPa或lOMPa，回到步驟3重新進行計算； 1.8確定混凝土的單方用水量和砂率:根據(jù)步驟I確定的混凝土坍落度和步驟2確定的粗骨料的類別與粒徑范圍以及外加劑，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定混凝土的單方用水量和砂率； 1.9進行混凝土的配合比計算:根據(jù)步驟I至步驟8中得到的水膠比、單方用水量、砂率以及礦物摻合料組合及摻量，利用重量法或體積法計算混凝土的配合比，確定單方混凝土中水、水泥、粗骨料、細骨料和礦物摻合料的用量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，其特征在于，所述混凝土的礦物摻合料包括粉煤灰和礦粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，其特征在于，所述混凝土的齡期衰減系數(shù)的范圍為0.2至0.6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，其特征在于，所述混凝土的氯離子擴散系數(shù)的范圍為So
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于抗氯離子侵入性能和強度指標要求的混凝土配合比設(shè)計方法，其特征在于，所述的氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)與混凝土制備工藝有關(guān)，工藝控制較好、質(zhì)量波動較小的混凝土的氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)較小，該變異系數(shù)的范圍通常為 0.1 至 0.3。
【文檔編號】C04B28/04GK103992076SQ201410227432
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】楊綠峰, 陳正, 周明, 文濤, 趙家琦 申請人:廣西大學