基于最大密实度的混凝土配合比优化方法及其性能研究

摘要

高性能化和绿色化已然成为当今混凝土发展的大方向，粉煤灰、矿粉等矿物掺合料和再生粗、细骨料等材料的应用日益广泛，导致混凝土已从传统4组分发展成为更多组分混合材料。传统混凝土配合比设计方法适应能力越来越差，这是由于在传统的配合比设计方法中大多参数均采用经验表格的方式确定，主观性很强，须根据经验不断试配、调整，这样混凝土性能将无法保证。对于混合材料而言，改善其性能的最直接和最根本的方式就是尽力提高混合体的密实度，实现均匀、无空隙的整体。目前也逐渐发展了基于混凝土最大密实度的配合比设计方法，但仍存在考虑角度单一、仅实现骨料体系最大密实度、实际应用较难等问题。为了从胶凝材料体系、骨料体系和浆骨比三个角度实现混凝土密实度最大化设计，本文通过试验研究了胶凝材料体系密实度与矿物掺量间关系和修正了CIPM颗粒体系密实度计算模型中相互作用系数，提出了基于骨料体系密实度的浆体体积富余系数并试验分析其与混凝土工作性和强度间相关性；在此基础上提出基于浆体体积富余系数的配合比优化设计方法。
　　本文主要研究内容具体如下：
　　（1）分析和总结现有配合比设计理论和优化方法的基础上，结合绝对体积法和密实度概念提出浆体体积富余系数，它能够很好的从理论上描述单位体积混凝土内骨料和浆体体积间平衡问题，减少混凝土配合比设计中经验取值现象，实现配合比的理论化设计。
　　（2）为了实现胶凝材料密实度最大，采用试验和TOUFAR模型计算分析粉煤灰或矿粉与水泥二元复合和粉煤灰、矿粉、水泥三元复合时矿物掺量对体系密实度的影响规律，并进一步分析空隙体积和胶凝材料需水量与矿物掺量间关系。分析结果表明，在二元复合时，矿物掺量的增加均降低体系密实度；而在三元复合时胶凝材料密实度明显好于二元复合体系，并且在粉煤灰和矿粉掺量分别在20％和25%时达到稳定。
　　（3）为了计算骨料体系密实度，并寻找密实度最大时粗、细骨料混合情况，研究分析CIPM颗粒堆积体系密实度计算模型，试验发现，其计算值与实测值相差较大，且均小于实测值。以混凝土中粉体颗粒为试验材料，通过实测值与计算值误差分析的方法，通过最小二乘误差控制，采用反演分析方法得出修正后的相互作用系数CLe=1.6、CWe=0.8，试验验证该参数值的可靠性，并可用于计算骨料体系密实度。
　　（4）在胶凝材料体系和骨料体系密实度均得以解决的基础上，为了应用浆体体积富余系数优化拌合后混凝土所含浆体体积，首先试验分析富余系数对混凝土强度和工作性的影响规律，试验结果表明：对水胶比不同混凝土而言，随着系数值的增加，混凝土坍落度和抗压强度均呈现先逐渐提高达到最高点后缓慢下降现象，且坍落度变化范围更大。进一步以二者为控制指标，确定浆体体积富余系数的最优值，对于C30和C40强度等级混凝土系数的最优值分别为1.251和1.624。
　　（5）在此基础上，结合配合比设计理论中绝对体积法和Bolomey混凝土强度计算公式，提出基于浆体体积富余系数的配合比优化设计方法，并详细说明其计算过程。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 混凝土密实度与材料研究

1.3 混凝土密实度与性能研究

1.4 研究内容、路线及意义

2 颗粒密实度计算理论及应用研究

2.1 引言

2.2 颗粒间相互作用研究

2.3 密实度计算模型发展

2.4 混凝土配合比优化研究现状

2.5 浆体体积富余系数概念

2.6 本章小结

3 胶凝材料密实度计算及试验分析

3.1 引言

3.2 试验材料及过程

3.3 胶凝材料颗粒特征分析

3.4 复合胶凝材料堆积密度分析

3.5 复合胶凝材料空隙率及需水量分析

3.6 本章小结

4 CIPM模型相互作用系数修正试验

4.1 引言

4.2 试验材料及材料特性

4.3 试验方法

4.4 试验理论计算结果对比分析

4.5 参数的修正及验证

4.6 本章小结

5 浆体体积富余系数与混凝土性能试验研究

5.1 引言

5.2 试验材料

5.3 试验方案及结果

5.4 浆体富余系数与工作性分析

5.5 浆体富余系数与抗压强度分析

5.6 基于?p的配合比设计步骤

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果