一种确定面板混凝土膨胀剂掺量的方法

摘要

本发明公开了一种确定面板混凝土膨胀剂掺量的方法，依据引起混凝土凝结硬化过程体积变化的水泥组分，去除了混凝土凝结硬化过程中没有体积变化的砂石组分的影响。通过测定面板混凝土中砂石和水泥与水的质量比，再根据表达式计算出不同膨胀剂掺量时候的混凝土体积变化率，通过体积变化率确定对应的膨胀剂用量。本发明实现了不同配合比的面板混凝土膨胀剂掺量的快速确定，解决现有方法实验周期较长的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土制备技术领域，具体涉及一种确定面板混凝土的配置掺量的方法。

背景技术：

面板混凝土在水利工程中有着广泛的应用，起到保护工程主体结构及抵抗水渗透的作用，对工程结构的安全性和耐久性具有重要的影响。

由于面板混凝土短时间内大面积施工的特点，混凝土凝结硬化过程中的收缩变形在长度方向的累加会造成较大的拉应力。当后浇的面板混凝土长度较大(超过100米)且同时受到先浇混凝土的约束力作用时，产生的拉应力往往超过混凝土本身抗拉强度从而发生混凝土开裂破坏。因此，为了避免破坏的产生，工程人员在面板混凝土中加入适当的膨胀剂抵消混凝土凝结硬化过程中的体积收缩，避免开裂破坏。

然而，膨胀剂掺量也并非多多益善，当膨胀剂掺量过多时，在抵消收缩变形之后多余的体积膨胀会引起混凝土的鼓包翘起、甚至开裂，同样会对工程结构产生危害。因此，确定面板混凝土中膨胀剂掺量是非常重要的。

现有的面板混凝土中膨胀剂掺量的确定方法是通过现场实验进行确定。在确定混凝土原材料配合比的情况下，加入不同掺量的膨胀剂制备出面板混凝土，养护28天后测定混凝土试件的体积变化率，当体积变化率符合规范(GB/T 23439-2017《混凝土膨胀剂》)要求时的膨胀剂掺量作为选用掺量。为了满足施工要求和力学性能，工程进行中往往要不断调整混凝土原材料配合比，这意味着膨胀剂掺量也要随着混凝土配合比的改变而进行调整，该实验周期较长会影响工程进度。

混凝土凝结硬化过程中的体积收缩机理非常明确：水泥水化反应过程中的体积变化是造成混凝土体积收缩的主要原因。水化前产物的体积大于水化产物体积，从而产生收缩变形。而混凝土中的砂石在混凝土凝结硬化过程中并未参与水化反应，其水化前后体积保持不变。与此同时，当加入膨胀剂后，水泥水化产物与膨胀剂进一步反应，其反应产物体积发生膨胀，抵消水化产物造成的体积收缩，从而抑制混凝土因为收缩产生的开裂发生。而水泥中的主要组分C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)和C4AF(铁铝酸四钙)均会发生水化反应，但反应前后反应物的体积变化是不一样的。

基于水化反应以及反应前后反应物体积的变化，关注水泥中的主要组分C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)和C4AF(铁铝酸四钙)含量即可以有效确定膨胀剂掺量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定面板混凝土膨胀剂掺量的方法，其确定过程依据选用的水泥组分，实现不同配合比的面板混凝土膨胀剂掺量的快速确定，解决现有方法实验周期较长的缺陷。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种确定面板混凝土膨胀剂掺量的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，确定水泥中C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)和C4AF(铁铝酸四钙)各成分的含量β

步骤2，单独将C3S和水按2:1的比例混合，并加入C3S质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，养护28天测定其体积变化率V

步骤3，单独将C2S和水按2:1的比例混合，并加入C2S质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，养护至28天测定其体积变化率V

步骤4，单独将C3A和水按2:1的比例混合，并加入C2S质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，养护至28天测定其体积变化率V

步骤5，单独将C4AF和水按2:1的比例混合，并加入C4AF质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，养护至28天测定其体积变化率V

步骤6，测定面板混凝土中砂石和(水泥+水)的质量比α；

步骤7，根据如下表达式

计算出不同膨胀剂掺量时候的混凝土体积变化率Vi，其中i＝0、3、6、9、12、15分别表示膨胀剂掺量为0％、3％、6％、9％、12％和15％；i的取值区间为0-15％，为工程中常见膨胀剂掺量。

步骤8，根据获得的Vi找到体积变化率最接近预设体积变化率V

进一步的，养护温度与实际工程施工的混凝土入仓温度相差不超过5℃。

进一步的，在单独的C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)和C4AF(铁铝酸四钙)加入的膨胀剂质量比在0％-15％之间。该加入的膨胀剂质量比取值范围根据实际施工中积累的经验值确定。

进一步的，在膨胀剂质量比在0％-15％之间选取3-8个质量比值。

进一步的，在单独的C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)和C4AF(铁铝酸四钙)加入的膨胀剂质量比可以为0％、2％、4％、6％、8％、10％、12％和14％。

进一步的，预设体积变化率VREF在0.5‰到2.5‰。该预设体积变化率依据GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》进行取值。

有益效果

(1)膨胀剂的确定方法明确。从引起混凝土凝结硬化过程体积变化的水泥组分入手，去除了混凝土凝结硬化过程中没有体积变化的砂石组分的影响。

(2)膨胀剂的确定方法快捷。在改变混凝土原材料用量而不改变水泥品种的情况下，不需要额外实验即可确定膨胀剂用量。该方法方便快捷，能够提高实验效率。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式和实验数据进一步阐述本发明。

实施例一：

使用原料为P.O 42.5普通硅酸盐水泥、C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)、C4AF(铁铝酸四钙)、硫铝酸钙混凝土膨胀剂、砂(细度模数2.7)、石子(粒径5-20mm)，实验温度为15-20℃，根据下列步骤确定需要添加的面板混凝土膨胀剂的掺量：

步骤1、根据水泥厂商提供的参数确定所用水泥中的主要成分为：

C3S：52％；C2S：17％；C3A:10％；C4AF：13％；

步骤2、单独将C3S和水按2:1的比例混合，并加入C3S质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，加入搅拌机中搅拌3分钟，使各物料混合均匀，倒入100mm×100mm×300mm试模，养护28天后用千分表测定其体积变化率V

步骤3、单独将C2S和水按2:1的比例混合，并加入C2S质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，加入搅拌机中搅拌3分钟，使各物料混合均匀，倒入100mm×100mm×300mm试模，养护28天后用千分表测定其体积变化率V

步骤4、单独将C3A和水按2:1的比例混合，并加入C3A质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，加入搅拌机中搅拌3分钟，使各物料混合均匀，倒入100mm×100mm×300mm试模，养护28天后用千分表测定其体积变化率V

步骤5、单独将C4AF和水按2:1的比例混合，并加入C4AF质量0％、3％、6％、9％、12％和15％的膨胀剂，加入搅拌机中搅拌3分钟，使各物料混合均匀，倒入100mm×100mm×300mm试模，养护28天后用千分表测定其体积变化率V

步骤6、根据选用的混凝土配合比(水泥：水：砂：石＝320:175:652:1320)，确定面板混凝土中砂石与(水泥+水)的质量比α＝4.0；

步骤7、根据如下表达式

计算出不同膨胀剂掺量(i＝0％、3％、6％、9％、12％和15％)时候的混凝土体积变化率Vi，见表1；

步骤8、根据工程经验选取预设体积变化率V

计算确定膨胀剂掺量为10.9％。

为了说明该方法确定面板混凝土膨胀剂掺量的有效性，同时制备一组采用该方法确定的膨胀剂掺量的面板混凝土试件，养护28天测试得到其体积变化率为1.6‰，与预设体积变化率V

在实际工程中，可以通过不同的预设体积变化率(比如符合规范要求的0.5‰到2.5‰之间)来确定对应的膨胀剂掺量。当选取预设体积变化率为V

表1膨胀剂掺量确定过程

实施例二：

使用原料为P.O 42.5普通硅酸盐水泥、C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)、C4AF(铁铝酸四钙)、硫铝酸钙混凝土膨胀剂、砂(细度模数2.7)、石子(粒径5-20mm)，原料与案例1相同。

因为水泥选用与实施例1相同，步骤1至步骤5与案例1相同，其体积变化率V

步骤6、根据选用的混凝土配合比(水泥：水：砂：石＝295:175:667:1352)，确定面板混凝土中砂石与(水泥+水)的质量比α＝4.3。

步骤7、根据表达式如下

计算出不同膨胀剂掺量(0％、3％、6％、9％、12％和15％)时候的混凝土体积变化率Vi，见表2；

步骤8、根据工程经验选取预设体积变化率V

计算确定膨胀剂掺量为11.1％。

为了说明该方法确定面板混凝土膨胀剂掺量的有效性，同时制备一组采用该方法确定的膨胀剂掺量的面板混凝土试件，养护28天测试得到其体积变化率为1.4‰，与预设体积变化率V

表2膨胀剂掺量确定过程

实施例三：

使用原料为P.O 42.5普通硅酸盐水泥、C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)、C4AF(铁铝酸四钙)、硫铝酸钙混凝土膨胀剂、砂(细度模数2.7)、石子(粒径5-20mm)，原料与实施例1相同。

因为水泥选用与案例1相同，步骤1至步骤5与案例1相同，其体积变化率V

步骤6、根据选用的混凝土配合比(水泥：水：砂：石＝253:175:682:1378)，确定面板混凝土中砂石与(水泥+水)的质量比α＝4.8。

步骤7、根据如下表达式

计算出不同膨胀剂掺量(0％、3％、6％、9％、12％和15％)时候的混凝土体积变化率Vi，见表3；

步骤8、根据工程经验选取预设体积变化率V

计算确定膨胀剂掺量为11.7％。

为了说明该方法确定面板混凝土膨胀剂掺量的有效性，同时制备一组采用该方法确定的膨胀剂掺量的面板混凝土试件，养护28天测试得到其体积变化率为1.6‰，与预设体积变化率V

表3膨胀剂掺量确定过程

综合以上3个案例，可以看出：本专利提出的面板混凝土膨胀剂确定方法快速简便，当选用相同原材料制备不同强度等级面板混凝土时，仅需要实施一次步骤1至步骤5，再根据数据结果来选择合适的膨胀剂用量。根据工程经验选取0-15％区间的膨胀剂用量，并选取0％、3％、6％、9％、12％和15％数值作为实验用量。通过五次的用量实验能够减少传统方法的实验步骤和实验时间，提高实验效率。与此同时，与传统方法的结果比较，本发明提出的膨胀剂掺量的确定方法是可靠和方便的。