紧密堆积混凝土配合比模型的建立(3)

紧密堆积混凝土配合比模型的建立

1.5研究的意义和内容

1.5.1 课题的意义

混凝土具有节能、经济、生态、来源广、应用方便、耐久性好、维修能耗最低，使用寿最长等优点，因此，混凝土已经发展成为目前人类应用最广泛的建筑材料之一。但混凝土及水泥工业的发展，也带来了严重的环境与资源问题。水泥工业的发展，消耗了大量的能源及石灰石、黏土等矿产资源，同时排放了大量的污染物。生产每吨硅酸盐水泥熟料，消耗石灰石约1.3吨，黏土约0.3吨，排放1吨多CO2。现在，水泥工业每年消耗石灰石4亿多吨，黏土l亿多吨，排放3亿多吨CO2，大量的NOx，SO2有害气体，排放粉尘1000万吨以上。水泥的生产是以巨大的能源、资源消耗为代价并造成严重的环境负荷。这对我国及世界的可持续发展极为不利。

为此，本研究重点从水泥混凝土的强度构成原理出发，借鉴体积法设计思想，提出紧密堆积结构组成，充分发挥集料的作用。试验研究粗集料的结构组成、砂作为填充颗粒的比例、水泥净浆作为填充固结料等对水泥混凝土工作性与强度的影响，以技术合理、经济有效、可操作性强为原则，提出紧密堆积型水泥混凝土配合比设计方法[1]。研究成果可直接指导水泥混凝土设计与施工，保证工程质量，节约工程成本，有效利用有限资源，具有重要的工程现实意义。

1.5.2研究的内容

本文通过建立紧密堆积模型为基础,以及应用模型于粉体颗粒体系堆积密度的计算。并且从水泥混凝土的强度构成原理出发，借鉴体积法设计思想，提出粗集料紧密堆积结构组成和紧密堆积型混凝土理念，用振动填充试验方法，分析不同因素对粗集料紧密堆积结构组成的影响，以便于操作、实用可行为原则，提出级配组成设计方法。通过坍落度试验，分析水灰比、砂率、填充比等对紧密堆积型混凝土工作性的影响。对紧密堆积型混凝土的强度特性进行系统试验，分析不同参数与抗压强度的关系，得出关系表达式。综合工作性与强度特性研究成果，提出同时满足工作性与强度要求的紧密堆积型混凝土配合比设计方法。图1.1为本文的技术线路图。

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安徽建筑工业学院本科生毕业论文

文献收集调研 方案的制定 混凝土配合比设计 紧密堆积模型的建立 实验方案设计、性能测试、结果 试验结果分析 结 论 图1.1 本文的技术线路图

本文的研究内容主要包括以下几个方面：

1.粉煤灰掺入砂、不同粒径粗骨料间和粉煤灰与砂最佳级配的混合物掺入已级配好的粗集料的最紧密堆积；

2.根据紧密堆积混凝土配合比设计方法计算紧密堆积混凝土配合比； 3.配制紧密堆积混凝土实验；

4.紧密堆积混凝土工作性能和强度实验； 5.配制普通混凝土实验；

6.普通混凝土工作性能和强度实验；

7.将普通混凝土和紧密堆积混凝土进行综合比较，并得出结论。

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第二章 紧密堆积模型和混凝土配合比设计

2.1 紧密堆积理论

常规固井水泥浆在混合和泵送顶替时的最优性能与长期层间封隔水泥环柱所要求的力学性能总是矛盾的，在密度低或高时矛盾更加突出。由于材料力学的发展，材料科技工作除关注化学键力的开发外，更注重颗粒间范德华力[5]的开发，并发现紧密堆积理论是获得高性能固井材料的关键。利用紧密堆积理论与颗粒大小分布技术，使微细胶凝颗粒挤入材料的空隙，材料的胶空比大幅度降低，提高颗粒间的范德华力，从而创造出了新的高性能凝胶材料。但用于紧密堆积的微细胶凝颗粒应是水化膜薄、外型呈球形、具有较好的活性颗粒。因此通过线性堆积密度模型以及二元系统的最大堆积密度与微细胶凝材料直径的关系，可以提出二元系统最大堆积时微细胶凝材料的体积分数为0.18～0.27，对于密度与水泥最近的微细胶凝材料，其最佳掺量为18%～27%，指出二元充填微细胶凝材料的尺寸应在被填充材料颗粒尺寸的至l/10范围内；提出了干混材料堆积体积分数(PVF)的概念，PVF值越高，水泥浆性能越好。

2.2 紧密堆积模型

根据库纳德森COONADESION 公式 ???a?e(?b?) 式中 ?a—实状态的混凝土强度; b—系数;

?—混凝土孔隙率, %。

混凝土强度随着其孔隙率的降低, 呈指数函数规律提高。欲配制密实、高强的混凝土, 则负中心质( 孔隙率) 所占的空间最大限度地降低, 以获得高强混凝土高性能混凝土。具体方法只能以达到“最小空隙率、最小比表面积、最大堆积密度”的目标级配得以实现。

对于无相互作用的二元混合料，堆积密实度γ和颗粒的体积分数y应用CPM模型计算如下：

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当粗颗粒占主导地位的情形，粗颗粒堆积达到最大密度，V1=β1，V2=y2γ，所以

γ=γ1=β1/(1﹣y2)

我们用γ1表示颗粒1占主导地位时的堆积密度，β1为颗粒1的剩余堆积密实度；当小颗粒占主导地位时，小颗粒堆积达到最密实，同样有：V1=y1γ，V2=β2（1﹣V1），所以

γ=γ2=β2/[1﹣（1﹣β2）y1]

试验中当固定一种颗粒的体积时，堆积密实度γ就与另一种颗粒的体积掺入量有关。

总之不管哪个颗粒占主导地位，都可以计算γ1和γ2。这样作为通史可以写作： γ≤γ1 <=>V1+V2≤β1/[1﹣V2/（V1+V2）] <=>V1≤β1

γ≤γ2<=>V1+V2≤β2/[1﹣（1﹣β2）V1/（V1+V2）] <=>V2≤β2（1﹣V1） 因此，一个二相体系的堆积密实度为：γ=Min（γ1，γ2）

图2.1表示了混合料从纯粗骨料颗粒堆聚至纯细颗粒堆聚时，堆积密实度的变化。从y2=0至波最高点，由于粗颗粒的空隙部分逐渐被细颗粒所填充而使堆积密实度提高，细颗粒正好填满粗颗粒的空隙时时波高点，对较大的y2值来说，由于粗颗粒被等量体积细颗粒所替代，这样混合料总固体体积是减少的。

图2.1 无相互作用的二元混合料堆积密实度与细颗粒用量的关系

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对于多相体系，当第i级颗粒占主导地位时： Vi=βi(1﹣V1﹣V2﹣…﹣Vi-1) 混合料堆积密度：

i?1n???i?βi[１?（1?βi）?yi?j?1?j?i?1yj]

同理，一个多相体系的堆积密实度必须满足 ??Min(?i)

1?i?n需要指出，n相颗粒堆积系统中必须有一种颗粒占主导地位，否则整个颗粒体系将不再是一个密实堆积体系，而是悬浮体系。

2.3普通混凝土配合比设计

2.3.1普通水泥混凝土

普通水泥混凝土是以通用水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，并以水为原材料，按专门设计的配合比，经搅拌、成型、养护而得到的复合材料。现代水泥混凝土中，为了调节和改善其工艺性能和力学性能，还加入各种化学外加剂(AdimiXture)和磨细矿质掺合料(Additive)。

普通水泥混凝土具有原料丰富，便于施工和浇筑成各种形状的构件，硬化后性能优越、耐久性好，节约能源，成本低廉等优点。所以普通混凝土广泛应用于工民建、道路与桥梁、矿山井巷等建筑工程中。

2.3.2普通水泥混凝土的组成设计(以抗压强度为指标的计算方法) 1.初步配合比的计算 (1)确定混凝土的配制强?cu.o

混凝土配制强度(?cu.o)应根据:①设计要求的混凝土强度等级;②施工单位质量管 理水平，按一下式确定。

?cu.o=?cu.k+1.645σ

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