CN111308056A - 一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，该方法将砂石的堆积空隙状况、砂石比例、胶浆流动性能、胶浆填充空隙程度和外加剂减水性能等汇入数学公式，揭示了混凝土原材料用量比例、性能指标与拌和物坍落度之间存在的量化关系，可用于混凝土配合比设计、审查以及拌和生产质量的控制。

Description

一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法

技术领域

本发明属于混凝土生产领域，涉及一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法。

背景技术

在进行混凝土配合比设计时，满足施工和易性要求是一项重要原则，而和易性的主要指标就是坍落度。初选配合比参数时，单位用水量和砂率都要依据混凝土拌和物需要达到的坍落度进行选择，现有的做法是查表，把粗骨料分为卵石和碎石2种，再按最大粒径分级，把坍落度按大小分级，依据骨料种类、粒径和坍落度从配合比设计规范给出的表格中查找对应的用水量，依据骨料粒径和水胶比，查找对应的砂率，在此基础上，再依据砂的种类和细度模数，掺和料的种类，外加剂的种类和减水、引气性能等对用水量和砂率进行微调，得到试拌配合比参数。这样得到的用水量和砂率与实际使用值往往相差较大，需要多次试拌调整方能得到合适的结果，费力费时。

存在这种弊端的主要原因在于现有方法没有精细地考虑原材料的性能，在粗略分级的基础上进行参数的选择，不会得出精准的结果。从配合比设计的“填充理论”和经验可知，混凝土拌和物的和易性与砂、石堆积时的空隙率，砂浆和胶浆对骨料空隙的填充程度，以及胶浆的流动性能有着密切的关系，而最大粒径相同的石子，细度模数相同的砂会有差别很大的空隙率，分类相同的水泥、掺合料和外加剂，存在着性能的差异，其加水组合而成的胶浆流动性也会有很大差别，所以，现有查表的方法势必带来配合比参数选择的偏差。这样，通过配合比和原材料性能准确推断混凝土的坍落度，指导配合比设计，减少参数选择的偏差有着重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，按照此方法，在获得原材料相关性能和配料比例的前提下，可以较准确地推断出混凝土的坍落度，从而指导配合比设计、审查和配料调整，也为直接计算法确定配合比，以及配合比使用过程中的实时动态调整提供方法基础。

本发明采用的技术方案：

一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，所述方法包括以下步骤：

1）获取混凝土配合比；测试配合比中所列各种原材料的密度或表观密度，其中砂、石表观密度为干燥状态下的测值；测试砂干燥状态下的松散堆积密度，以及石子按配合比中用量比例组合后的松散堆积密度；测试外加剂在配合比中掺量下的减水率；测试水、胶凝材料和外加剂按配合比中用量比例组合后形成胶浆的流动度；

2）依据配合比中的砂、石用量比例，计算1方混凝土中砂子在松散状态下的堆积体积与石子组合后松散堆积状态下含有的空隙体积之间的比值，将该比值称为砂富余系数（F_s），按式（1）计算。

F_s=（M_s/γ_s）/（M_g/γ_g- M_g/ρ_g）式（1）

式中：F_s——砂富余系数；

M_s——每方混凝土的砂用量（kg）；

M_g——每方混凝土的石用量（kg）；

γ_s——砂松散堆积密度（kg/m³）；

γ_g——石子组合松散堆积密度（kg/m³）；

ρ_g——石子组合表观密度（kg/m³）；

3）依据配合比中水、外加剂、胶凝材料和砂用量比例，计算1方混凝土中水、外加剂和所有胶凝材料组合而成的胶浆体积及由外加剂减水效果带来的修正体积之和与砂在松散堆积状态下含有的空隙体积之间的比值，将该比值称为胶浆富余系数（F_p），按式（2）计算：

F_p=[M_p/ρ_p+k·W·r/(100-r)/ρ_w]/（M_s/γ_s- M_s/ρ_s）式（2）

式中：F_p——胶浆富余系数；

M_p——每方混凝土的胶浆用量，包括水泥、掺和料、水和外加剂（kg）；

k·W·r/(100-r)/ρ_w——由外加剂减水效果带来的修正体积；

M_s——每方混凝土的砂用量（kg）；

ρ_p——胶浆表观密度（kg/m³）；

γ_s——砂松散堆积密度（kg/m³）；

ρ_s——砂表观密度（kg/m³）；

ρ_w——水密度（kg/m³）；

W——每方混凝土的水用量（kg）；

r——外加剂在配合比中掺量下的减水率，如果外加剂不止一种，则为组合减水率（%）；

k——外加剂减水率折算系数，取值为0.85；

4）按式（3）计算混凝土流动因子：

X_c= (L_p-60)^0.32·F_p·F_s ^0.55式（3）

式中：X_c——混凝土流动因子；

L_p——胶浆的流动度（mm）；

F_p——胶浆富余系数；

F_s——砂富余系数；

5）按式（4）计算混凝土坍落度：

L_c=28.4·X_c-171 式（4）

式中：L_c——混凝土坍落度（mm）；

X_c——混凝土流动因子。

优选地，所述步骤1）中胶浆流动度的测试依照国家标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T8077-2012中“水泥净浆流动度”试验方法进行，制作胶浆时每盘胶凝材料用量为300g，水和外加剂用量按配合比中的比例计算得出。

优选地，所述步骤1）中，配合比中砂、石用量为干燥状态下的用量，如果已知配合比中的砂、石用量是以饱和面干状态计算的，则需要进行含水状态修正，修正方法为：测试砂、石的吸水率，通过吸水率计算其由干燥状态到饱和面干状态吸收的水量，减掉吸收的水量，将砂、石用量转换成风干状态下的用量，另一方面，将吸收的水的体积计入到胶浆体积中。

优选地，所述步骤2）中，石子的粒径不大于40mm；石子组合松散堆积密度和石子组合表观密度为混凝土中不大于40mm粒径级的石子按配合比中给定比例组合后的测试结果。

优选地，所述步骤3）中，胶凝材料为水泥或粉煤灰或矿渣粉或硅粉或粉状膨胀剂或其它掺和料中的一种或几种的组合。

优选地，所述步骤3）中，胶浆表观密度是组成胶浆的各种材料的质量和与体积和的比值，可以拌制胶浆后测试得出，也可以通过计算得出。

优选地，所述步骤3）中，M_p/ρ_p为胶浆体积，如果配合比中砂、石用量是以饱和面干状态计算的，则砂、石由干燥状态转变为饱和面干状态需要吸收的水的体积，计算时应加入到胶浆体积中。

本发明有益效果：

1、依据配料比例和原材料性能测试结果，直接计算出混凝土拌和物的坍落度，该推断方法由于建立在混凝土实际材料比例和性能数据基础上，相比现有建立在粗略分类基础上的查表法，更加贴近材料实际状况，所以用来对混凝土坍落度推算的数据选取更合理。

2、该推断方法中引入的砂富余系数、胶浆富余系数、胶浆的流动度和外加剂减水率这些指标，充分、全面地考虑了砂、石骨料的级配、粒形和空隙状况，胶浆流动性能等这些关键因素对坍落度的影响，符合混凝土各组分之间的“填充理论”和拌和物流动性产生的机理，计算方法科学合理。

3、该推断方法评判混凝土拌和物流动性相比肉眼观察法其优势在于，避开了后者的主观随意性，确定性更强；相比坍落度试验法其优势在于，在极大坍落度和极小坍落度时，比如坍落度在小于20mm和大于180mm范围内，坍落度试验结果对混凝土拌和物的流动性变化不再敏感，而该推断方法摆脱了坍落度测试方法带来的局限，计算结果在这两个范围内依然有明显变化，仍能继续反映拌和物的流动性。

4、这种推断方法相比较经验法和查表法估算坍落度的做法，其结果的准确度更高，以此指导配合比设计，可以提高配合比试拌时参数选择的精准程度，缩减试拌工作量，以此指导混凝土生产，必要时可以更及时、准确地进行材料用量比例调整。

5、可以直接以该推断方法计算出的坍落度值评价混凝土配合比在拌和物流动性方面的优劣，也可以作为混凝土拌和物流动性评判在现有肉眼观察法和坍落度试验法这二种方法之外的第三种方法。

附图说明

图1本发明混凝土流动因子和坍落度关系图；

图2混凝土流动因子和坍落度关系拟合曲线图；

图3非优化混凝土流动因子和坍落度关系拟合直线图。

具体实施方式

混凝土流动因子和坍落度之间的关系如图1所示。

在实际应用中，根据混凝土配合比和原材料相关性能试验结果可以计算出混凝土流动因子，运用图中关系方程可以由流动因子推算出混凝土拌和物的坍落度，反之，如果已知混凝土坍落度要求和原材料相关性能，也可以用来指导配合比的设计和配料的调整。

在确定计算混凝土坍落度的公式（4）时，对72组混凝土流动因子和坍落度数据进行过多种形式拟合，除了线性拟合之外，还进行了指数拟合、乘幂拟合等，典型拟合曲线如图2。多种方式拟合发现，其相关系数很接近，并且都在0.80以上，呈现显著相关性，考虑到其中的线性拟合方程更加简捷，故采用了线性方程。

在确定计算混凝土流动因子的公式（3）时，式中(L_p-60)^0.32、F_p、F_s ^0.55三部分的指数“0.32、1、0.55”是经过多次试算确定的，其选择目标是使流动因子与坍落度之间的相关系数最大。如果指数偏离了这3个值，相关性会变弱。试算过程中典型的非优化混凝土流动因子拟合直线如图3。图中的三条拟合直线对应的流动因子公式中的指数分别为“0.50、1、0.55”；“0.50、0.80、0.55”；“0.50、1、0.70”。其对应的相关系数都在0.8以下，劣于优化流动因子对应的相关系数0.8522。

实施例1 根据混凝土配合比和原材料性能推断坍落度，进行配合比审查

已知一混凝土配合比，每立方米混凝土中各类材料用量及原材料性能测试结果如下：

水149kg，水泥356kg，砂883kg，小石438kg，中石656kg，减水剂2.848kg，其中砂、石用量为风干状态下的用量；

水泥：密度3060kg/m³；

砂：表观密度2640kg/m³，松散堆积密度1560kg/m³；

石：最大粒径40mm，表观密度2800kg/m³，组合松散堆积密度1526kg/m³；

减水剂：掺量0.8%，减水率36%；

胶浆的流动度：400mm。

按下列步骤推断坍落度：

1）计算砂富余系数（F_s）

每方混凝土的砂用量M_s=883kg；

每方混凝土的石用量M_g=438kg+656kg=1094kg；

砂松散堆积密度γ_s=1560kg/m³；

石组合松散堆积密度γ_g=1526kg/m³；

石组合表观密度ρ_g=2800kg/m³；

F_s=（M_s/γ_s）/（M_g/γ_g- M_g/ρ_g）=(883/1560)/(1094/1526-1094/2800)=1.735

2）计算胶浆富余系数（F_p）

每方混凝土的胶浆用量M_p=149+356=505kg

每方混凝土的砂用量M_s=883kg；

胶浆表观密度ρ_p=505/(149/1000+356/3060)=1903kg/m³；

每方混凝土的石用量M_g=438kg+656kg=1094kg；

砂松散堆积密度γ_s=1560kg/m³；

砂表观密度ρ_s=2640kg/m³；

水密度ρ_w=1000kg/m³；

每方混凝土的水用量W=149kg；

外加剂在配合比中掺量下的减水率(%) r=36；

外加剂减水率折算系数k=0.85；

F_p=[M_p/ρ_p+k·W·r/(100-r)/ρ_w]/（M_s/γ_s- M_s/ρ_s）

=[505/1903+0.85×149×36/(100-36)/1000]/（883/1560- 883/2640）=1.454

3) 计算混凝土流动因子（X_c）

胶浆的流动度L_p=400mm；

胶浆富余系数F_p=1.454；

砂富余系数F_s=1.735；

X_c= (L_p-60)^0.32·F_p·F_s ^0.55 =(400-60)^0.32×1.454×1.735^0.55 =12.710

4) 计算混凝土坍落度（L_c）

凝土流动因子X_c=12.710；

L_c=28.4·X_c-171 =28.4×12.710-171=190（mm）

在该实施例中，利用上述坍落度推断方法，通过已知混凝土配合比和原材料性能推断出了坍落度为190mm，实测坍落度195mm，推断值与实测值接近，推断方法有效；该配合比目标坍落度范围190mm至210mm，坍落度在范围内，符合要求。这是一个将该坍落度推断方法应用于配合比审查的案例。

实施例2 根据混凝土坍落度要求和原材料性能反算用水量，指导配合比设计

在一混凝土配合比设计中，坍落度要求50mm至70mm，水胶比选定为0.34，砂率选定为27%，含气量设为3.0%，砂、石为饱和面干状态。

水泥：密度3200kg/m³；

粉煤灰：密度2410kg/m³，粉煤灰掺量15%；

砂：表观密度2680kg/m³，松散堆积密度1560kg/m³，吸水率0.9%；

石：最大粒径40mm，表观密度2690kg/m³，组合松散堆积密度1740kg/m³，吸水率0.2%；

减水剂：掺量0.8%，减水率20%；

胶浆的流动度：150mm。

按下列步骤反算用水量：

1）反算混凝土流动因子（X_c）

凝土坍落度选上限L_c=70mm；

70=28.4·X_c-171

X_c=(70+171)/28.4=8.486

2）计算砂富余系数（F_s）

假设每方混凝土的砂用量M_s，因为吸水率为0.9%，则干燥状态下砂用量为：

M_s/(1+0.9%)=0.991M_s；

因为砂率为27%，砂表观密度2680kg/m³，石表观密度2690kg/m³，所以：

每方混凝土的石用量M_g=2690×(1-27%)/2680/(27%)·M_s=2.7138M_s；

砂松散堆积密度γ_s=1560kg/m³；

石组合松散堆积密度γ_g=1740kg/m³；

石组合表观密度ρ_g=2690kg/m³；

F_s=（M_s/γ_s）/（M_g/γ_g- M_g/ρ_g）

=(0.991Ms/1560)/(2.7138Ms/1740-2.7138Ms/2690)=1.153

3）反算胶浆富余系数（F_p）

胶浆流动度L_p=150mm；

砂富余系数F_s=1.153；

混凝土流动因子X_c=8.486

X_c= (L_p-60)^0.32·F_p·F_s ^0.55

8.486=(150-60)^0.32·F_p·1.153^0.55

F_p=8.486/(150-60)^0.32/1.153^0.55=1.859

4）反算用水量（W）

因为水胶比为0.34，所以每方混凝土的胶浆用量M_p=W/0.34+W=3.94W；

因为水泥密度3200kg/m³，粉煤灰密度2410kg/m³，粉煤灰掺量15%，所以,胶浆表观密度为：

ρ_p=3.94W/(W/1000+W*(1-15%)/3200/0.34+W*15%/2410/0.34)=2005.8kg/m³；

因为砂率为27%，砂表观密度2680kg/m³，含气量3.0%，故，每方混凝土的砂用量：

M_s=[0.970-(W/1000+W*(1-15%)/3200/0.34+W*15%/2410/0.34)]×27%×2680

=702-1.422W；

故，每方混凝土的石用量：M_g=2.7138Ms=1905-3.859W；

故，饱和面干状态下砂、石吸收的水量为：

(702-1.422W)×0.9%+(1905-3.859W)×0.2%=10.128-0.02052W；

砂松散堆积密度γ_s=1560kg/m³；

砂表观密度ρ_s=2680kg/m³；

水密度ρ_w=1000kg/m³；

外加剂在配合比中掺量下的减水率(%) r=20；

外加剂减水率折算系数k=0.85；

根据胶浆富余系数公式：F_p=[M_p/ρ_p+k·W·r/(100-r)/ρ_w]/（M_s/γ_s- M_s/ρ_s）

计算用水量W，其中：

M_p/ρ_p=3.94W/2005.8=0.001964W；

k·W·r/(1-r)/ρ_w=0.85W×20/(100-20)/1000=0.0002125W；

砂和石吸水体积：(10.128-0.02052W)/1000=0.010128-0.00002052W；

M_s/γ_s- M_s/ρ_s=(702-1.422W)/1560- (702-1.422W)/2680=0.1881-0.000420W；

代入胶浆富余系数公式，得出：

1.859=(0.001964W+0.0002125W+0.010128-0.00002052W)/(0.1881-0.000420W)

0.002937W=0.3394

W=116(kg)

在该实施例中，利用混凝土坍落度推断方法指导配合比设计时的用水量选择，在原材料性能已知，目标坍落度、砂率、水胶比等参数确定后，推断出了用水量为116kg/m³，按这个结果进行拌和试验，测得坍落度68mm，与目标值70mm比较接近，这样，就可以明显减少拌和试验次数，减少工作量。这是将该坍落度推断方法应用于配合比设计的一个案例。

实施例3 根据混凝土原材料性能的变化对已有配合比进行调整

已知一混凝土配合比，每立方米混凝土中各类材料用量及原材料性能测试结果如下：

水165kg，水泥330kg，砂670kg，小石480kg，中石719kg，引气剂0.0330kg，其中砂、石用量为风干状态下的用量；

水泥：密度3060kg/m³；

砂：表观密度2640kg/m³，松散堆积密度1560kg/m³；

石：最大粒径40mm，表观密度2800kg/m³，组合松散堆积密度1526kg/m³；

引气剂：掺量1/万，减水率12%；

胶浆的流动度：209mm；

在实施该配合比之前，先获取相关数据，并依据该坍落度推断方法计算出砂富余系数（F_s）、胶浆富余系数（F_p）和混凝土流动因子（X_c），记下胶浆的流动度（L_p），作为基准指标备用。

砂富余系数F_s=1.201；

胶浆富余系数F_p=1.662；

胶浆流动度L_p=209mm；

混凝土流动因子X_c= 9.116。

在配合比实施过程中，定期检测原材料的性能指标，包括砂、石的堆积密度和表观密度，外加剂的减水率，胶浆的流动度，混凝土坍落度等，并计算混凝土的流动因子。如果发现混凝土流动因子偏离基准指标过大，坍落度偏离了正常范围，则进一步查找砂富余系数、胶浆富余系数和胶浆的流动度的变化，针对性地通过调整砂率、用水量和外加剂掺量等手段，使混凝土流动因子回到正常范围，以此实现对混凝土拌和物质量的控制。

比如，检测发现石组合松散堆积密度转变为：1460kg/m³，则进一步计算出：

砂富余系数F_s=1.093；

胶浆富余系数F_p=1.662；

混凝土流动因子X_c= 8.653。

砂富余系数、混凝土流动因子偏离了基准指标，故调整配合比如下：

水174kg，水泥348kg，砂669kg，小石463kg，中石736kg，引气剂0.0348kg

增加了用水量和砂率，调整后计算出：

砂富余系数F_s=1.092；

胶浆富余系数F_p=1.754；

混凝土流动因子X_c= 9.129，其基准指标9.116，调整后回到了正常范围。

在该实施例中，已经存在一基准配合比和原有的材料性能数据，根据坍落度推算方法中的公式计算出基准的混凝土流动因子，作为配合比使用过程中的控制指标，监测该项指标，当发现偏离时则适当调整配合比中的材料用量，使之回归到控制范围，这是将该坍落度推断方法应用到混凝土质量控制，调整配料的一个案例。

Claims (7)

1.一种基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）获取混凝土配合比；测试配合比中所列各种原材料的密度或表观密度，其中砂、石表观密度为干燥状态下的测值；测试砂干燥状态下的松散堆积密度，以及石子按配合比中用量比例组合后的松散堆积密度；测试外加剂在配合比中掺量下的减水率；测试水、胶凝材料和外加剂按配合比中用量比例组合后形成胶浆的流动度；

2）依据配合比中的砂、石用量比例，计算1方混凝土中砂子在松散状态下的堆积体积与石子组合后松散堆积状态下含有的空隙体积之间的比值，将该比值称为砂富余系数（F_s），按式（1）计算：

F_s=（M_s/γ_s）/（M_g/γ_g- M_g/ρ_g）式（1）

式中：F_s——砂富余系数；

M_s——每方混凝土的砂用量（kg）；

M_g——每方混凝土的石用量（kg）；

γ_s——砂松散堆积密度（kg/m³）；

γ_g——石子组合松散堆积密度（kg/m³）；

ρ_g——石子组合表观密度（kg/m³）；

3）依据配合比中水、外加剂、胶凝材料和砂用量比例，计算1方混凝土中水、外加剂和所有胶凝材料组合而成的胶浆体积及由外加剂减水效果带来的修正体积之和与砂在松散堆积状态下含有的空隙体积之间的比值，将该比值称为胶浆富余系数（F_p），按式（2）计算：

F_p=[M_p/ρ_p+k·W·r/(100-r)/ρ_w]/（M_s/γ_s- M_s/ρ_s）式（2）

式中：F_p——胶浆富余系数；

M_p——每方混凝土的胶浆用量，包括水泥、掺和料、水和外加剂（kg）；

k·W·r/(100-r)/ρ_w——由外加剂减水效果带来的修正体积；

M_s——每方混凝土的砂用量（kg）；

ρ_p——胶浆表观密度（kg/m³）；

γ_s——砂松散堆积密度（kg/m³）；

ρ_s——砂表观密度（kg/m³）；

ρ_w——水密度（kg/m³）；

W——每方混凝土的水用量（kg）；

r——外加剂在配合比中掺量下的减水率，如果外加剂不止一种，则为组合减水率（%）；

k——外加剂减水率折算系数，取值为0.85；

4）按式（3）计算混凝土流动因子：

X_c= (L_p-60)^0.32·F_p·F_s ^0.55式（3）

式中：X_c——混凝土流动因子；

L_p——胶浆的流动度（mm）；

F_p——胶浆富余系数；

F_s——砂富余系数；

5）按式（4）计算混凝土坍落度：

L_c=28.4·X_c-171 式（4）

式中：L_c——混凝土坍落度（mm）；

X_c——混凝土流动因子。

2.根据权利要求1所述的基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于：所述步骤1）中胶浆的流动度测试依照国家标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T8077-2012中“水泥净浆流动度”试验方法进行，制作胶浆时每盘胶凝材料用量为300g，水和外加剂用量按配合比中的比例计算得出。

3.根据权利要求1所述的基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于：所述步骤1）中，配合比中砂、石用量为干燥状态下的用量，如果已知配合比中的砂、石用量是以饱和面干状态计算的，则需要进行含水状态修正，修正方法为：测试砂、石的吸水率，通过吸水率计算其由干燥状态到饱和面干状态吸收的水量，减掉吸收的水量，将砂、石用量转换成风干状态下的用量，另一方面，将吸收的水的体积计入到胶浆体积中。

4.根据权利要求1所述的基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于：所述步骤2）中，石子的粒径不大于40mm；石子组合松散堆积密度和石子组合表观密度为混凝土中不大于40mm粒径级的石子按配合比中给定比例组合后的测试结果。

5.权利要求1所述的基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于：所述步骤3）中，胶凝材料为水泥或粉煤灰或矿渣粉或硅粉或粉状膨胀剂或其它掺和料中的一种或几种的组合。

6.权利要求1所述的基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于：所述步骤3）中，胶浆表观密度是组成胶浆的各种材料的质量和与体积和的比值，可以拌制胶浆后测试得出，也可以通过计算得出。

7.根据权利要求1所述的基于配合比和原材料性能的混凝土坍落度推断方法，其特征在于：所述步骤3）中，M_p/ρ_p为胶浆体积，如果配合比中砂、石用量是以饱和面干状态计算的，则砂、石由干燥状态转变为饱和面干状态需要吸收的水的体积，计算时应加入到胶浆体积中。

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