CN115096759A - 一种混凝土氯离子扩散系数模型及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土氯离子扩散系数模型及其应用，混凝土氯离子扩散系数模型包括公式Ⅰ：

公式Ⅱ：D_0,p≤D₀‑1.645σ_D和公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p；D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c均为常数；D_0,p为氯离子扩散系数配制值；σ_D为氯离子扩散系数的标准差；混凝土氯离子扩散系数模型的应用为从模型获得t值；以t作为时间条件下，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土。

Description

一种混凝土氯离子扩散系数模型及其应用

技术领域

本发明涉及一种混凝土氯离子扩散系数模型及其应用，属于工业材料制备技术领域。

背景技术

随着对海洋资源开发的不断深入，我国建造了大批的海港码头、跨海大桥、沉管隧道等海洋基础设施，随之而来的构筑物耐久性问题备受关注，当海洋环境中的氯离子渗透到混凝土内部，会破坏钢筋表面钝化膜，从而导致钢筋锈蚀，严重降低构筑物的使用寿命和安全性。海洋环境下混凝土强度及抗氯离子渗透性能是承载力设计及耐久性设计重点考虑的内容，当选定混凝土原材料时，为提升其抗氯离子渗透性能，较为普遍做法为提升混凝土强度等级，随着混凝土强度等级提升，其内部密实度增加，抗氯离子渗透性能随之提升，这一做法虽能兼顾耐久性设计，但依靠提升混凝土抗压强度来满足混凝土抗氯离子扩散系数配制值要求做法，不仅增加了施工成本，且对资源也是一种极大消耗；

关于混凝土氯离子扩散系数定量化设计也有相应的规范参考，其中《海港工程混凝土材料与结构耐久性定量设计规范》(DB45/T 1828-2018)中从原材料、水胶比、矿物掺合料掺量等方面提出了设计模型，该规范通过赋予混凝土氯离子扩散系数设计值保证率系数，得到混凝土氯离子扩散系数配制值，混凝土氯离子扩散系数配制值小于混凝土氯离子扩散系数设计值，从而在一定程度上减小生产过程中各因素变化对混凝土抗渗透性能的扰动，使混凝土构件满足其耐久性设计要求，该做法虽然同时兼顾了混凝土强度和耐久性，但混凝土配置值与混凝土设计值之间差距需通过提升混凝土抗压强度来弥补，即满足混凝土配制值配合比胶材用量高于满足混凝土设计配合比胶材用量，该种做法使得混凝土强度富裕增加，无疑增加了混凝土生产成本、增加了工程投入；

当混凝土配合比确定以后，混凝土生产过程中搅拌方式对其宏观性能及微观结构必然有很大影响，混凝土传统搅拌机因自身设计缺陷问题，越靠近搅拌轴搅拌速度越低，出现低效率搅拌区，易造成混凝土微观团聚现象，微观不匀质现象对混凝土工作性能、强度、耐久性等均有不利影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种混凝土氯离子扩散系数模型，该模型揭露了混凝土制备过程中的振动搅拌时间和混凝土氯离子扩散系数的关系，使用该模型获得定量数据，用于混凝土制备过程中的振动搅拌调整，任何的制备工艺和任何的混凝土原料配合比为基础均可适用，均能稳定地获得具有良好抗氯离子渗透性能的混凝土。

本发明的第二个目的在于提供一种混凝土氯离子扩散系数模型的应用，通过该模型获得搅拌时间t值，进行其中振动搅拌步骤的调整，因此在任何的制备工艺中均可得到混凝土制备工艺下最优抗氯离子渗透性能的混凝土。

实现本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种混凝土氯离子扩散系数模型，混凝土氯离子扩散系数模型包括公式Ⅰ：

公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D和公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p；

其中，D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c均为常数；D_0,p为氯离子扩散系数配制值；σ_D为氯离子扩散系数的标准差。

实现本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种混凝土氯离子扩散系数模型的应用，以混凝土氯离子扩散系数模型获得t值；

混凝土氯离子扩散系数模型包括公式Ⅰ：

公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D和公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p；

其中，D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c为常数；D_0,p为氯离子扩散系数配制值；σ_D为氯离子扩散系数的标准差；

在混凝土的制备过程中，以t作为时间条件下，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土。

进一步地，包括步骤：

S1：获得至少三组不同振动搅拌时间条件下制备的混凝土氯离子扩散系数，根据二阶多项式回归数学模型，得到公式Ⅰ：

D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c均为常数；

S2：根据公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D计算氯离子扩散系数配制值D_0,p，σ_D为氯离子扩散系数的标准差；

S3：根据公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p计算t值；

S4：在混凝土的制备过程中，以t作为时间条件下，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土。

进一步地，D₀’为振动搅拌后的混凝土养护28d龄期的氯离子扩散系数上限值。

进一步地，S1中，至少三组不同振动搅拌时间条件为55-185s。

进一步地，S1中，制备的混凝土试件尺寸为Φ100mm×200mm。

进一步地，S1中，依据初始的混凝土配合比得到初始的混凝土氯离子扩散系数上限值D₀。

进一步地，S2中，σ_D＝δ_DD₀，δ_D为氯离子扩散系数的变异系数。

进一步地，S3中，若计算不能得到t值，则提升混凝土抗压强度5-10MPa并依据抗压强度调整混凝土的成分，重复步骤S1和S3，至得到t值。

进一步地，S1和S4中，振动搅拌的条件为：以容量为60L双轴14叶片搅拌机对混凝土混合料进行振动搅拌；搅拌机的振动输入功率为3KW、搅拌功率为4KW。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明混凝土氯离子扩散系数模型将混凝土制备过程中的振动搅拌时间和混凝土氯离子扩散系数模型化，使用该模型获得定量数据，用于混凝土制备过程中的振动搅拌调整，保证在任何的制备工艺中，均能稳定地获得具有良好抗氯离子渗透性能的混凝土；

2、本发明混凝土氯离子扩散系数模型结合耐久性设计混凝土氯离子扩散系数上限值，可通过振动搅拌时间t的变化，定量化调整混凝土氯离子扩散系数上限值，从而达到满足耐久性设计要求；将复杂的混凝土制备工艺振动搅拌过程模型化，大大简化了制备工艺中混凝土混合料的匀质性与离析性相互作用的复杂过程；

3、本发明混凝土氯离子扩散系数模型的应用，可以任何的混凝土制备工艺为基础，通过该模型获得搅拌时间t值，进行其中振动搅拌步骤的调整，因此在任何的制备工艺中均可得到混凝土制备工艺下最优抗氯离子渗透性能的混凝土；

4、本发明混凝土氯离子扩散系数模型的应用可以以任何的混凝土原料配合比为基础，通过混凝土氯离子扩散系数模型，定量化设计制备参数，得到满足抗氯离子渗透性能的混凝土，改变了传统方式仅通过提升混凝土抗压强度等级，达到满足混凝土抗氯离子渗透性能设计值要求做法，提高制备工艺效率；

5、本发明混凝土氯离子扩散系数模型的应用不仅能够满足混凝土承载力及耐久性设计要求，且减小了混凝土强度富裕系数，减少了工程资金投入，节约了资源。

附图说明

图1为具体实施方式的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

一种混凝土氯离子扩散系数模型，包括公式Ⅰ：

公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D和公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p；

其中，D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c均为常数；D_0,p为氯离子扩散系数配制值；σ_D为氯离子扩散系数的标准差。

混凝土氯离子扩散系数模型的应用，流程图如图1所示，包括步骤：

S0：根据设计要求，设置初始的混凝土配合比得到初始的混凝土氯离子扩散系数上限值D₀；

S1：设置时间55-185s内，获得至少三组不同振动搅拌时间条件下制备的混凝土氯离子扩散系数，根据二阶多项式回归数学模型，拟合振动搅拌时间-混凝土氯离子扩散系数模型，得到公式Ⅰ：

成型尺寸为Φ100mm×200mm的试件1d后拆模，移至标准养护箱(温度20±2℃、湿度≥95％)，养护至28d龄期，采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082-2009)中快速氯离子迁移系数法(简称RCM法)，检测D₀’；

D₀为依据初始的混凝土配合比得到初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；

t为振动搅拌时间；

a、b、c均为常数；

S2：根据公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D结合《海港工程混凝土材料与结构耐久性定量设计规范》(DB 45/T 1828-2018)计算氯离子扩散系数配制值D_0,p，σ_D为氯离子扩散系数的标准差，σ_D＝δ_DD₀，δ_D为氯离子扩散系数的变异系数；

S3：根据公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p计算t值；若计算不能得到t值，则提升混凝土抗压强度5-10MPa并依据抗压强度调整混凝土的成分，重复步骤S1和S3，至得到t值；

S4：在混凝土的制备过程中，兼顾经济性基础，选择t值范围内的最小值；以t作为时间条件下，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土；

S1和S4中，振动搅拌的条件为：以容量为60L双轴14叶片搅拌机对混凝土混合料进行振动搅拌；搅拌机的振动输入功率为3KW、搅拌功率为4KW；将搅拌和振动结合到混凝土制备过程，通过附加振源带动搅拌机轴及叶片振动，轴及叶片带动微颗粒振动位移，提升物料在搅拌过程中循环能力、颗粒之间碰撞次数等，使混凝土达到宏观及微观匀质状态；且搅拌机的振动波类似于地震波，离振源越近，振动越强，此种振动方式与搅拌低效率形成互补，从而达到消除搅拌低效率区目的。

混凝土制备工艺中的振动搅拌过程是匀质性与离析性相互作用的复杂过程，振动搅拌时间对混凝土的流动性、密实度、强度、含气量即抗冻性能、抗压强度、抗氯离子渗透性能等均有复杂的作用，本技术可以大大简化了制备工艺中混凝土混合料的匀质性与离析性相互作用的复杂过程。

实施例1：

混凝土氯离子扩散系数模型的应用，包括步骤：

S0：根据某高速公路工程桥墩设计文件要求，混凝土强度等级为C30，依据如表格1所示的初始混凝土配合比得到初始的混凝土氯离子扩散系数上限值D₀＝9.75×10^-12m²/s；

表格1初始的混凝土配合比(kg/m³)

强度等级	水	水泥	粉煤灰	矿粉	砂	石	减水剂
								C30	166	270	77	39	739	1064	3.86

其中水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；矿粉为S95级矿渣粉；砂为Ⅱ区中砂；石为5-20mm连续级配碎石；

S1：设置时间内，获得五组混凝土氯离子扩散系数如表格2所示，根据二阶多项式回归数学模型，拟合振动搅拌时间-混凝土氯离子扩散系数模型，得到公式Ⅰ：

表格2搅拌振动时间-混凝土氯离子扩散系数数据

成型尺寸为Φ100mm×200mm的试件1d后拆模，移至标准养护箱(温度20±2℃、湿度≥95％)，养护至28d龄期，采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082-2009)中快速氯离子迁移系数法(简称RCM法)，检测D₀’；

t为振动搅拌时间；

S2：根据公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D结合《海港工程混凝土材料与结构耐久性定量设计规范》(DB 45/T 1828-2018)计算氯离子扩散系数配制值D_0,p，σ_D为氯离子扩散系数的标准差，σ_D＝δ_DD₀，δ_D为氯离子扩散系数的变异系数＝0.15；

即D_0,p≤9.75×10^-12-1.645×0.15×9.75×10^-12，D_0,p≈7.34×10^-12m²/s；

S3：根据公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p计算t值；可知振动搅拌时间110-170s之间，符合D₀’≤D_0,p；

S4：在混凝土的制备过程中，兼顾经济性基础，以t＝110s，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土；t＝110s时，D₀’＝7.26×10^-12m²/s；

S1和S4中，振动搅拌的条件为：以容量为60L双轴14叶片搅拌机对混凝土混合料进行振动搅拌；搅拌机的振动输入功率为3KW、搅拌功率为4KW。

实施例2：

混凝土氯离子扩散系数模型的应用，包括步骤：

S0：根据某高速公路工程护栏设计文件要求，混凝土强度等级为C34，依据如表格3所示的初始混凝土配合比得到初始的混凝土氯离子扩散系数上限值D₀＝7.17×10^-12m²/s；

表格3初始的混凝土配合比(kg/m³)

强度等级	水	水泥	粉煤灰	矿粉	砂	石	减水剂
								C40	161	336	66	35	733	1055	4.81

其中水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；矿粉为S95级矿渣粉；砂为Ⅱ区中砂；石为5-20mm连续级配碎石；

S1：设置时间内，获得五组混凝土氯离子扩散系数如表格4所示，根据二阶多项式回归数学模型，拟合振动搅拌时间-混凝土氯离子扩散系数模型，得到公式Ⅰ：

表格4搅拌振动时间-混凝土氯离子扩散系数数据

成型尺寸为Φ100mm×200mm的试件1d后拆模，移至标准养护箱(温度20±2℃、湿度≥95％)，养护至28d龄期，采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082-2009)中快速氯离子迁移系数法(简称RCM法)，检测D₀’；

t为振动搅拌时间；

S2：根据公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D结合《海港工程混凝土材料与结构耐久性定量设计规范》(DB 45/T 1828-2018)计算氯离子扩散系数配制值D_0,p，σ_D为氯离子扩散系数的标准差，σ_D＝δ_DD₀，δ_D为氯离子扩散系数的变异系数＝0.15；

即D_0,p≤7.17×10^-12-1.645×0.15×7.17×10^-12，D_0,p≈5.4×10^-12m²/s；

S3：根据公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p计算t值；可知振动搅拌时间60-180s之间，D₀’＞D_0,p，不满足要求，则提升混凝土抗压强度5MPa并依据抗压强度调整混凝土的成分，如表格5所示：

表格5调整的混凝土配合比(kg/m³)

强度等级	水	水泥	粉煤灰	矿粉	砂	石	减水剂
								C40	160	299	95	63	621	1152	5.03

重复步骤S1和S3：

获得五组混凝土氯离子扩散系数如表格6所示：

表格6搅拌振动时间-混凝土氯离子扩散系数数据

得到公式Ⅰ：

根据公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p计算t值；可知振动搅拌时间130-180s之间，符合D₀’≤D_0,p；

S4：在混凝土的制备过程中，兼顾经济性基础，以t＝130s，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土；t＝130s时，D₀’＝5.36×10^-12m²/s；

S1和S4中，振动搅拌的条件为：以容量为60L双轴14叶片搅拌机对混凝土混合料进行振动搅拌；搅拌机的振动输入功率为3KW、搅拌功率为4KW。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土氯离子扩散系数模型，其特征在于，所述混凝土氯离子扩散系数模型包括公式Ⅰ：

公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D和公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p；

其中，D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c均为常数；D_0,p为氯离子扩散系数配制值；σ_D为氯离子扩散系数的标准差。

2.一种混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，以混凝土氯离子扩散系数模型获得t值；

所述混凝土氯离子扩散系数模型包括公式Ⅰ：

公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D和公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p；

其中，D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c为常数；D_0,p为氯离子扩散系数配制值；σ_D为氯离子扩散系数的标准差；

在混凝土的制备过程中，以t作为时间条件下，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土。

3.如权利要求2所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于包括步骤：

S1：获得至少三组不同振动搅拌时间条件下制备的混凝土氯离子扩散系数，根据二阶多项式回归数学模型，得到公式Ⅰ：

D₀’为振动搅拌后的混凝土氯离子扩散系数上限值；D₀为初始的混凝土氯离子扩散系数上限值；t为振动搅拌时间；a、b、c均为常数；

S2：根据公式Ⅱ：D_0,p≤D₀-1.645σ_D计算氯离子扩散系数配制值D_0,p，σ_D为氯离子扩散系数的标准差；

S3：根据公式Ⅲ：D₀’≤D_0,p计算t值；

S4：在混凝土的制备过程中，以t作为时间条件下，对混凝土混合料进行振动搅拌，得到最优抗氯离子渗透性能的混凝土。

4.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，D₀’为振动搅拌后的混凝土养护28d龄期的氯离子扩散系数上限值。

5.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，S1中，至少三组不同振动搅拌时间条件为55-185s。

6.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，S1中，制备的混凝土试件尺寸为Φ100mm×200mm。

7.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，S1中，依据初始的混凝土配合比得到初始的混凝土氯离子扩散系数上限值D₀。

8.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，S2中，σ_D＝δ_DD₀，δ_D为氯离子扩散系数的变异系数。

9.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，S3中，若计算不能得到t值，则提升混凝土抗压强度5-10MPa并依据抗压强度调整混凝土的成分，重复步骤S1和S3，至得到t值。

10.如权利要求3所述的混凝土氯离子扩散系数模型的应用，其特征在于，S1和S4中，振动搅拌的条件为：以容量为60L双轴14叶片搅拌机对混凝土混合料进行振动搅拌；搅拌机的振动输入功率为3KW、搅拌功率为4KW。

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