一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，属于水泥基材料【技术领域】。本发明的混凝土为水泥净浆、砂、石三相材料组成的复合材料，研究混凝土中的组分材料如水泥净浆与砂、石的相关性能对混凝土热膨胀系数的影响，以及温度变化时，水泥净浆与砂、石之间的相互作用及变形特点对混凝土热膨胀系数的影响，根据水泥净浆、砂、石的热膨胀系数、体积分数及体积模量预测混凝土的热膨胀系数，建立混凝土热膨胀系数的预测模型。本发明考虑了混凝土的组分材料及相对组成对混凝土热膨胀系数的影响，可根据组分材料的热膨胀系数、体积分数和体积模量，方便准确的预测混凝土的热膨胀系数。
【专利说明】一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，属于水泥基材料技术领 域。
【背景技术】
[0002] 热膨胀系数是混凝土的主要热物理特性参数之一，也是其体积稳定性的重要表征 参数。在实际工程中，由于水化热引起的温度变形是导致混凝土结构开裂的主要原因之一， 尤其是对于大体积混凝土结构。热膨胀系数直接决定了温度变形的大小，解决混凝土温度 开裂问题的关键之一就是热膨胀系数的确定。
[0003]目前对于混凝土热膨胀系数的取值，通常近似采用固定值，而实际上混凝土的热 膨胀系数受到多种因素影响，如配合比、粗、细骨料种类等。对不同工况下混凝土热膨胀系 数的研究，现阶段多通过试验方法进行，但混凝土热膨胀系数测试所需试验仪器专业性强， 试验操作过程复杂，试验费用较高，而且试验结果还受到原材料、配合比、环境条件及试验 人员操作技术等影响，往往得到的热膨胀系数离散性较大，推广性不够。因此，探索一种既 实用又合理的混凝土热膨胀系数预测模型，对于控制混凝土结构温度开裂及进行开裂评价 具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，本发明提供了一种 混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，基于细观角度，研究混凝土不同组分材料的性能 及彼此之间相互作用对混凝土热膨胀系数的影响，根据混凝土组分材料的各性能参数直接 预测混凝土的热膨胀系数，为混凝土结构温度裂缝的控制提供可靠参数。
[0005] 为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：
[0006] 一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：包括以下步骤，
[0007] 步骤（A)，建立混凝土热膨胀系数的混合律模型：
[0008] 混凝土的温度变化时，忽略水泥净浆和砂、石之间的相互作用，各相均独立变形， 根据混合律模型计算混凝土的热膨胀系数，
[0009] a cl = a cpfcp+ a sfs+ a gfg (1)
[0010] 式（1)中，a 为按混合律模型计算出的混凝土的热膨胀系数，a ep、a s、a g分别 为水泥净浆、砂和石的热膨胀系数，fcp> fs和fg分别为水泥净浆、砂和石在混凝土中所占的 体积分数；
[0011] 步骤（B)、建立混凝土热膨胀系数的Turner模型：
[0012] 混凝土的温度变化时，水泥净浆与砂、石承受均匀的静水应力并呈均匀变形，根据 Turner模型计算混凝土的热膨胀系数， 「 ?acpfq>Kcp +aJlKs+agfgKg m、
[0013] α..7=^^1-^............... ￡.....................^..............⑵ f , + fK, + fKy J (-p ip J a s J g g
[0014] 式（2)中，α。2为按Turner模型计算出的混凝土的热膨胀系数，Kep、Ks和K g分别 为水泥净浆、砂和石的体积模量；
[0015] 步骤（C)、建立混凝土热膨胀系数的预测模型：
[0016] 实际中混凝土的组分材料水泥净浆与砂、石之间存在相互作用，且变形相互约束， 介于步骤（A)、(B)所述两种情况之间，以步骤（A)、(B)中所述的两种模型为基础，建立混凝 土热膨胀系数的预测模型，如下，
[0017] a c = λ ： a cl+ λ 2 a c2 (3)
[0018]即ac=h{^cpfcp + a丄 + ajz)+V.......-: _ (4) JcpK,p ^JgKg
[0019] 式（3)和式（4)中，α。为预测得到的混凝土的热膨胀系数，λ。λ 2为组合系数， 且λ 1+ λ 2 = 1，λ i和λ 2分别表示按混合律模型和Turner模型计算的混凝土热膨胀系数 对预测的实际情况下混凝土的热膨胀系数的贡献程度。
[0020] 前述的一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：混凝土为水泥 净浆、砂、石组成的三相复合材料。
[0021] 前述的一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：步骤（C)中，水 泥净浆与砂、石之间存在相互作用且变形相互约束，组合系数分别取λ:= λ2 = 0.5，混凝 土的热膨胀系数按下式直接预测得到，
[0022] % =0.5(^4 +ajs +agfg)+05·^^.......? ⑶ J cp cp j Λ Λ j g g
[0023] 该混凝土热膨胀系数的预测模型综合考虑了混凝土中水泥净浆的热膨胀系数、砂 的热膨胀系数、石的热膨胀系数、水泥净浆的体积模量、砂的体积模量、石的体积模量、水泥 净浆的体积分数、砂的体积分数以及石的体积分数对混凝土热膨胀系数的影响，并综合考 虑了水泥净浆和砂、石之间的相互作用及相互变形约束对混凝土热膨胀系数的影响。
[0024] 本发明的有益效果：本发明提供的一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法， 其中混凝土为由水泥净浆和砂、石组成的三相复合材料，考虑了水泥净浆与砂、石之间的相 互作用及变形约束对混凝土的热膨胀系数的影响，根据水泥净浆和砂、石的热膨胀系数、体 积分数及体积模量，即可预测得到混凝土的热膨胀系数。本发明从细观层次出发，研究水泥 净浆与砂、石的性能、彼此之间的相互作用及变形特点对混凝土热膨胀系数的影响，建立一 种既实用经济又能正确预测混凝土热膨胀系数的计算模型，通过本发明方法，可以比较方 便的得到混凝土的热膨胀系数，而不需要通过测试装置进行测试，大大节约了试验所用的 时间、人力和物力，节约了资金投入，且预测结果可靠，有利于推广应用。
【具体实施方式】
[0025] 以下对本发明的技术方案进行详细说明。
[0026] 本发明的模型构建方法按照以下步骤进行，且混凝土为水泥净浆和砂、石组成的 三相复合材料，在此基础上执行以下步骤：
[0027] 步骤（A)，建立混凝土热膨胀系数的混合律模型：
[0028] 混凝土的温度变化时，假设一种理想状态，忽略水泥净浆和砂、石之间的相互作 用，且认为各相均独立变形，根据混合律模型计算混凝土的热膨胀系数，
[0029] a cl = a cpfcp+ a sfs+ a gfg (1)
[0030] 式（1)中，a 为按混合律模型计算出的混凝土的热膨胀系数，α a s、a g分别 为水泥净浆、砂和石的热膨胀系数，fcp> fs和fg分别为水泥净浆、砂和石在混凝土中所占的 体积分数；
[0031] 步骤（B)、建立混凝土热膨胀系数的Turner模型：
[0032] 混凝土的温度变化时，假设理想状态为，水泥净浆与砂、石承受均匀的静水应力并 呈均匀变形，根据Turner模型计算混凝土的热膨胀系数，
[0033] ?￡Ζ = ^mm 古,mm, mm,^m··^mm ^ ^ JcjAq, +JgKg
[0034] 式（2)中，α。2为按Turner模型计算出的混凝土的热膨胀系数，Kep、Ks和K g分别 为水泥净浆、砂和石的体积模量；
[0035] 步骤（C)、建立混凝土热膨胀系数的预测模型：
[0036] 实际中混凝土的组分材料水泥净浆与砂、石之间存在相互作用，且变形相互约束， 介于步骤（A)、(B)所述两种情况之间，以步骤（A)、(B)中所述的两种模型为基础，建立混凝 土热膨胀系数的预测模型，如下，
[0037] a c = λ ! a cl+ λ 2 a c2 (3) ,/ . . ，αΗΧβΚ +aJ]Ks ^afK
[0038] gp ac +asfs +agfg)+L· -'^；；s(4)
[0039] 式⑶和式⑷中，a。为预测得到的混凝土的热膨胀系数，λ ρ λ 2为组合系数， 且λ 1+ λ 2 = 1，λ i和λ 2分别表示按混合律模型和Turner模型计算的混凝土热膨胀系数 对预测的实际情况下混凝土的热膨胀系数的贡献程度。
[0040] 一般，水泥净浆与砂、石之间存在相互作用且变形相互约束，组合系数分别取入i =λ2 = 0.5，因此步骤（C)中混凝土的热膨胀系数按下式直接预测得到， / , , \ . a aU Λ-?, ?Κ, + ci.t /"Α
[0041 ] ar = 0.5 a, L· +β f + a.，f\) + 0,5 * cp. (5) l wr ?」 e \ fp< f fp ^·- ^ / f W \ -f W \ 4' kr +Λ^ι +ΛΛ^
[0042] 该混凝土的热膨胀系数预测模型综合考虑了混凝土中水泥净浆的热膨胀系数、砂 的热膨胀系数、石的热膨胀系数、水泥净浆的体积模量、砂的体积模量、石的体积模量、水泥 净浆的体积分数、砂的体积分数及石的体积分数对混凝土热膨胀系数的影响，并结合实际 情况综合考虑水泥净浆和砂、石之间的相互作用及变形特点对混凝土热膨胀系数的影响， 更贴合于实际应用情况。
[0043] 为了验证本发明的预测效果，进行了以下试验验证：
[0044] 试验米用自制装置进行。试件尺寸为lOOmmX lOOmmX 500mm,烧筑完毕后迅速将 试件搬入标准养护室内进行养护，养护至28天时测量热膨胀系数。水泥采用普通硅酸盐 水泥，砂采用河砂，石采用花岗岩，质量配合比（水：水泥：砂：石）为0.48:1:1. 37:2. 54， 各组分的密度取常用数值，分别为1000kg/m3(水)、3150kg/m3(水泥）、1400kg/m 3(砂)、 2640kg/m3(石），体积分数根据质量与密度的比值换算得到。水泥净浆、河砂、花岗岩及混 凝土的热膨胀系数均通过试验测得，分别为14.6X10_6/°C、7.5X10_6/°C、6.2X10_ 6/°C、
【权利要求】
1. 一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：包括以下步骤， 步骤（A)，建立混凝土热膨胀系数的混合律模型： 混凝土的温度变化时，忽略水泥净浆和砂、石之间的相互作用，各相均独立变形，根据 混合律模型计算混凝土的热膨胀系数， α cl = α cpfcp+ αsfs+ α gfg (1) 式⑴中，为按混合律模型计算出的混凝土的热膨胀系数，αφ、as、别为水 泥净浆、砂和石的热膨胀系数，fcp> fs和fg分别为水泥净浆、砂和石在混凝土中所占的体积 分数； 步骤（B)、建立混凝土热膨胀系数的Turner模型： 混凝土的温度变化时，水泥净浆与砂、石承受均匀的静水应力并呈均匀变形，根据 Turner模型计算混凝土的热膨胀系数， ^ 'P 、J、 ' ^ (?) 、鑛 / fJ^fsK,fgKs 式⑵中，0。2为按1\1111虹模型计算出的混凝土的热膨胀系数，1(。1)、1(3和1( 8分别为水 泥净浆、砂和石的体积模量； 步骤（C)、建立混凝土热膨胀系数的预测模型： 实际中混凝土的组分材料水泥净浆与砂、石之间存在相互作用，且变形相互约束，介于 步骤㈧、⑶所述两种情况之间，以步骤㈧、⑶中所述的两种模型为基础，建立混凝土热 膨胀系数的预测模型，如下， Q c = λ 1 Q cl+ λ 2 Q c2 (3) 曰η Γ/ - 1 f ] fy f ] η f ^ ι 1 αψ·^ν^<-ρ +ai.fs^-s +agfg^g f λ\ 即 ?, - ψ(ρ?ψ + α,Λ + aJg )+α7--ΤΙ^?Τκ^+Τκ--) -/ i 'p Cp j Λ' Λ' J g g 式⑶和式⑷中，α。为预测得到的混凝土的热膨胀系数，λ。λ 2为组合系数，且 λ 1+ λ 2 = 1，λ i和λ 2分别表示按混合律模型和Turner模型计算的混凝土热膨胀系数对 预测的实际情况下混凝土热膨胀系数的贡献程度。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于： 混凝土为水泥净浆、砂、石组成的三相复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于： 步骤（C)中，水泥净浆与砂、石之间存在相互作用且变形相互约束，组合系数分别取= λ 2 = 0. 5，混凝土的热膨胀系数按下式直接预测得到， n ri r r r \ η ? +asJs^x + ^ j K ac =0.5 a / +a f +ajv +0.5--------广 ' L (5)
【文档编号】G01N25/16GK104050387SQ201410304857
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】曹秀丽 申请人:南京工程学院