基于砂浆搅拌过程图像的自密实混凝土配合比阶梯搜索方法

1.本发明属于混凝土施工技术领域，特别涉及一种基于砂浆搅拌过程图像的自密实混凝土配合比阶梯搜索方法。
技术背景
2.自密实混凝土是一种能够不经振捣而依靠自身重力自行充满模板并包裹钢筋，且不离析、不泌水的高性能混凝土。自密实混凝土的配合比设计尤为重要，常见的自密实混凝土配合比设计方法为：结合设计目标根据工程经验反复调整混凝土的材料成分比例，然后搅拌测试混凝土的工作性能直至获得满足各项性能要求的自密实混凝土。该种方法具有一定盲目性，试验工作量大，浪费材料和人工成本。另一种方法是从流变学的角度出发，根据砂浆的流变特性预测混凝土的工作性能，该种方法需要进行大量砂浆试验。砂浆试验需要做扩展度试验和v型漏斗试验，以判断砂浆的流动性和粘性适度满足要求。砂浆试验需要更多的试验材料，试验过程工作量更大，需要多次调整。以上方法都具有试验工作量大，配合比设计效率低的缺点。


技术实现要素：

3.针对现有技术问题，本发明提供了基于砂浆搅拌过程图像的自密实混凝土配合比阶梯搜索方法，该方法通过逐级增加水活外加剂的方法，通过一次试验即可获得自密实混凝土配合比，不需要砂浆扩展度试验、砂浆v漏斗试验及多次混凝土试验，能够大大提高自密实混凝土的配合比设计效率，有效减少试验材料和人工成本。
4.为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
5.基于砂浆搅拌过程图像的自密实混凝土配合比阶梯搜索方法，包括以下步骤：
6.步骤1，在搅拌机旁架设图像采集和处理装置，通过图像采集和处理装置实时采集和处理搅拌过程中的砂浆的图像信息，所述图像信息为砂浆在搅拌锅中的形状参数δh，停止搅拌后恢复砂浆液面水平所需的时间δt；
7.步骤2，根据砂浆的图像信息获取砂浆的流动参数，且所述砂浆的流动参数为砂浆的坍落扩展度sf和砂浆通过v型漏斗的时间v
t
，建立砂浆的坍落扩展度 sf与砂浆在搅拌锅中的形状参数δh之间的关系：公式1：sf＝f(δh)
8.建立砂浆通过v型漏斗的时间v
t
与停止搅拌后恢复砂浆液面水平所需的时间δt之间的关系：
9.公式2：v
t
＝g(δt)
10.步骤3，根据砂浆的流动参数计算并确定其流变特性，所述流变特性为砂浆屈服强度和砂浆粘度，其中，砂浆粘度以砂浆通过v型漏斗的时间v
t
表征，砂浆屈服强度计算方法如下：
11.公式3：
12.式中τ
mortar
表示砂浆屈服强度，ρ
mortar
表示砂浆的表观密度，g表示重力加速度，v
cone
表示砂浆坍落度筒内所装砂浆的体积，sf表示砂浆扩展度；
13.步骤4，根据预先确定的砂石骨料特征，计算砂浆的流变阈值：
14.公式4：
15.式中ρ
mortar
表示砂浆的表观密度，g表示重力加速度，δ
mortar
表示砂浆膜厚， a、b为与石子粒形有关的参数，a取9.68，b取4.36，τ
mortar,threshold
表示砂浆的屈服强度阈值；
16.将砂浆的流变特性与流变阈值进行比较，若砂浆的流动参数值满足流变阈值要求，
17.公式8：τ
mortar
≤τ
mortar,threshold
18.公式9：v
t
≥4
19.则进行混凝土试配，便获得满足自密实混凝土规范要求的混凝土；
20.步骤5，若砂浆的流动参数值不满足流变阈值要求，则按照向砂浆搅拌锅中添加水或外加剂，重复步骤1-4，直到得到满足自密实混凝土要求的砂浆。
21.作为改进的是，步骤1中所述砂浆包括砂、粉体、水和外加剂，且所述粉体为水泥，或水泥与石粉、粉媒灰、矿渣中的一种或多种的组合而成。
22.作为改进的是，步骤4中公式4中δ
mortar
可根据公式7试算得到：
23.公式7：
24.式中，vs和v
exc
分别表示单位体积内混凝土中石子的绝对体积含量和剩余砂浆积含量；v
void
表示石子松散堆积的空隙体积，根据膜厚理论，空隙体积v
void
与剩余砂砂浆积v
exc
之和为混凝土中砂浆的总体积；di表示第i级石子的筛分粒径， ai％表示第i级石子的质量百分比；粒径分布在4.75mm到10mm的筛分粒径为
25.作为改进的是，步骤5中向砂浆搅拌锅中添加水或外加剂按照交替添加或连续多次添加水或外加剂后，再根据加入水和外加剂的量计算当前水粉比和外加剂的掺量。
26.进一步改进的是，计算当前水粉比和外加剂的产量，具体方法如下：
27.当前的体积水粉比：
28.公式5：
29.vw为加水之前的水的体积，δvw为加入水的体积，v
p
为粉体体积；
30.计算当前的外加剂百分比：
31.公式6：
32.式中m
sp
为加外加剂之前的外加剂的质量，δm
sp
为加入的外加剂的质量，m
p
为粉体质量。
33.有益效果：
34.与现有技术相比，本发明基于砂浆搅拌过程图像的自密实混凝土配合比阶梯搜索方法，通过不断增加水或外加剂的方法，实现一次试验即可获得自密实混凝土配合比的目的，不需要进行砂浆扩展度试验和砂浆v漏斗试验，减少了试验材料浪费和试验垃圾的形
成，能够显著提高自密实混凝土配合比设计的效率，自动化程度较高，操作简单、易于上手。
附图说明
35.图1为本发明步骤1中砂浆搅拌过程图像采集和处理装置的示意图；
36.图2为搅拌过程中及停机后砂浆在锅中分布及形状示意图；
37.图3为阶梯式搜索自密实混凝土配合比的示意图；
38.图4为本发明基于砂浆搅拌过程图像的自密实混凝土配合比阶梯搜索方法的流程图。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的适用范围与应用。
40.步骤1，利用设备在砂浆搅拌过程中实时采集砂浆的图像信息
41.在搅拌机旁架设图像采集和处理装置，通过图像采集和处理装置实时采集和处理搅拌过程中的砂浆的图像信息，所述的砂浆包括砂、粉体、水和外加剂(减水剂)，其中粉体包括水泥、石粉、粉媒灰以及矿渣等粉体；所述的图像信息包括砂浆在搅拌锅中的形状和分布位置。
42.图像采集和处理装置包括如摄像机、照相机、红外摄像机或其它可以获取搅拌机内混凝土形状特征的设备，图1是一种图像采集和处理装置，布置可以通过三脚架支撑的形式布设在搅拌锅周围，或者布设在搅拌锅内部。在拌和过程进行的同时实时采集砂浆在搅拌机中的图像信息。具体地，图像信息包括但不限于砂浆在搅拌锅中的形状参数δh及停止搅拌后恢复砂浆液面水平所需的时间δt，如图2所示。
43.步骤2，根据砂浆的图像信息获取砂浆的流动参数
44.根据砂浆的图像信息获取砂浆的流动参数，所述砂浆的流动参数包括：砂浆的坍落扩展度sf和砂浆通过v型漏斗的时间v
t
；
45.砂浆的坍落扩展度sf与砂浆在搅拌锅中的形状参数δh之间的关系：
46.公式1：sf＝f(δh)
47.砂浆通过v型漏斗的时间v
t
与停止搅拌后恢复砂浆液面水平所需的时间δt 之间的关系：
48.公式2：v
t
＝g(δt)
49.步骤3，根据砂浆流动参数计算，并确定其流变特性
50.砂浆流变特性包括：砂浆屈服强度和砂浆粘度，其中，砂浆粘度以砂浆通过 v型漏斗的时间v
t
表征，砂浆屈服强度计算方法如下：
51.砂浆的屈服强度：
52.公式3：
53.式中τ
mortar
表示砂浆屈服强度，ρ
mortar
表示砂浆的表观密度，g表示重力加速度，v
cone
表示砂浆坍落度筒内所装砂浆的体积，sf表示砂浆扩展度；
54.砂浆屈服强度阈值计算方法如下：
55.公式4：
56.式中ρ
mortar
表示砂浆的表观密度，g表示重力加速度，δ
mortar
表示砂浆膜厚， a、b为与石子粒形有关的参数，a可取9.68，b可取4.36。
57.公式4中的δ
mortar
可根据公式7试算得到：
58.公式7：
59.式中vs和v
exc
分别表示单位体积内混凝土中石子的绝对体积含量和剩余砂浆积含量；石子松散堆积的空隙体积用v
void
来表示，根据膜厚理论，空隙体积v
void
与剩余砂砂浆积v
exc
之和为混凝土中砂浆的总体积；di表示第i级石子的筛分粒径，ai％表示第i级石子的质量百分比；粒径分布在4.75mm到10mm的筛分粒径为
60.步骤4，根据砂浆的流动特性预测并判断对应的混凝土的扩展度值和通过v 漏斗的时间是否满足要求
61.由于满足工作性能要求的混凝土，对应一定的砂浆流变特性，所以只要砂浆满足如下的流变特性，就可以配制出工作性能满足要求的自密实混凝土。
62.公式8：τ
mortar
≤τ
mortar,threshold
63.公式9：v
t
≥4
64.步骤5，如砂浆的流动参数不满足流变阈值要求，往砂浆搅拌锅中添加一定量水或外加剂，一般添加水量使得水粉比增大0.05％左右，添加减水剂使得减水剂掺量增大0.1％左右，然后重复步骤1-4，如图3所示，直到得到满足工作性能要求的混凝土。
65.所述的添加水或者外加剂的顺序不固定，可以是交替添加也可以连续多次添加同一种成分。
66.在本实例选择先添加水再添加外加剂的交替添加方式，根据加入的水和外加剂的量计算当前水粉比和减水剂掺量百分比。
67.(1)根据公式5：计算当前的体积水粉比，其中vw为加水之前的水的体积，δvw为加入水的体积，vp为粉体体积。
68.(2)根据公式6：计算当前的减水剂产量百分比，其中msp 为加外加剂之前的外加剂的质量，δmsp为加入的外加剂的质量，mp为粉体质量。
69.如果砂浆性能满足砂浆特性要求，则当前水粉比和外加剂掺量即为配合比对应的水粉比和外加剂掺量。