一种水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种水泥砂浆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】。本发明的水泥砂浆为水泥净浆和砂组成的复合材料，研究水泥砂浆中的组分材料如水泥净浆和砂的相关性能对水泥砂浆的热膨胀系数的影响，以及温度变化时水泥净浆和砂之间的相互作用及变形特点对热膨胀系数的影响，根据水泥净浆和砂的体积分数、热膨胀系数及体积模量预测水泥砂浆的热膨胀系数，建立水泥砂浆热膨胀系数的预测模型。本发明考虑了水泥砂浆的组分及组成对水泥砂浆热膨胀系数的影响，可根据组分材料的热膨胀系数、体积分数和体积模量，方便准确的预测水泥砂浆的热膨胀系数。
【专利说明】一种水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水泥砂浆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] 热膨胀系数是水泥基材料最基本和最重要的热物理特性参数之一，热膨胀系数直 接决定了温度变形大小。在混凝土中，水泥砂浆和粗骨料具有不同的热膨胀系数。当温度 变化时，由于水泥砂浆与粗骨料之间的热膨胀系数差异，水泥砂浆与粗骨料会产生不协调 的温度变形，并导致混凝土产生内应力，在界面上产生许多微裂缝，严重时甚至引起混凝土 结构的破坏。因此，研究水泥砂浆的热膨胀系数取值，是优化混凝土材料设计、有效减小内 应力对混凝土结构危害的基础。
[0003] 传统对水泥砂浆热膨胀系数的研究，多通过试验方法进行，但水泥砂浆热膨胀系 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。
【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 水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法，基于细观角度，研究水泥砂浆内组分材料的性 能及彼此之间相互作用对水泥砂浆的热膨胀系数的影响，根据水泥砂浆组分材料的各性能 参数直接预测水泥砂浆的热膨胀系数，为优化混凝土材料设计提供可靠参数。
[0005] 为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：
[0006] 一种水泥砂浆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)，建立在水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间完全无粘结状态的混合 律模型，水泥净浆和砂独立变形，以水泥净浆为基体，砂为夹杂，并根据混合律模型计算水 泥砂浆的热膨胀系数，
[0008] aM1 = acpfcp+asfs (1)
[0009] 式（1)中，a M1为按混合律模型计算出的水泥砂浆的热膨胀系数，α φ和a s分别 为水泥净浆和砂的热膨胀系数，〖。。和fs分别为水泥净浆和砂在水泥砂浆中所占的体积分 数；
[0010] 步骤（B)、建立在水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间完全粘结状态的Turner 模型，水泥净浆与砂具有相同的变形，以水泥净浆为基体，砂为夹杂，并根据Turner模型计 算水泥砂浆的热膨胀系数， 「 ， a fq,KLp+a丄K、
[0011] ain= 111 ~ (2) JcpKcp + ./人
[0012] 式⑵中，a M2为按Turner模型计算出的水泥砂浆的热膨胀系数，KeI^PKs分别为 水泥净浆和砂的体积模量；
[0013] 步骤（C)、建立水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间部分粘结状态的预测模 型，水泥砂浆的热膨胀系数介于水泥净浆与砂完全无粘结、完全粘结两种情况之间，以步骤 (A)、（B)中所述的两种模型为基础，建立水泥砂浆的热膨胀系数的预测模型，如下，
[0014] α μ = λ ! α Μ1+ λ 2 α Ε (3)
[0015] 将式(1)、(2)代入到式(3)中，即得到， ο ( r aCp jcpKcp + asjsKs 广
[0016] αΜ=λΙ ψφ?φ +?,Λ) + Λ· \ ~ JcpKcp +/人
[0017] 式（3)和式（4)中，dM为水泥净浆与砂部分粘结时水泥砂浆的热膨胀系数，λ ρ 入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模型计算的水 泥砂浆热膨胀系数对预测的实际情况中水泥砂浆热膨胀系数的贡献程度。
[0018] 前述的水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：水泥砂浆为水泥 净浆和砂组成的二相复合材料。
[0019] 前述的水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：水泥净浆与砂之 间的部分粘结作用取完全粘结和完全无粘结的中间值，组合系数分别取λ i = λ2 = 0. 5， 步骤（C)中水泥砂浆的热膨胀系数按下式直接预测得到， r π η ,-/ ,· , ,· \ . ar α,,.>ΙρΚ,ρ f{-\
[0020] α? =0.5 [acpjcp + ajs ) + 0.5- 1 / 1-~^? 。 （ 5) . JcpKcp +JSKS
[0021] 步骤C中建立的水泥砂浆的热膨胀系数的预测模型综合考虑了水泥砂浆中水泥 净浆的热膨胀系数、砂的热膨胀系数、水泥净浆的体积模量、砂的体积模量、水泥净浆的体 积分数及砂的体积分数对水泥砂浆的热膨胀系数的影响。
[0022] 步骤C中建立的水泥砂浆的热膨胀系数的预测模型综合考虑了水泥净浆和砂之 间的部分粘结作用对水泥砂浆的热膨胀系数的影响。
[0023] 本发明的有益效果：本发明提供的一种水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方 法，其中水泥砂浆为由水泥净浆和砂组成的二相复合材料，考虑了水泥净浆与砂之间的部 分粘结作用对水泥砂浆的热膨胀系数的影响，根据水泥净浆和砂的热膨胀系数、体积分数 及体积模量，即可预测水泥砂浆的热膨胀系数。本发明从细观层次出发，研究水泥净浆与砂 的性能及彼此之间的相互作用对水泥砂浆的热膨胀系数的影响，建立一种既实用经济又能 正确预测水泥砂浆的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水泥 砂浆的热膨胀系数，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】
[0024] 以下对本发明的技术方案进行详细说明。
[0025] 本发明的模型构建方法步骤按照以下过程进行，且水泥砂浆为水泥净浆和砂组成 的二相复合材料，在此基础上执行以下步骤：
[0026] 步骤（A)，建立在水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间完全无粘结状态的混合 律模型，不考虑水泥净浆与砂之间的相互作用，即水泥净浆和砂独立变形，以水泥净浆为基 体，砂为夹杂，并根据混合律模型计算水泥砂浆的热膨胀系数，
[0027] aM1 = acpfcp+asfs ⑴
[0028] 式（1)中，a M1为按混合律模型计算出的水泥砂浆的热膨胀系数，α φ和a s分别 为水泥净浆和砂的热膨胀系数，〖。。和fs分别为水泥净浆和砂在水泥砂浆中所占的体积分 数，根据水泥砂浆配合比、水泥净浆与砂的密度比计算得到；
[0029] 步骤（B)、建立在水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间完全粘结状态的Turner 模型，水泥净浆与砂具有相同的变形，以水泥净浆为基体，砂为夹杂，并根据Turner模型计 算水泥砂浆的热膨胀系数， 「 ， acpfcpKcp
[0030] aM2= 111 ~ (2) JcpKcp +JsKs
[0031] 式⑵中，a M2为按Turner模型计算出的水泥砂浆的热膨胀系数，KejPK,分别为 水泥净浆和砂的体积模量；
[0032] 步骤（C)、在实际中，水泥砂浆温度变化时，水泥净浆与砂之间是存在部分粘结作 用的，水泥砂浆的热膨胀系数介于水泥净浆与砂完全粘结、完全无粘结两种情况之间，以步 骤（A)、（B)中所述的两种模型为基础，建立水泥砂浆的热膨胀系数的预测模型，如下，
[0033] α μ = λ ! α Μ1+ λ 2 a Ε (3)
[0034] 将式⑴、⑵代入到式⑶中，即得到， r π ^ a(rfrrtK +asfsKs
[0035] aM = Λ \acPicP +a丄) + ^2 · ~ ： f ~ f 4) J Cp Cp j Λ Λ
[0036] 式⑶和⑷中，a Μ为水泥净浆与砂部分枯结状态时预测的水泥砂浆的热膨胀系 数，λ 2为组合系数，且λ1+λ2= 1，λ^Ρ λ 2分别表示按混合律模型和Turner模型 计算的水泥砂浆热膨胀系数对预测的实际情况中水泥砂浆热膨胀系数的贡献程度。
[0037] -般，水泥净浆与砂之间的部分粘结作用取完全粘结和完全无粘结的中间值，SP 组合系数分别取λ i = λ 2 = 0. 5，因此步骤（C)中水泥砂浆的热膨胀系数按下式直接预测 得到，
[0038] aM = 0.5(acpfcp+aJ[) + 0,5 ·+°"?'Κ'。 (5) JcpKcp +/A
[0039] 该水泥砂浆的热膨胀系数的预测模型综合考虑了水泥砂浆中水泥净浆的热膨胀 系数、砂的热膨胀系数、水泥净浆的体积模量、砂的体积模量、水泥净浆的体积分数及砂的 体积分数对水泥砂浆的热膨胀系数的影响，并结合实际情况综合考虑水泥净浆和砂之间的 部分粘结作用对水泥砂浆的热膨胀系数的影响，更贴合于实际应用情况。
[0040] 为了验证本发明的预测效果，进行了以下试验验证：
[0041] 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，质量配合比（水：水泥：砂）为1:3:6，水泥净浆与砂的密度比取1:1. 2，体 积分数根据质量与密度比计算得到。水灰比为0. 33的水泥净浆的热膨胀系数通过试验测 得，为19 X 10_6/°C，河砂的热膨胀系数为7. 5 X 10_6/°C，水泥净浆的弹性模量取20Gpa，砂的 弹性模量取35Gpa，泊松比均取0. 25，体积模量K根据弹性模量E与泊松比ν换算得到：Κ
【权利要求】
1. 一种水泥砂浆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)，建立在水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间完全无粘结状态的混合律模 型，水泥净浆和砂独立变形，以水泥净浆为基体，砂为夹杂，并根据混合律模型计算水泥砂 浆的热膨胀系数， α Ml = α cpfcp+ αsfs ⑴ 式（1)中，αΜ1为按混合律模型计算出的水泥砂浆的热膨胀系数，ac；I^P 别为水 泥净浆和砂的热膨胀系数，fcp和fs分别为水泥净浆和砂在水泥砂浆中所占的体积分数； 步骤（B)、建立在水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间完全粘结状态的Turner模 型，水泥净浆与砂具有相同的变形，以水泥净浆为基体，砂为夹杂，并根据Turner模型计算 水泥砂浆的热膨胀系数， ?人+樣 (2； Lpkcp +/sks 式⑵中，a M2为按Turner模型计算出的水泥砂浆的热膨胀系数，1^和1(3分别为水泥 净浆和砂的体积模量； 步骤（C)、建立水泥砂浆温度变化时水泥净浆与砂之间部分粘结状态的预测模型，水泥 砂浆的热膨胀系数介于水泥净浆与砂完全无粘结、完全粘结两种情况之间，以步骤（A)、(B) 中所述的两种模型为基础，建立水泥砂浆的热膨胀系数的预测模型，如下， aM= ham+haK ⑶ 即 αΜ = Λ (acpfcp + ajs ) + λ2· (4 ) J cp Lp J s s 式（3)和式（4)中，a M为水泥净浆与砂部分粘结时预测得到的水泥砂浆的热膨胀系 数，λ 2为组合系数，且λ1+λ2= 1，λ^Ρ λ 2分别表示按混合律模型和Turner模型 计算的水泥砂浆热膨胀系数对预测得到的水泥砂浆热膨胀系数的贡献程度。
2.根据权利要求1所述的水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：水 泥砂浆为水泥净浆和砂组成的二相复合材料。
3.根据权利要求1所述的水泥砂浆热膨胀系数预测模型的构建方法，其特征在于：水 泥净浆与砂之间的部分粘结作用取完全粘结和完全无粘结的中间值，组合系数分别取入工 =λ2 = 0. 5，步骤（C)中水泥砂浆的热膨胀系数按下式直接预测得到， / \ Oi.,n f.KK a w = 0.5 (acpfcp + ajs ) + 0.5 ^ (5). J cp cp J s s
【文档编号】G06F19/00GK104050385SQ201410302397
【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