一种关于喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法

文档序号:31800288发布日期:2022-10-14 18:37阅读:201来源:国知局
一种关于喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法

1.本技术属于混凝土的配制技术领域,具体涉及一种关于喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法。


背景技术:

2.再生混凝土是将废旧混凝土经过破碎、分级等一系列处理后作为骨料与水泥砂浆混合的拌合物,再生混凝土的应用不仅可以解决废弃混凝土对环境的污染,还可以在一些应用方面实现全部或部分取代天然骨料,减轻因天然骨料开采而造成的环境破坏,具有明显的社会、经济和环境效益。但是由于再生骨料密度低、孔隙多、吸水率大和压碎指标高等先天缺陷,再生混凝土能够实施应用的范畴很小;又因缺少足够的理论支持,使得其应用多集中在市政、新路铺建等工程中。为了拓展再生混凝土的应用领域,将钢纤维掺入再生混凝土中形成复合材料,显著的提高再生混凝土的强度和韧度,使钢纤维再生混凝土满足工程应用要求。
3.目前,关于钢纤维再生混凝土的性能研究很多,但是还没有适合喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法,在相关应用方面通常采用普通喷射混凝土的配合比设计方法进行设计,使用此方法配制的喷射钢纤维再生混凝土的强度与设计强度差距较大,坍落度和流动性也较差。尤其是插入钢纤维之后没有合适的配合比设计方法,一般依据配制经验进行设计,在一定程度上对混凝土的材料使用产生浪费。混凝土的配合比设计属于混凝土的材料领域问题,也是进行混凝土基本性能研究的基础。目前,由于没有确切的喷射钢纤维再生混凝土配合比设计方法,所得实验数据的缺乏参考,仅凭实施经验进行判定,很难保证混凝土的基本性能。


技术实现要素:

4.为了解决再生混凝土应用范围狭窄的问题,本技术公布了一种喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法。本技术通过对再生骨料替代率和钢纤维体积率对其配合比设计的影响研究,建立了适合喷射钢纤维再生混凝土应用特点的树胶比、单方用水量、钢纤维掺入量和砂子用量的计算公式。此方法将再生骨料的性能和取代率以及钢纤维体积率引入喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计公式中,建立了一套适合其应用场景的配合比计算方法,能够简单有效的进行混凝土的配合比设计,为喷射钢纤维再生混凝土的规范应用以及拓展应用提供依据。
5.本技术是通过以下技术路线实现的
6.一种关于喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法,包括一下步骤:
7.(1)水胶比的设计:依据规范gb/t25177-2010《混凝土用再生粗骨料》中的要求,考虑到再生骨料的品类和取代率等因素,精准计算所配制的目标混凝土的水胶比:
8.w/c=αaf
ce
/(αaαbf
ce
+f
cu,0
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.式中,w/c为混凝土的水胶比;f
cu,0
为混凝土的设计强度,根据实际应用需求及设
计规范要求进行确定;f
ce
为使用水泥的28d抗压强度;αa为水泥强度转化系数,αb为虚拟水胶比。其中αa、αb不再为普通天然骨料混凝土配合比设计中的定值,均是与再生骨料品类及取代率有关的参数,对于不同的再生骨料取代率rg的情况下,αa、αb的值随之变化,即:rg=0时,αa=0.67,αb=1.33;rg=50%时,αa=0.59,αb=1.28;rg=100%时,αa=0.58,αb=1.37。
10.(2)单方用水量的设计:根据混凝土工作性能的要求设计其坍落度、再生骨料取代率以及骨料的吸水率,单方用水量的计算方法如下:
11.mw=q
×
(0.1t+kg)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
12.kg=k[1+(ω
ra-ω
na
)
×
rg]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0013]
式中:mw为钢纤维再生骨料混凝土单方需水量;q为单方用水量与再生骨料混凝土拌合物坍落度的拟合系数;t钢纤维再生混凝土的计算的塌落度(mm);kg为与再生骨料的类型、粒径等有关的系数;ωr为再生粗骨料吸水率(%),为4.3%;ωn为天然粗骨料吸水率(%),为0.8%,其中根据普通混凝土的相关要求取值。其中,对于ⅱ类再生骨料、最大粒径不超过10mm时,根据《实用建筑材料试验手册》表4-63查得k=57.3。
[0014]
(3)水泥单方用量的设计:根据步骤(2)所得的单方用水量,可以确定所用水的体积:vw=mw/ρw,其中ρw为所用水的密度;然后根据步骤(1)中所得的水胶比,计算得出水泥的质量:mc=mw(w/c),则水泥体积vc=mc/ρc,其中ρc为水泥的密度。
[0015]
(4)钢纤维用量的设计:钢纤维用量根据钢纤维体积率进行确定,依据设计的混凝土目标弯曲强度,喷射钢纤维再生混凝土中钢纤维的用量计算公式如下:
[0016]ffim
/f
tm
=a
·vf2
+b
·vf
+c
ꢀꢀ
(4)
[0017]
式中:f
ftm
为喷射钢纤维再生骨料混凝土的目标弯曲强度;f
tm
为与喷射钢纤维再生混凝土相同配合比的素混凝土基体的弯曲强度;vf=100
×vf
,其中vf为钢纤维体积率。其中,a、b、c均为与钢纤维体积率有关的参数,通过实验可确定。当无实验数据参考时,可取a=0.125,b=0.056,c=0.98。
[0018]
(5)砂子用量体积的设计:根据步骤(4)计算得到的钢纤维体积率vf,的再生骨料取代率rg、再生骨料的用量体积vr、天然骨料的用量体积vn可以确定砂子的用量体积与再生骨料、天然骨料之间的关系,计算方法如下:
[0019]vs
=γ
×
(vn×
pn+vr×
pr+vf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0020][0021]
式中:vs、vn、vr、vf分别为每立方混凝土中砂、天然骨料、再生骨料、钢纤维体积;γ为砂浆富裕系数,是砂浆体积与拌合物空隙体积的比值;pn、pr分别为天然骨料、再生骨料的空隙率。式6由砂率公式变换而得。
[0022]
(6)各组成成分的单方用量的确定:根据步骤(5)得到得砂子用量体积与骨料体积之间得关系,采用绝对体积法确定喷射钢纤维再生混凝土中各组份得用量体积,再根据砂子、天然骨料、再生骨料的表观密度即可确定各组份的质量。其中绝对体积法公式为(对于钢纤维混凝土)。
[0023]
与现有混凝土配合比技术相比,本方法具有以下积极有效方面:
[0024]
(1)再生骨料大部分来源于建筑工程拆除的废旧混凝土和其他废弃建筑垃圾。本
申请所使用的再生骨料对于其来源、品类等无特殊要求,只需再生骨料满足现行规范规定的各项性能指标要求即可,适用于不同类型的建筑垃圾的回收工作;
[0025]
(2)在本技术中,将钢纤维体积率和再生骨料的品类及取代率引入到喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计中,该计算公式简单有效,公式中的各参数定义明确。在该配合比设计公式中,这些参数均可以通过标准规范要求进行试验测定,操作简单明确,适应性强;
[0026]
(3)在本技术中,设计的配合比计算公式适用范围较广,可计算不同再生骨料的取代率、不同钢纤维体积率的喷射钢纤维再生混凝土的配合比,当rg=0时,该公式和普通喷射钢纤维混凝土配合比的设计方法相差无几;当rg=50%、rg=100%时,该计算公式又可以分别对喷射钢纤维再生混凝土进行较好的配合比设计;
[0027]
(4)在本技术中,建立了喷射钢纤维再生混凝土中的砂子体积的计算公式,能够根据再生骨料的基本性能指标、取代率以及钢纤维体积率准确的确定配合比中所需要的砂子体积用量,改善了凭经验的传统砂率设计方法,可以在降低材料用量的同时,有效的提高拌合物的工作性能;
[0028]
(5)在本技术中,喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法不仅与普通喷射混凝土的配合比设计方法保持相对一致,衔接性较好,同时设计出的喷射钢纤维再生混凝土的强度及和易性均可以达到设计的规范要求,且操作简单易学;
[0029]
(6)在本技术中,提出了依据弯曲强度设计喷射钢纤维再生混凝土钢纤维体积用量的方法,该方法适用性强、操作简单,可以有效的计算钢纤维的用量,避免因钢纤维用量过多或过少造成钢纤维的浪费或混凝土性能的降低。
[0030]
具体实例方式
[0031]
下面通过具体的实施案例对本技术中提及的设计方法进行更为详细的说明,但实施应用不限于此实例。
[0032]
在实际实施案例中所用到的材料及其性能如下:
[0033]
(1)水泥:沂州集团生产的p
·
o42.5普通硅酸盐水泥,性能指标见表1;
[0034]
(2)细骨料:细度模数为3.31的ⅰ区天然河砂。采用《建筑用砂》(gb14684-2011)中的试验方法进行检测,砂子的物理性能见表2;
[0035]
(3)粗骨料:石灰石作为天然粗骨料,临沂蓝泰环保科技有限公司提供再生粗骨料。天然粗骨料以及再生粗骨料的粒径在5~10mm之间,天然粗骨料由石灰石破碎而成,而再生粗骨料是破碎废旧混凝土而成,采用《建筑用卵石、碎石》(gb/t14685-2011)和《混凝土用再生骨料》(gb/t14685-2011)中的试验方法对粗骨料进行检测,如表2所示;
[0036]
(4)钢纤维:端钩形钢纤维,平均长度为35mm,长细比为46.7,具体指标均符合《钢纤维混凝土》(jbt472-2015)要求,如表3所示;
[0037]
(5)外掺剂:减水剂采用hl-700综合型聚羧酸高效减水剂,其减水率在30%以上;速凝剂采用j86型无碱速凝剂,掺量为胶凝材料质量的2%~8%,均符合《混凝土外加剂应用技术规范》(gb50119-2003),《喷射混凝土用速凝剂》(jc477-2005)要求;
[0038]
(6)水:生活饮用水。
[0039]
根据《混凝土用再生骨料》(gb/t14685-2011)和《再生骨料应用技术规程》(jgj/t240-2011)检测可知,所用的再生骨料为ⅱ类再生骨料,适合配制c40及以下强度等的混凝土。
[0040]
表1试验水泥性能参数
[0041][0042]
表2骨料的物理性能指标
[0043][0044][0045]
表3钢纤维性能参数
[0046][0047]
混凝土的目标抗压强度f
cu
=30mpa,目标弯拉强度f
ftm
=8mpa,设计坍落度t=100mm。根据《再生骨料应用技术规程》,混凝土的设计强度f
cu,0
=30+1.645
×
5=38.225mpa。
[0048]
实例1
[0049]
选择端钩形钢纤维、再生骨料取代率rg=50%。喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法,包括以下步骤:
[0050]
(1)水胶比的设计:
[0051]
当rg=50%时,根据规范《混凝土用再生粗骨料》进行试验检测得出αa=0.67,αb=1.33;
[0052]fcu
=30mpa、f
ce
=42.5mpa,由上述计算可得,f
cu,0
=30+1.645
×
5=38.225mpa,代入公式w/c=αaf
ce
/(αaαbf
ce
+f
cu,0
)中,可得到水胶比w/c=0.37。
[0053]
(2)单方用水量的设计:
[0054]
为满足喷射钢纤维再生混凝土的施工要求,设计坍落度t=100mm;
[0055]
对于ⅱ类骨料、最大粒径不超过10mm,查《实用建筑材料试验手册》表4-63得k=57.3;又rg=0,q=3.31,kg=k[1+(ω
r-ωn)
×
rg]=k=57.3;
[0056]
将设计坍落度t=100mm和系数kg=57.3代入公式mw=q
×
(0.1t+kg)中,计算得mw=222.7kg。
[0057]
(3)水泥单方用量的设计:
[0058]
根据步骤(2)中计算得的单方用水量mw=222.7kg,可以确定所用水的体积:vw=mw/ρw=0.2227m3;
[0059]
根据步骤(1)计算得到的水胶比w/c=0.37和步骤(2)中计算得到的mw=222.7kg,可以代入公式中,求出喷射钢纤维再生混凝土的水泥单方用量的质量mc=601.9kg,其中水泥密度ρc=3020kg/m3,则喷射钢纤维再生混凝土中水泥单方用量的体积vc=mc/ρc=0.20m3。
[0060]
(4)钢纤维用量的设计:
[0061]
设计混凝土的目标抗弯强度f
ftm
=8mpa;混凝土的设计目标抗压强度f
cu
=30mpa,
根据规范ceb-fip(1990)中,其中fc'为混凝土得标准圆柱抗压强度,则f
tm
=4.36mpa;将设计的混凝土目标弯曲强度f
ftm
和素混凝土下得弯曲强度f
tm
代入公式f
ftm
/f
tm
=a
×vf2
+b
×vf
+c=0.125
·vf2
+0.056
·vf
+0.98中,计算得喷射钢纤维再生混凝土中钢纤维体积率vf=2.40%。
[0062]
(5)砂子用量体积的设计:
[0063]
由于根据步骤(4)计算而得,vf=3.03%,由表2可知,天然骨料的空隙率pn=42.7%;
[0064]
将上述计算数据代入公式(5)vs=γ
×
(vn×
pn+vr×
pr+vf)中(此处砂浆富裕系数γ=1.4),即:vs=1.4
×
(0.427
×vn
+0.024)=0.598
×vn
+0.034。
[0065]
(6)各组成成分的单方用量的确定:
[0066]
根据步骤(2)和步骤(3)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的单方用水量体积vw=0.2227m3、水泥单方用量体积vc=0.20m3;
[0067]
根据步骤(4)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的钢纤维用量vf=2.40%;
[0068]
根据步骤(5)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的砂子用量vs=0.598
×vn
+0.034;
[0069]
最后将以上计算数据代入公式中,其中对于钢纤维混凝土,即:vn=0.312m3,vs=0.221m3;mn=ρn×vn
=842.4kg,ms=ρs×vs
=590.1kg。
[0070]
根据一般混凝土砂率计算公式βs=ms/(ms+mn+mr)可得βs=41.12%。
[0071]
具体各组成材料的单方用量见表4。
[0072]
实例2
[0073]
选定端钩形钢纤维、再生骨料取代率为50%。喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法,包括以下步骤:
[0074]
(1)水胶比的设计:
[0075]
当rg=50%时,根据规范《混凝土用再生粗骨料》进行试验检测得出αa=0.59,αb=1.28;
[0076]
将f
cu
=30mpa、f
ce
=42.5mpa、f
cu,0
=30+1.645
×
5=38.225mpa代入w/c=αaf
ce
/(αaαbf
ce
+f
cu,0
)中,可得到水胶比w/c=0.36。
[0077]
(2)单方用水量的设计:
[0078]
为满足喷射钢纤维再生混凝土的施工要求,设计坍落度t=100mm;
[0079]
对于ⅱ类骨料、最大粒径不超过10mm,查《实用建筑材料试验手册》表4-63得k=57.3;再生粗骨料吸水率ωr=4.3%;天然粗骨料吸水率ωn=0.8%;又rg=50%,q=3.35,kg=k[1+(ω
r-ωn)
×
rg]=58.3;
[0080]
将设计坍落度t=100mm和系数kg=58.3代入公式mw=q
×
(0.1t+kg)中,计算得mw=228.8kg。
[0081]
(3)水泥单方用量的设计:
[0082]
根据步骤(2)中计算得的单方用水量mw=228.8kg,可以确定所用水的体积:vw=mw/ρw=0.2288m3;
[0083]
根据步骤(1)计算得到的水胶比w/c=0.36和步骤(2)中计算得到的mw=228.8kg,
可以代入公式mc=mw/(w/c)中,求出喷射钢纤维再生混凝土的水泥单方用量的质量mc=635.5kg,其中水泥密度ρc=3020kg/m3,则喷射钢纤维再生混凝土中水泥单方用量的体积vc=mc/ρc=0.21m3。
[0084]
(4)钢纤维用量的设计:
[0085]
设计混凝土的目标抗弯强度f
ftm
=8mpa;混凝土的设计目标抗压强度f
cu
=30mpa,根据规范ceb-fip(1990)中,其中fc'为混凝土得标准圆柱抗压强度,则f
tm
=4.36mpa;将设计的混凝土目标弯曲强度f
ftm
和素混凝土下得弯曲强度f
tm
代入公式f
ftm
/f
tm
=a
×vf2
+b
×vf
+c=0.125
·vf2
+0.056
·vf
+0.98中,计算得喷射钢纤维再生混凝土中钢纤维体积率vf=2.40%。
[0086]
(5)砂子用量体积的设计:
[0087]
根据步骤(4)计算而得,vf=2.40%,由表2可知,天然骨料的空隙率pn=42.7%,再生骨料的空隙率pr=47.3%;
[0088]
将上述计算数据代入公式(5)vs=γ
×
(vn×
pn+vr×
pr+vf)中(此处砂浆富裕系数γ=1.4),即:vs=1.4
×
(0.427
×vn
+0.473
×vr
+0.024)=0.598
×vn
+0.662
×vr
+0.034。
[0089]
(6)各组成成分的单方用量的确定:
[0090]
根据步骤(2)和步骤(3)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的单方用水量体积vw=0.2288m3、水泥单方用量体积vc=0.21m3;
[0091]
根据步骤(4)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的钢纤维用量vf=2.40%;
[0092]
根据步骤(5)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的砂子体积用量:
[0093]vs
=0.598
×vn
+0.662
×vr
+0.034;
[0094]
根据公式(6)将rg=50%、ρr=2520kg/m3、ρn=2700kg/m3代入,计算得
[0095]
最后将以上计算数据代入公式中,
[0096]
即:vr=0.153m3,vs=0.22m3;因为rg=50%,所以mg=mr=ρr×vr
=385.6kg,ms=ρs×vs
=589.7kg。
[0097]
根据一般混凝土砂率计算公式βs=ms/(ms+mn+mr)可得βs=43.35%。
[0098]
实例3
[0099]
选定端钩形钢纤维、再生骨料取代率为100%。喷射钢纤维再生混凝土的配合比设计方法,包括以下步骤:
[0100]
(1)水胶比的设计:
[0101]
当rg=100%时,根据规范《混凝土用再生粗骨料》进行试验检测得出αa=0.58,αb=1.37;
[0102]
将f
ce
=42.5mpa、f
cu,0
=38.225mpa代入w/c=αaf
ce
/(αaαbf
ce
+f
cu,0
)中,可得到水胶比w/c=0.34。
[0103]
(2)单方用水量的设计:
[0104]
为满足喷射钢纤维再生混凝土的施工要求,设计坍落度t=100mm;
[0105]
对于ⅱ类骨料、最大粒径不超过10mm,查《实用建筑材料试验手册》表4-63得k=57.3;再生粗骨料吸水率ωr=4.3%;又rg=100%,q=3.36,kg=k[1+(ω
r-ωn)
×
rg]=58.3;
[0106]
将设计坍落度t=100mm和系数kg=58.3代入公式mw=q
×
(0.1t+kg)中,计算得mw=229.5kg。
[0107]
(3)水泥单方用量的设计:
[0108]
根据步骤(2)中计算得的单方用水量mw=229.5kg,可以确定所用水的体积:vw=mw/ρw=0.2295m3;
[0109]
根据步骤(1)计算得到的水胶比w/c=0.34和步骤(2)中计算得到的mw=229.5kg,可以代入公式mc=mw/(w/c)中,求出喷射钢纤维再生混凝土的水泥单方用量的质量mc=675kg,其中水泥密度ρc=3020kg/m3,则喷射钢纤维再生混凝土中水泥单方用量的体积vc=mc/ρc=0.223m3。
[0110]
(4)钢纤维用量的设计:
[0111]
设计混凝土的目标抗弯强度f
ftm
=8mpa;混凝土的设计目标抗压强度f
cu
=30mpa,根据规范ceb-fip(1990)中,其中fc'为混凝土得标准圆柱抗压强度,则f
tm
=4.36mpa;将设计的混凝土目标弯曲强度f
ftm
和素混凝土下得弯曲强度f
tm
代入公式f
ftm
/f
tm
=a
×vf2
+b
×vf
+c=0.125
·vf2
+0.056
·vf
+0.98中,计算得喷射钢纤维再生混凝土中钢纤维体积率vf=2.40%。
[0112]
(5)砂子用量体积的设计:
[0113]
根据步骤(4)计算而得,vf=2.40%,由表2可知,再生骨料的空隙率pr=47.3%。
[0114]
将上述计算数据代入公式(5)vs=γ
×
(vn×
pn+vr×
pr+vf)中(此处砂浆富裕系数γ=1.4),即:vs=1.4
×
(0.427
×vn
+0.473
×vr
+0.024)=0.662
×vr
+0.034。
[0115]
(6)各组成成分的单方用量的确定:
[0116]
根据步骤(2)和步骤(3)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的单方用水量体积vw=0.2295m3、水泥单方用量体积vc=0.223m3;
[0117]
根据步骤(4)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的钢纤维用量vf=2.40%;
[0118]
因为rg=100%,所以vn=0,根据步骤(5)计算可得:喷射钢纤维再生混凝土的砂子体积用量:vs=0.662
×vr
+0.034;
[0119]
最后将以上计算数据代入公式中,
[0120]
即:vr=0.2825m3,vs=0.221m3;mg=0,mr=ρr×vr
=711.9kg,ms=ρs×vs
=590.1kg。
[0121]
根据一般混凝土砂率计算公式βs=ms/(ms+mn+mr)可得βs=45.28%。
[0122]
具体各组成材料的单方用量见表4。
[0123][0124][0125]
根据上述实例可知:
[0126]
(1)配制喷射钢纤维再生混凝土的强度等级相同时,喷射钢纤维再生混凝土的水胶比会随着再生骨料取代率的增加而减小;(2)配制喷射钢纤维再生混凝土的单方用水量随着再生骨料取代率的增加而增加;(3)喷射钢纤维再生混凝土的砂率随着再生骨料取代率的增加而增大;(4)喷射钢纤维再生混凝土的钢纤维体积率保持不变时,再生骨料取代率增大50%,砂率增加。
[0127]
根据以上阐述及实验验证结果,可知:根据本技术的喷射钢纤维再生混凝土配合比设计方法配制的喷射钢纤维再生混凝土的坍落度、抗压强度以及抗弯强度均可达到设计要求。当再生骨料取代率rg=100%时,混凝土的强度也可以达到35mpa以上,与天然骨料混凝土相差不大,说明通过本专利中的设计方法进行混凝土的配制可以有效的降低天然骨料的用量,同时也可以处理大量的建筑废物,减少因天然骨料开采使用及废弃建筑垃圾处理对环境的污染。优化了钢纤维用量的设计方法,改变了仅凭经验进行钢纤维用量的设计,本技术可较准确的计算钢纤维体积率,减少了在混凝土配制过程中造成的材料浪费。
[0128]
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本技术的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明,本领域的普通技术人员当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不驱使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。
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