一种混凝土中氧化钙膨胀剂自生体积膨胀变形的预测方法与流程

本发明属于混凝土建筑，具体涉及一种混凝土中氧化钙膨胀剂自生体积膨胀变形的预测方法。

背景技术：

1、在混凝土中掺加膨胀剂制成补偿混凝土收缩是从材料角度抑制结构混凝土收缩开裂的最常用措施之一，已在混凝土结构自防水、超长结构无缝设计以及大体积混凝土裂渗控制等工程中得到广泛应用。

2、与硫铝酸钙类和氧化镁类膨胀剂相比，氧化钙类膨胀剂具有膨胀速率快、膨胀效能高、水化需水量小、湿度敏感性低等优点，近年来在机场路面、地铁车站、污水处理厂、地下室墙板等混凝土工程裂缝控制中得到越来越多的应用。但伴随着工程应用规模扩大的同时，对氧化钙膨胀剂在不同工程条件下收缩补偿效能和裂缝控制效果的合理评价也愈加迫切。

3、工程实际中混凝土在浇筑成型后早期处于带模养护的阶段，与外界不存在水分交换，膨胀剂在混凝土中的膨胀变形主要为自生体积膨胀变形。氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形不仅与氧化钙膨胀剂的掺量有关，还与混凝土的强度等级、养护温度相关，因此，量化分析氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形与氧化钙膨胀剂掺量、混凝土强度等级、养护温度等因素的相关性，并建立相关的数学模型预测氧化钙膨胀剂产生的自生体积膨胀变形，是评价其收缩补偿效能和裂缝控制效果的关键。

4、中国专利cn114113555a公开了针对掺纳米碳酸钙和sap混凝土自生体积变形的预测方法，仅考虑了纳米碳酸钙和sap掺量对自生体积变形的影响；中国专利cn108733968a公开了一种针对氧化镁微膨胀混凝土的膨胀变形和温度应力的数学建模方法，采用有限元计算，考虑了氧化镁膨胀剂的水化和温度的影响。氧化钙膨胀剂在混凝土中的膨胀特性、影响因素及影响规律与氧化镁膨胀剂显著不同，但目前对于氧化钙膨胀剂产生的自生体积膨胀变形与混凝土强度等级、养护温度等因素相关性的量化研究较少，缺乏相关的数学预测模型来综合预测氧化钙膨胀剂掺量、混凝土强度以及温度的影响。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提供一种混凝土中氧化钙膨胀剂自生体积膨胀变形的预测方法，是一种氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形的发展数据模型，通过该模型能够量化表征氧化钙膨胀剂掺量、混凝土强度、养护温度对自生体积膨胀变形的影响，方便地得知氧化钙膨胀剂在不同强度等级混凝土、不同养护温度以及不同掺量下的自生体积膨胀变形；本发明所述数据模型通过检测掺不同量氧化钙膨胀剂与不掺氧化钙膨胀剂的不同强度等级混凝土在不同恒温养护条件下的自生体积变形获得。

2、本发明所述混凝土中氧化钙膨胀剂自生体积膨胀变形的预测方法，是构建以氧化钙膨胀剂掺量混凝土28d龄期抗压强度fcm28、养护温度t为自变量的氧化钙膨胀剂自生体积膨胀变形的初始预测模型，具体表达式如下：

3、εex(t)＝εex,∞[1-exp(-attb)]   (1)

4、其中：

5、

6、

7、式(1)-(3)中有：

8、εex(t)为t龄期时氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形，×10-6；

9、εex,∞为氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的最大自生体积膨胀变形，×10-6；

10、t为混凝土自初凝起的龄期，d；

11、at为与养护温度t相关的膨胀速率；

12、a为养护温度t＝20℃下的膨胀速率；

13、为氧化钙膨胀剂的掺量(占胶凝材料总质量的百分数)，％；

14、fcm28为掺氧化钙膨胀剂混凝土28d龄期时的抗压强度，mpa；

15、eca为活化能，j/mol；

16、r为摩尔气体常数，r＝8.3145j/(mol·k)；

17、t为养护温度，℃；

18、通过计算获得未知参数a、b、c1、c2、c3、eca，具体包括如下步骤：

19、计算c1、c2、c3：将n多个混凝土样品中的每个混凝土样品由氧化钙膨胀剂产生的最大自生体积膨胀变形εex,∞和掺氧化钙膨胀剂混凝土28d龄期抗压强度fcm28以及对应的氧化钙膨胀剂掺量代入公式(2)中，通过数据回归分析，从而得到c1、c2、c3；

20、计算at和b：对公式(1)进行对数变换得到ln[-ln(1-εex(t)/εex,∞)]＝lnat+blnt，将氧化钙膨胀剂在混凝土中每个龄期产生的自生体积膨胀变形εex(t)及对应的龄期t和最大自生体积膨胀变形εex,∞代入变换后的公式，并对以ln[-ln(1-εex(t)/εex,∞)]为纵坐标、lnt为横坐标的数据点进行线性拟合，得到斜率b和截距lnat，进而得到每个目标混凝土样品对应的at和b值；

21、计算eca值：对公式(3)进行对数变换得到lnat＝[lna+eca/(293r)]-(eca/r)/(273+t)，将同一氧化钙膨胀剂掺量、不同养护温度下目标混凝土样品的at值及对应的养护温度t代入变换后的公式，并对以lnat为纵坐标、-1/(273+t)为横坐标的数据点进行线性拟合，得到斜率eca/r，进而得到eca值；

22、计算a、b：将获得的at及对应的养护温度t和eca值代入公式(3)中，计算得到每个目标混凝土样品对应的a值；将每个目标混凝土样品对应的a值、b值与对应的氧化钙膨胀剂掺量混凝土28d龄期抗压强度fcm28进行回归分析，从而得到a、b分别与fcm28的函数方程；

23、a、b与fcm28的函数方程分别为：

24、

25、

26、将前述计算得到的a、b、c1、c2、c3、eca，均代入公式(1)中，从而得到氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形的预测模型。

27、制备混凝土样品：浇筑成型n份目标混凝土样品，并养护；其中，n≥12；n份目标混凝土样品中的混凝土强度等级、氧化钙膨胀剂掺量、养护温度各不相同；其中，混凝土强度等级为c35～c50，氧化钙膨胀剂掺量为0～10％，养护温度为20～40℃。

28、检测混凝土自生体积变形：对养护完成的每份目标混凝土样品，按照设定的龄期，检测并记录掺氧化钙膨胀剂混凝土和不掺氧化钙膨胀剂混凝土在每个设定龄期的自生体积变形，直至28d龄期检测完成后停止。

29、检测混凝土28d龄期抗压强度fcm28：对完成养护的每份掺氧化钙膨胀剂混凝土样品，检测并记录混凝土在28d龄期时的抗压强度。

30、制备混凝土样品中n＝13，13份目标混凝土样品中，混凝土强度等级、氧化钙膨胀剂掺量和养护温度t分别为：

31、

32、其中，氧化钙膨胀剂掺入方式为等量取代胶凝材料内掺。

33、制备混凝土样品中，用于检测自生体积变形的每份目标混凝土样品浇筑于外径80mm、内径60mm、长450mm的塑料波纹管中，用于检测28d抗压强度的每份掺氧化钙膨胀剂目标混凝土样品浇筑于内部尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体钢模具中。

34、检测混凝土自生体积变形中，设定时间间隔为60分钟。

35、检测混凝土自生体积变形中，采用波纹管法+电涡流位移传感器检测混凝土在每个龄期的自生体积变形，采用压力试验机检测掺氧化钙膨胀剂混凝土在28d龄期时的抗压强度，采用高低热交变湿热试验箱设置养护温度。

36、计算获得未知参数a、b、c1、c2、c3、eca中，采用origin软件进行数据线性拟合和回归分析。

37、获取氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形εex(t)和最大自生体积膨胀变形εex,∞：从记录的掺氧化钙膨胀剂混凝土样品每个龄期的自生体积变形中减去不掺氧化钙膨胀剂混凝土样品对应龄期的自生体积变形，得到掺氧化钙膨胀剂混凝土样品中由氧化钙膨胀剂水化膨胀产生的自生体积膨胀变形εex(t)和最大自生体积膨胀变形εex,∞。

38、计算得出的c1、c2、c3优选值分别为190、2、-0.7。

39、计算得出的eca值为34200j/mol。

40、上述优选值适用于混凝土强度等级不超过c60、氧化钙膨胀剂掺量≤10％、养护温度不超过60℃的混凝土中氧化钙膨胀剂自生体积膨胀变形的预测。对于其他条件下的优选值可以依据本发明设计思路和技术方案进行等同计算。

41、本发明所设计的氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形预测模型构建方法，通过对不同氧化钙膨胀剂掺量下的不同强度等级混凝土在不同养护温度下的自生体积变形的测试，获得氧化钙膨胀剂在混凝土中产生的自生体积膨胀变形的试验数据，在此基础上，采用模型拟合得到各个参数与混凝土28d抗压强度、氧化钙膨胀剂掺量以及养护温度间的关系，该模型可以量化表征氧化钙膨胀剂掺量、混凝土强度、养护温度对掺氧化钙膨胀剂混凝土自生体积膨胀变形的影响，对于氧化钙膨胀剂在混凝土中补偿收缩效能和收缩裂缝控制效果的定量评价研究具有指导意义。