一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法技术

本发明专利技术属于混凝土的技术领域，公开了一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法。方法：1)确定混凝土抗压强度及透水系数的目标值；2)依据抗压强度，设定基体强度、接触区浆体总面积；3)依据透水系数和接触区浆体总面积，计算接触点数目，确定骨料平均粒径并修正接触点数目；4)根据接触区浆体总面积与修正接触点数目，计算接触区浆体平均面积，再根据浆体包裹层厚度、骨料平均粒径确定骨料间浆体厚度并计算浆体/骨料比；5)调控水泥浆体组成，使浆体实际强度≥设定基体强度；6)依据浆体/骨料比、骨料粒径和水泥浆体组成，得混凝土配比。本发明专利技术的方法能高效、快速地设计满足性能需求的混凝土，实现混凝土性能的可控设计。

A Mix Ratio Design Method of High Strength and High Permeability Concrete Based on Skeleton Structure

The invention belongs to the technical field of concrete, and discloses a mix design method of high strength and high permeability concrete based on skeleton structure. Method: 1) Determine the target value of concrete compressive strength and permeability coefficient; 2) Set the base strength and the total area of slurry in contact area according to the compressive strength; 3) Calculate the number of contact points according to the permeability coefficient and the total area of slurry in contact area, determine the average particle size of aggregate and modify the number of contact points; 4) Calculate the slurry level in contact area according to the total area of slurry in contact area and the number of modified contact points. Average area, then according to the thickness of slurry inclusion layer and the average size of aggregate, determine the thickness of slurry between aggregates and calculate the slurry/aggregate ratio; 5) adjust the composition of cement slurry, so that the actual strength of the slurry is greater than the set matrix strength; 6) according to the slurry/aggregate ratio, aggregate particle size and the composition of cement slurry, get the concrete ratio. The method of the invention can efficiently and rapidly design concrete to meet performance requirements and realize controllable design of concrete performance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法
本专利技术属于建筑材料的
，具体涉及一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法。
技术介绍
随着城镇化进程不断推进，基础设施逐年增加，逐渐削弱了城市地表的渗透能力，导致城市内涝、热岛效应等城市环境问题日趋严峻。为此，国家提出了“海绵城市”的构想，以期提升城市抵御内涝等自然灾害的能力，同时实现雨水资源合理利用。作为“海绵城市”建设用关键材料，透水混凝土由骨料、胶凝材料、水、外加剂等原材料拌合而成，具有良好的透水、透气性能，被认为是传统不透水路面铺装材料的理想替代者。透水混凝土的结构可视为骨料通过表面包裹的浆体相互粘接而形成的网络结构，骨料以“点接触”的方式通过浆体相互粘接，因而透水混凝土的骨架结构可以认为是由多个接触点构成的，接触点数目、接触点处骨料间的粘接宽度(接触区宽度)、骨料间浆体厚度以及基体(硬化水泥浆体)强度共同决定了透水混凝土的力学和透水性能。相较于骨料，基体的强度和界面的强度普遍较低，导致透水混凝土破坏通常始于基体或骨料-基体界面处，因而通过优化浆体组成提升基体及界面强度，可有效提升透水混凝土的力学性能；其次，单位体积透水混凝土中接触点(承受荷载的结构单元)数目主要取决于骨料粒级，影响着透水混凝土内部的应力分布，并且间接影响着孔隙大小等参数，可见接触点数目的选择对透水混凝土性能的影响至关重要；此外，接触区宽度、骨料间浆体厚度直接反映了骨料间浆体的有效粘接面积，同样显著影响着透水混凝土的力学、透水性能。在工程应用过程中，现有配合比设计方法多关注原材料种类与用量，依据经验设计透水混凝土配合比，往往需要进行大量试配试验。虽然一些研究指出在配合比设计过程中应着重关注透水混凝土的骨架结构，但尚未建立起骨架结构与力学、透水性能间的量化关系，难以按照性能需求有效设计透水混凝土配比。目前，透水混凝土力学性能普遍较差(＜30MPa)且难以兼顾透水性能，很大程度上限制了这种材料的广泛应用，而其根本原因在于配合比设计过程缺乏理论指导。由此可见，阐明透水混凝土骨架结构与性能之间的关系，并据此合理选择浆体组成、骨料粒径以及浆体/骨料比例，方能实现透水混凝土性能的可控设计，配制性能满足要求的高强、高透水混凝土。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，以期简化透水混凝土配合比设计过程、提高设计效率，为透水混凝土的设计和性能预测提供理论依据。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：第一步：确定透水混凝土28d抗压强度FC-28及透水系数k15的目标值；第二步：依据透水混凝土28d抗压强度FC-28的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；所述抗压强度FC-28与基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA的关系满足：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)；所述基体强度fc与接触区浆体总面积CTPA的设定值依据公式选择(fc一般大于80MPa，CTPA一般介于5～12cm2)，确保透水混凝土28d抗压强度FC-28不小于目标值即可；第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值以及第二步获得的接触区浆体总面积CTPA计算接触点数目N，确定骨料平均粒径并修正接触点数目；所述透水系数k15、接触区浆体总面积CTPA与接触点数目N的关系服从：接触点数目N与骨料平均粒径的关系满足：所述修正接触点数目是指根据计算得到的骨料平均粒径选取骨料粒径范围，再根据实际的骨料平均粒径计算接触点数目，从而完成修正；第四步：根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算接触区浆体平均面积WT，再根据目标浆体包裹层厚度TPT、骨料平均粒径确定骨料间浆体厚度T并计算浆体/骨料比例VP/VA(体积比)；所述接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N×W×T，其中N为修正后的接触点数目，W×T为接触区浆体平均面积WT；骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT(浆体包裹层厚度的设定值)的关系服从：T＝1.82TPT，骨料平均粒径与目标浆体包裹层厚度TPT的乘积定义为ζ，ζ与接触区宽度W呈线性关系：W＝0.5895ζ+1.666；利用接触区浆体平均面积WT，骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT(浆体包裹层厚度的设定值)的关系以及骨料平均粒径目标浆体包裹层厚度TPT与接触区宽度W间的关系计算出骨料间浆体厚度T；所述浆体/骨料比例(VP/VA)的关系为：利用骨料间浆体厚度T计算浆体/骨料比例；第五步：通过调控胶凝材料的种类、凝胶材料的用量、水胶比、外加剂的种类及掺量中一种或多种因素，使得硬化水泥浆体(基体)的实际强度fc′≥fc(即基体实际强度≥设定的基体强度)，获得水泥浆体组成；第六步：依据浆体/骨料比、骨料粒径范围以及水泥浆体组成，即可获得混泥土配比。本专利技术基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法根据透水混凝土骨架结构参数与性能指标、配合比参数间的关系，按照目标性能设计透水混凝土配合比。所述透水混凝土骨架结构参数包括接触点数目N、接触区宽度W、骨料间浆体厚度T、接触区浆体总面积CTPA以及基体强度fc。接触点数目N、接触区宽度W、骨料间浆体厚度T可由透水混凝土切片表面测得，接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N×W×T。基体强度fc(实际基体强度)由硬化水泥净浆的28d抗压强度表征。接触点数目定义为单位面积内接触单元的数目，单位为“/100cm2”(如360/100cm2表示每100cm2内统计了360个接触点)；接触单元由两颗通过基体相互粘接的骨料以及两者间的基体构成。接触区宽度在垂直于骨料间最短距离D的方向上测量，单位为“mm”；以骨料间基体最短长度为该接触点的接触区宽度。骨料间浆体厚度在平行于骨料间最短距离D的方向上测量，单位为“mm”；以骨料间基体长度的平均值为该接触点的骨料间浆体厚度。所述透水混凝土性能指标包括28d抗压强度FC-28与透水系数k15。通过设计多组(不少于15组)透水混凝土配合比，继而测试这些配比的28d抗压强度FC-28与透水系数k15、同时测量表征这些混凝土配合比的骨架结构参数(N、W与T)。依据上述性能指标与骨架结构参数的实测值，建立起透水混凝土骨架结构参数与28d抗压强度FC的关系式：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)。其中基体强度的单位为MPa，接触区浆体总面积单位为“cm2/100cm2”(浆体面积/统计的“透水混凝土切面的面积”)。根据上述测定的多组透水混凝土的透水系数k15以及骨架结构参数，建立起透水混凝土骨架结构参数与透水系数k15的关系式：所述透水混凝土配合比参数包括骨料粒径、浆体/骨料比例以及浆体组成。进一步的是，记录上述各组透水混凝土采用的骨料粒径，并以最小骨料粒径与最大骨料粒径的均值作为骨料平均粒径结合测定的接触点数目N，进而建立起二者的关系：其中，骨料平均粒径的单位为mm。进一步的是，分析骨料间浆体厚度T的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：确定透水混凝土28d抗压强度FC‑28及透水系数k15的目标值；第二步：依据透水混凝土28d抗压强度FC‑28的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；所述抗压强度FC‑28与基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA的关系满足：FC‑28＝(0.221fc‑8.70)ln(CTPA‑0.0573)；第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值以及第二步获得的接触区浆体总面积CTPA计算接触点数目N，确定骨料平均粒径

【技术特征摘要】
1.一种基于骨架结构的高强、高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：确定透水混凝土28d抗压强度FC-28及透水系数k15的目标值；第二步：依据透水混凝土28d抗压强度FC-28的目标值，设定基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA；所述抗压强度FC-28与基体强度fc、接触区浆体总面积CTPA的关系满足：FC-28＝(0.221fc-8.70)ln(CTPA-0.0573)；第三步：依据透水混凝土透水系数k15的目标值以及第二步获得的接触区浆体总面积CTPA计算接触点数目N，确定骨料平均粒径并修正接触点数目；所述透水系数k15、接触区浆体总面积CTPA与接触点数目N的关系服从：接触点数目N与骨料平均粒径的关系满足：第四步：根据设定的接触区浆体总面积CTPA与修正后的接触点数目N’，计算接触区浆体平均面积WT，再根据目标浆体包裹层厚度TPT、骨料平均粒径确定骨料间浆体厚度T并计算浆体/骨料比例VP/VA；所述接触区浆体总面积CTPA为接触点数目、接触区宽度、骨料间浆体厚度三者的乘积，即CTPA＝N×WxT，其中N为修正后的接触点数目，W×T为接触区浆体平均面积WT；骨料间浆体厚度T与目标浆体包裹层厚度TPT的关系服从：T＝1.82TPT，骨料平均粒径与目标浆体包裹层厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张同生，谢晓庚，汪超，杨婕，张煜，韦江雄，余其俊，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44