一种含多元材料的生态超高性能混凝土配合比设计方法技术

本发明专利技术公开了一种含多元材料的生态超高性能混凝土配合比的设计方法，所述方法包括步骤：S1采用二次饱和D

【技术实现步骤摘要】
一种含多元材料的生态超高性能混凝土配合比设计方法


[0001]本专利技术涉及混凝土
，具体涉及一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法。

技术介绍

[0002]超高性能混凝土(UHPC)同普通混凝土相比具有更高的强度、耐久性以及韧性，作为一种新型的水泥基复合材料在土木工程建设中展现出巨大的潜力和价值。UHPC优异的机械性能和耐久性，归因于基体内部颗粒的最紧密堆积以及胶凝材料的大量使用，UHPC的水胶比一般为0.14～0.27，其水泥使用量高达为900～1100kg/m3，生产成本是普通混凝土的数倍。且每生产1t硅酸盐水泥会排放出 1t CO2，而碳排放量的增加会造成环境和气候问题，这与我国建立绿色低碳循环发展经济体系，实现碳达峰、碳中和的发展目标相悖。因此，在保证UHPC优异性能的前提下降低水泥用量以实现UHPC 生态化已成为不可忽视的问题。
[0003]目前，随着我国基建规模的不断扩大，混凝土需求量不断增加，水泥等胶凝材料的价格不断上涨。而矿粉、粉煤灰等掺合料的价格也在上涨，且供不应求。因此，迫切需要性价比高的环保型复合掺合料作为胶凝材料的补充，以替代价格日益攀升的粉煤灰和矿渣粉，并获得更好的混凝土性能。环保型复合料生产工艺是利用钢渣、炉底渣、矿渣和矿石尾矿等各种工业固体废弃物进行多元材料组合，通过合理搭配不同材料的比例，使复合掺合料达到最佳的化学成分与物理性能的复合，形成高性能环保型复合料掺入到UHPC中，利于提高混凝土的力学性能和耐久性。
[0004]二次饱和D
‑r/>最优化设计方法是一种有效的统计设计方法。其可以将多个变量对响应值的影响以及变量之间的交互作用转换成数学模型，具有计算简便、精度高、考虑了变量变异等优点。目前，已有学者研究证明了二次饱和D
‑
最优化设计的优异预测能力、适用性和可靠性，可以有效应用于混凝土的优化设计中。

技术实现思路

[0005]本专利技术将UHPC多元材料组分作为自变量，以流动度、抗压强度等混凝土性能指标作为响应值，利用二次饱和D
‑
最优化设计方法建立多自变量和多响应之间的预测模型，进行多重响应分析，以最大化降低水泥用量，提高环保型复合料掺入量为目的，确定各材料之间的最佳掺量，设计出含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比。通过试验验证，根据本专利技术公开的技术方案设计出的含多元材料的生态型UHPC配合比可以在保证UHPC优异性能的同时显著降低水泥用量，对于降低UHPC的生产成本，推广其工程应用具有重要价值。
[0006]为实现上述目的，本专利技术公开了一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
[0007]S1采用二次饱和D
‑
最优化设计建立数值模型，进行优化设计，确定基础配合比；
[0008]S2制备和养护UHPC试件，进行试验并获取UHPC性能指标试验数据；
[0009]S3进行多元线性回归分析，确定数值模型并进行准确性评估；
[0010]S4建立多元优化组合模型，进行生态型UHPC配合比设计。
[0011]优选地所述步骤1)的具体步骤为：
[0012]S11采用二次饱和D
‑
最优化设计方法建立UHPC中各组分与响应值之间的数学关系：采用在混合材料试验中被广泛应用的二次多项式对UHPC各组分与响应值之间的数学关系进行拟合并建立数值模型，数值模型的公式为：
[0013][0014]式中：E(y)为体系的响应值；x
i
为各种原材料所占比例；β
i
表示对应项的系数；q为自变量的个数。
[0015]S12确定UHPC配合比中的自变量和因变量及其取值范围：在进行含多元材料UHPC的配合比设计之前，需要确定混凝土体系的材料组成，以组成成分为自变量，以流动度和抗压强度作为因变量，最后设定各自变量的取值范围。在混凝土配合比设计中，假设混凝土由q种材料组成，所有成分的比例之和为1，所述的各组分之间的数学关系为：
[0016][0017]式中：q为混凝土的材料组成数量；x
i
为各组分所占的比例，0≤x≤1。
[0018]含多元材料的UHPC各组成成分之间存在相互约束，因此各成分材料所占比例(x
i
)存在着上下限，其比例关系为：
[0019]0≤L
i
≤x
i
≤U
I
≤1 i＝1,2,3...q
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]式中：x
i
为各组分所占的比例；L
i
和U
i
分别为各组分所占的比例的下限和上限。
[0021]S13借助二次饱和D
‑
最优化设计的矩阵算法进行优化设计，得到试验基础配合比：Design
‑
Expert、 SAS等试验设计软件内置二次多项式回归模型，可以拟合自变量与响应值之间的函数关系，根据步骤 S12设定的自变量取值范围和组数n，软件可以自动进行优化设计并得到n组试验基础配合比。
[0022]优选地所述步骤2)的具体步骤如下：
[0023]S21制备UHPC混凝土试件并养护，优选地UHPC的制备工艺如图2所示，主要包括如下步骤：
[0024](1)根据n组试验基础配合比称量各原料；
[0025](2)将水泥、石灰粉、硅灰、细砂、环保型复合料等原料倒入搅拌机中慢搅90s进行均匀混合；
[0026](3)将约75％的水与减水剂混合后逐渐加入混合均匀的粉末中，低速搅拌90s；
[0027](4)将剩余水倒入搅拌机中，快速搅拌120s；
[0028](5)慢搅90s后停止，倒入模具中成型，并在常温下养护28天。
[0029]S22进行流动度试验，获取UHPC流动度试验数据：依照《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T 2419
‑
2005的要求测试UHPC流动度，将搅拌好的浆体倒入模具中，用镘刀刮去多余的部分以保证每次测定时浆体的体积相等，随后匀速垂直向上缓慢提起模具，让浆体自由下滑，刮净模具内壁的浆体，直至浆体停止流动时测量相垂直的最长边与最短边直径的平均值。
[0030]S23进行抗压强度试验，获取UHPC 28天抗压强度试验数据：依照《水泥胶砂强度检
验方法(ISO 法)》GB/T 17671
‑
2020的要求测试UHPC抗压强度，将每组3个40mm
×
40mm
×
160mm试块切割成6份，设定加载速率为2.4kN/s，测得施加的最大应力，求得平均值作为最终的抗压强度。
[0031]优选地所述步骤3)的具体步骤为：
[0032]S31对试验数据进行多元线性回归分析，估算数值模型的各项系数，并确定自变量与响应值之间的数值模型：利用步骤S1中设计的n组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述方法包括步骤：S1采用二次饱和D
‑
最优化设计建立数值模型，进行优化设计，确定基础配合比；S2制备和养护UHPC试件，进行试验并获取UHPC性能指标试验数据；S3进行多元线性回归分析，确定数值模型并进行准确性评估；S4建立多元优化组合模型，进行生态型UHPC配合比设计。2.根据权利要求1所述的一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤为：S11采用二次饱和D
‑
最优化设计方法建立UHPC中各组分与响应值之间的数值模型；S12根据生态型UHPC的材料组成，确定配合比中的自变量和因变量及其取值范围；S13借助二次饱和D
‑
最优化设计的矩阵算法进行优化设计，得到试验基础配合比。3.根据权利要求2所述的一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述的UHPC中各组分与响应值之间的数值模型的具体公式为：式中：E(y)为体系的响应值；x
i
为各种原材料所占比例；β
i
表示对应项的系数；q为自变量的个数。4.根据权利要求2所述的一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述的UHPC由q种材料组成，所有成分的比例之和为1，各组分之间的数学关系为：式中：q为混凝土的材料组成数量；x
i
为各组分所占的比例，0≤x≤1。含多元材料的UHPC各组成成分之间存在相互约束，各成分材料所占比例(x
i
)存在着上下限，其比例关系为：0≤L
i
≤x
i
≤U
I
≤1 i＝1,2,3...q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：x
i
为各组分所占的比例；L
i
和U
i
分别为各组分所占的比例的下限和上限。5.根据权利要求2所述的一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述的生态型UHPC由水泥、石灰粉、硅灰、细砂和环保型复合料等材料组成，其中环保型复合料包括钢渣、镍铁渣、炉底渣、铜渣、炉底渣、磷渣、矿渣、锰渣、精炼渣、锂渣、除尘灰、花岗岩锯泥、矾泥、脱硫石膏、石灰石、花岗岩尾矿、沸石尾矿、浮石等工业固体废弃物及其混合料。6.根据权利要求1所述的一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述步骤2)的具体步骤为：S21制备UHPC试件并养护；S22进行流动度试验，获取UHPC流动度试验数据；S23进行抗压强度试验，获取UHPC 28天抗压强度试验数据。7.根据权利要求6所述的一种含多元材料的超高性能混凝土生态型配合比的设计方法，其特征在于：所述的UHPC的制备工艺为：
(1)根...

【专利技术属性】
技术研发人员：余睿，高旭，水中和，王雷冲，
申请(专利权)人：中山市武汉理工大学先进工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：