紧密堆积混凝土配合比模型的建立.doc
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紧密堆积混凝土配合比模型的建立
摘要
混凝土性能与其配合比密切相关。
近些年来，水泥混凝土的流动性和耐久性受到格外重视，尤其在配制高流动性和自密实性等高性能混凝土时就更加重要。
普通混凝土配合比设计由于水泥用量较大，从而导致混凝土中水泥浆体出现干缩龟裂等耐久性不良问题。
提高混凝土等级节能、节材成为一种发展趋势，而混凝土等级愈高，节约水泥的潜力愈大。
从集料最紧密堆积、耐久性和孔结构，水泥石一粗集料高黏接强度诸方面整合其最佳结构模型。
进一步通过试验，综合原材料择优、集料级配，“双掺”技术，掺合料强度激发剂，水泥强度富余系数利用等因素，确定实现上述目标的技术路线，以便于工艺过程实施。
关键词：
混凝土结构模型；最紧密堆积；“双掺”技术；激发剂
.
ABSTRACT
Concreteiscloselyrelatedtoitsmix.Inrecentyears,cement,mobilityanddurabilityofconcretehasreceivedspecialattention,especiallyinthepreparationofhighliquidityandhigh-performanceself-compactingconcreteandsowhenmoreimportant.Ordinaryconcretemixdesignasthelargeramountofcement,resultinginconcreteandothercementpastewillshrinkandcracksproblemofpoordurability.Itisakindofdevelopingtrendthatimprovingthedegreeofconcretesaveresourcesandcutdownmateria1．Howeverthehigherofconcretedegree，thethebiggerofpotentialsavingconcrete．Fromthecompactestaccumlativepermanentstabilityandholestructure，highadhesivestrengthofconcretestoneandthethickaggregateandSOon，wecanmakethebeststructuremode．Troughgoingfllrtherexperiment，choosethebestmaterialaggregatewithdouble—admixturestechologyandadmixturesstrengthaccelerating-agent．Thecements~engthfactorisutilized，thentheexecutivemethodoftechnologyisdeterminedinordertorealizethecraftprocess．
KeyWOrds：
modelofconcretestructure；largestclose-packing；double-admixtures；accelerating—agent.
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章绪论 1
1.1前言 1
1.2水泥及混凝土简史 1
1.3密实度模型的发展 3
1.4国内外密实度模型的应用 4
1.5研究的意义和内容 5
1.5.1课题的意义 5
1.5.2研究的内容 5
第二章紧密堆积模型和混凝土配合比设计 7
2.1紧密堆积理论 7
2.2紧密堆积模型 7
2.3普通混凝土配合比设计 9
2.3.1普通水泥混凝土 9
2.3.2普通水泥混凝土的组成设计（以抗压强度为指标的计算方法） 9
2.4紧密堆积混凝土配合比设计 14
第三章试验研究 17
3.1试验设计思路 17
3.2试验原理和方法 17
3.3试验仪器及设备 18
3.4试验原材料选择 18
3.4.1水泥 18
3.4.2粗集料 19
3.4.3细集料 20
3.4.4水 20
3.4.5骨料堆积试验 20
3.5初步紧密堆积混凝土试验 26
3.5.1初步试验设计 26
3.5.2初步试验结果及分析 26
3.6对比试验 28
3.6.1对比试验设计 28
3.6.2对比试验结果及分析 29
3.7综合对比分析 29
第四章技术效益分析 30
4.1经济效益分析 30
4.2能源环保效益分析 30
第五章结论 32
5.1主要结论 32
5.2需要进一步研究的内容 33
参考文献 34
致谢 35
35
第一章绪论
1.1前言
在进入21世纪的今天，水泥混凝土材料已经逐渐成为人类社会生活、文化生活的基础，城市化、高速公路、港口码头、立交桥、机场、大坝等建设中应用最大量、最广泛的便是水泥混凝土。
由于同其他建材（如钢材、合金、塑料、木材等）比较，水泥混凝土具有节能、经济、生态、来源广、应用方便、耐久性好、维修能耗最低，使用寿命最长等优点，需求量迅速增长。
但水泥混凝土及水泥工业的发展，也带来了严重的环境与资源问题。
水泥工业的发展，消耗了大量的能源及石灰石、黏土等矿产资源，同时排放了大量的污染物。
生产每吨硅酸盐水泥熟料，消耗石灰石约1.3吨，黏土约0.3吨，排放1吨多CO2。
现在，水泥工业每年消耗石灰石4亿多吨，黏土l亿多吨，排放3亿多吨CO2，大量的NO2，SO2有害气体，排放粉尘1000万吨以上。
水泥的生产是以巨大的能源、资源消耗为代价并造成严重的环境负荷。
这对我国及世界的可持续发展极为不利。
混凝土的密实堆积[1]就是选取合适细度模数的砂子、合理级配的石子、不同粒径的掺合物，拌制而成堆积密度最大的混凝土。
混凝土密实度增加了，从而使混凝土的耐久性得到提高。
本文根据实际需要寻找最佳掺量比例，达到水泥使用量相同，混凝土强度提高；混凝土强度相同，水泥用量减少的目的。
1.2水泥及混凝土简史
cement一词由拉丁文cemented发展而来，是碎石及片石的意思。
水泥的历史最早可追溯到古罗马人在建筑中使用的石灰与火山灰的混合物，这种混合物与现代的石灰火山灰水泥很相似。
用它胶结碎石制成的混凝土，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。
长期以来，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于建筑工程。
1756年，英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现：
要获得水硬性石灰，必须采用含有粘土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆，最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。
这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。
1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥，外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，命名为罗马水泥。
因为它是采用天然泥灰岩作原料，不经配料直接烧制而成的，故又名天然水泥。
具有良好的水硬性和快凝特性，特别适用于与水接触的工程。
1813年，法国的土木技师毕加发现了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。
1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权。
他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。
因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥。
它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意义。
1907年，法国比埃利用铝矿石的铁矾土代替粘土，混合石灰岩烧制成了水泥。
由于这种水泥含有大量的氧化铝，所以叫做“矾土水泥”。
1871年，日本开始建造水泥厂。
1877年，英国的克兰普顿发明了回转炉，并于1885年经兰萨姆改革成更好的回转炉。
1889年，中国河北唐山开平煤矿附近，设立了用立窑生产的唐山“细绵土”厂。
1906年在该厂的基础上建立了启新洋灰公司，年产水泥4万吨。
1893年，日本远藤秀行和内海三贞二人发明了不怕海水的硅酸盐水泥。
20世纪，人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥，特种水泥等。
全世界的水泥品种已发展到100多种，2007年水泥年产量约20亿吨。
中国在1952年制订了第一个全国统一标准，确定水泥生产以多品种多标号为原则，并将波特兰水泥按其所含的主要矿物组成改称为矽酸盐水泥，后又改称为硅酸盐水泥至今。
2007年中国水泥年产量约11亿吨。
我国预拌混凝土技术发展起步较晚。
70年代末,首次从日本购进成套混凝土搅拌站、搅拌输送车和输送泵,开始了我国预拌混凝土生产和泵送混凝土施工。
1978年常州市建立预拌混凝土搅拌站,以商品形式向用户提供混凝土。
同年,上海宝钢购进日本成套设备,建成生产能力50万立方米预拌混凝土搅拌站。
20世纪80年代中期是混凝土搅拌站第1次建站高峰,90年代是第2次建站高峰,也是我国预拌混凝土行业成熟和发展最快的一个时期。
20多年来,混凝土生产企业如雨后春笋般迅猛发展,已成为中国建筑业一支朝气蓬勃的生力军。
进入21世纪,随着国民经济的持续快速发展,混凝土生产企业更是风起云涌,市场呈现出勃勃生机。
2006年,全国预拌混凝土供应量4.76亿立方米,比2005年增加1.07万立方米,增幅为29.17%;预拌混凝土年搅拌能力10.81亿立方米,比2005年增加1.95亿立方米,混凝土搅拌站2891个,比2005年增加466个;混凝土搅拌车37427辆,比2005年增加7112辆,混凝土泵车6527辆,比2005年增加1341。
温家宝总理作出重要指示,当前建筑企业面临的主要任务之一是"广泛应用节能环保技术,推进建筑业可持续发展".指出了建筑企业应承担的社会责任.建筑能耗占全社会总能耗的40%左右,包括生产和使用两个环节.降低生产过程中的能耗,建筑企业责无旁贷.降低使用能耗,建筑企业也是可以有所作为的.
1.3密实度模型的发展
早在19世纪，部分学者就已经对混凝土的骨料堆积的概念产生了兴趣。
1892年，R.Feret发表了有关混凝土颗粒堆积的文章。
1896年，这种堆积方法用于研究在海洋环境下，斯堪的纳维亚建筑的混凝土耐久性。
后来，美国波特兰水泥协会的Powers等人对混凝土骨料的空隙比评估做了大量研究。
颗粒体系的密实堆积，对工业和研究的诸多领域均有重要的影响，于是它引起了许多其他技术领域的广泛兴趣，如陶瓷、石油沥青、粉末冶金等等。
最早的有关密实度模型报道的文章是1930年出版的关于最优堆积对液体在填料塔中流动的影响。
在1929年和1930年，Furnas和Westmann分别对理想球体的堆积密实度做了大量研究。
19世纪50年代和60年代原子能技术的应用和航天技术的发展进一步推动了堆积密实度方法的研究。
从此之后，密实度模型有了很大的发展。
模型从简单的只考虑圆形颗粒、两到三种颗粒粒径且互相不影响的体系到多种粒径、连续级配且相互影响体系。
比如,1967年的Aim[2]和Goff模型，1976年的Toufar模型，1986年Stovall的线性模型（LPDM）和Dewar模型，1999年的DeLarrard的可压缩模型（CPM）。
Johans和Dewar经过分析认为Furnas模型、Aim和Goff模型不适于混凝土颗粒体系的密实度计算。
法国路桥试验中心（LCPC）通过十几年的研究工作，发展了用于预测颗粒混合物体系的堆积密实度模型，并且编写了基于该模型的优化高性能混凝土配合比设计的计算机软件。
可压缩堆积模型（CPM）是LCPC继颗粒线性堆积模型（LPDM）、固体悬浮模型（SolidSuspensionModel，SSM）之后发展的第三代颗粒堆积密实模型，其最大的创新之处在于区分了虚拟堆积密实度和真实堆积密实度，建立了虚拟堆积密实度与堆积过程的关系。
不同于Toufar模型和Dewar模型的理论模型假设：
（1）颗粒是理想圆形的；
（2）颗粒为单个粒径；（3）细颗粒和粗颗粒具有不同的粒径。
CPM模型充分考虑了颗粒的粒径分布以及不同堆积方法对颗粒堆积密实度的影响，克服了Toufar模型和Dewar模型单一粒径假设的局限性，可预测任何粒级组合的堆积密实度。
1.4国内外密实度模型的应用
虽然国内外已有部分学者利用各种数学模型对混凝土的粗骨料、细骨料，水泥基材料的堆积密实度做了研究，但其主要停留在密实度的计算上，并没有把密实度的计算结果与混凝土的物理化学性质结合起来，如M.R.Jones和L.Zheng等人分别利用Dewar模型、Toufar模型、DeLarrard线性堆积模型、CPM模型、修正后的CPM模型计算了混凝土粗骨料、细骨料、水泥基材料的二元和三元体系的堆积密实度[3]。
在国内如王爱勤、张承志，唐明述等人利用Aim和Goff模型计算了火山灰材料与水泥的二元体系的的堆积密实度，并从火山灰的填充作用的角度来讨论其对水泥性能的改善。
龙广成、谢友均等人也利用Aim和Goff模型研究了掺矿物掺合料对颗粒体系的密实度的影响，并利用浆体相对密度指标，分析了火山灰质材料的填充作用以及对水泥浆体的流动性、胶砂强度和胶凝材料固体体积的影响。
牛全林等借鉴Horsfield模型和Andrensen方程分析了超细粉对普通细度水泥的填充作用。
龙湘敏采用最小需水量法，验证了超细粉煤灰的掺量对颗粒体系堆积密实度的影响，研究了不同细度和不同掺量的超细粉煤灰对低水胶比浆体的密实填充效应及其对浆体流动性和抗压强度的影响。
毛丹等人利用CPM模型计算了粉煤灰、矿渣、硅灰与水泥单掺和双掺的密实度，并重点讨论了各种矿物微粉与水泥单掺时密实度对水泥新拌浆体流变性能和硬化浆体的力学性能的影响。
1.5研究的意义和内容
1.5.1课题的意义
混凝土具有节能、经济、生态、来源广、应用方便、耐久性好、维修能耗最低，使用寿最长等优点，因此，混凝土已经发展成为目前人类应用最广泛的建筑材料之一。
但混凝土及水泥工业的发展，也带来了严重的环境与资源问题。
水泥工业的发展，消耗了大量的能源及石灰石、黏土等矿产资源，同时排放了大量的污染物。
生产每吨硅酸盐水泥熟料，消耗石灰石约1.3吨，黏土约0.3吨，排放1吨多CO2。
现在，水泥工业每年消耗石灰石4亿多吨，黏土l亿多吨，排放3亿多吨CO2，大量的NOx，SO2有害气体，排放粉尘1000万吨以上。
水泥的生产是以巨大的能源、资源消耗为代价并造成严重的环境负荷。
这对我国及世界的可持续发展极为不利。
为此，本研究重点从水泥混凝土的强度构成原理出发，借鉴体积法设计思想，提出紧密堆积结构组成，充分发挥集料的作用。
试验研究粗集料的结构组成、砂作为填充颗粒的比例、水泥净浆作为填充固结料等对水泥混凝土工作性与强度的影响，以技术合理、经济有效、可操作性强为原则，提出紧密堆积型水泥混凝土配合比设计方法[1]。
研究成果可直接指导水泥混凝土设计与施工，保证工程质量，节约工程成本，有效利用有限资源，具有重要的工程现实意义。
1.5.2研究的内容
本文通过建立紧密堆积模型为基础,以及应用模型于粉体颗粒体系堆积密度的计算。
并且从水泥混凝土的强度构成原理出发，借鉴体积法设计思想，提出粗集料紧密堆积结构组成和紧密堆积型混凝土理念，用振动填充试验方法，分析不同因素对粗集料紧密堆积结构组成的影响，以便于操作、实用可行为原则，提出级配组成设计方法。
通过坍落度试验，分析水灰比、砂率、填充比等对紧密堆积型混凝土工作性的影响。
对紧密堆积型混凝土的强度特性进行系统试验，分析不同参数与抗压强度的关系，得出关系表达式。
综合工作性与强度特性研究成果，提出同时满足工作性与强度要求的紧密堆积型混凝土配合比设计方法。
图1.1为本文的技术线路图。
结论
试验结果分析
实验方案设计、性能测试、结果
混凝土配合比设计
紧密堆积模型的建立
方案的制定
文献收集调研
图1.1本文的技术线路图
本文的研究内容主要包括以下几个方面：
1.粉煤灰掺入砂、不同粒径粗骨料间和粉煤灰与砂最佳级配的混合物掺入已级配好的粗集料的最紧密堆积；
2.根据紧密堆积混凝土配合比设计方法计算紧密堆积混凝土配合比；
3.配制紧密堆积混凝土实验；
4.紧密堆积混凝土工作性能和强度实验；
5.配制普通混凝土实验；
6.普通混凝土工作性能和强度实验；
7.将普通混凝土和紧密堆积混凝土进行综合比较，并得出结论。
第二章紧密堆积模型和混凝土配合比设计
2.1紧密堆积理论
常规固井水泥浆在混合和泵送顶替时的最优性能与长期层间封隔水泥环柱所要求的力学性能总是矛盾的，在密度低或高时矛盾更加突出。
由于材料力学的发展，材料科技工作除关注化学键力的开发外，更注重颗粒间范德华力[5]的开发，并发现紧密堆积理论是获得高性能固井材料的关键。
利用紧密堆积理论与颗粒大小分布技术，使微细胶凝颗粒挤入材料的空隙，材料的胶空比大幅度降低，提高颗粒间的范德华力，从而创造出了新的高性能凝胶材料。
但用于紧密堆积的微细胶凝颗粒应是水化膜薄、外型呈球形、具有较好的活性颗粒。
因此通过线性堆积密度模型以及二元系统的最大堆积密度与微细胶凝材料直径的关系，可以提出二元系统最大堆积时微细胶凝材料的体积分数为0.18～0.27，对于密度与水泥最近的微细胶凝材料，其最佳掺量为18%～27%，指出二元充填微细胶凝材料的尺寸应在被填充材料颗粒尺寸的至l/10范围内；提出了干混材料堆积体积分数（PVF）的概念，PVF值越高，水泥浆性能越好。
2.2紧密堆积模型
根据库纳德森COONADESION公式
式中—实状态的混凝土强度;
—系数;
—混凝土孔隙率,%。
混凝土强度随着其孔隙率的降低,呈指数函数规律提高。
欲配制密实、高强的混凝土,则负中心质（孔隙率）所占的空间最大限度地降低,以获得高强混凝土高性能混凝土。
具体方法只能以达到“最小空隙率、最小比表面积、最大堆积密度”的目标级配得以实现。
对于无相互作用的二元混合料，堆积密实度γ和颗粒的体积分数y应用CPM模型计算如下：
当粗颗粒占主导地位的情形，粗颗粒堆积达到最大密度，V1=β1，V2=y2γ，所以
γ=γ1=β1/（1﹣y2）
我们用γ1表示颗粒1占主导地位时的堆积密度，β1为颗粒1的剩余堆积密实度；当小颗粒占主导地位时，小颗粒堆积达到最密实，同样有：
V1=y1γ，V2=β2（1﹣V1），所以
γ=γ2=β2/[1﹣（1﹣β2）y1]
试验中当固定一种颗粒的体积时，堆积密实度γ就与另一种颗粒的体积掺入量有关。
总之不管哪个颗粒占主导地位，都可以计算γ1和γ2。
这样作为通史可以写作：
γ≤γ1<=>V1+V2≤β1/[1﹣V2/（V1+V2）]<=>V1≤β1
γ≤γ2<=>V1+V2≤β2/[1﹣（1﹣β2）V1/（V1+V2）]<=>V2≤β2（1﹣V1）
因此，一个二相体系的堆积密实度为：
γ=Min（γ1，γ2）
图2.1表示了混合料从纯粗骨料颗粒堆聚至纯细颗粒堆聚时，堆积密实度的变化。
从y2=0至波最高点，由于粗颗粒的空隙部分逐渐被细颗粒所填充而使堆积密实度提高，细颗粒正好填满粗颗粒的空隙时时波高点，对较大的y2值来说，由于粗颗粒被等量体积细颗粒所替代，这样混合料总固体体积是减少的。
图2.1无相互作用的二元混合料堆积密实度与细颗粒用量的关系
对于多相体系，当第i级颗粒占主导地位时：
Vi=βi（1﹣V1﹣V2﹣…﹣Vi-1）
混合料堆积密度：
同理，一个多相体系的堆积密实度必须满足
需要指出，n相颗粒堆积系统中必须有一种颗粒占主导地位，否则整个颗粒体系将不再是一个密实堆积体系，而是悬浮体系。
2.3普通混凝土配合比设计
2.3.1普通水泥混凝土
普通水泥混凝土是以通用水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，并以水为原材料，按专门设计的配合比，经搅拌、成型、养护而得到的复合材料。
现代水泥混凝土中，为了调节和改善其工艺性能和力学性能，还加入各种化学外加剂（AdimiXture）和磨细矿质掺合料（Additive）。
普通水泥混凝土具有原料丰富，便于施工和浇筑成各种形状的构件，硬化后性能优越、耐久性好，节约能源，成本低廉等优点。
所以普通混凝土广泛应用于工民建、道路与桥梁、矿山井巷等建筑工程中。
2.3.2普通水泥混凝土的组成设计（以抗压强度为指标的计算方法）
1.初步配合比的计算
（1）确定混凝土的配制强ƒcu.o
混凝土配制强度（ƒcu.o）应根据:
①设计要求的混凝土强度等级;②施工单位质量管
理水平，按一下式确定。
ƒcu.o=ƒcu.k+1.645σ
式中:
ƒcu.o——混凝土的施工配制强（MPa）
ƒcu.k——混凝土立方体抗压强度标准值（即设计要求的混凝土强度等级）（Mpa）
σ——由施工单位质量管理水平确定的混凝土强度标准差（MPa）
混凝土强度标准差宜根据同类混凝土统计资料计算确定，并符合下列规定:
（1）计算时，强度试件组数不少于25组;
（2）当混凝土强度等级为C20和C25级，其强度标准差计算值小于2.5MPa时，计算配制强度用的标准差应取不小于2.5MPa;当混凝土强度等级等于或大于C30级，其强度标准差计算值小于3.0MPa时，计算配制强度用的标准差应取不小于3.0MPa。
（3）当无统计资料计算混凝土强度标准差时，其值按下表的规定选用。
表2.1混凝土强度标准差σ值表
强度等级（MPa）
低于C20
C20–C35
高于C35
标准值σ（MPa）
4.0
5.0
6.0
（2）计算水灰比（W/C）
1）按混凝土要求强度等级计算水灰比和水泥实际强度
根据己确定的混凝土配制强度ƒcu.o，由下式计算水灰比:
ƒcu.o=Aƒce（C/W-B）
式中:
ƒcu.o—混凝土的配制强（MPa）
A，B—混凝土强度回归系数，根据根据使用的水泥和粗、细集料经过试验得出灰水比与混凝土强度关系式确定，若无上述试验统计资料时，可采用下表数值;
表2.2混凝土强度回归系数
品种
系数
碎石
卵石
A
0.46
0.48
B
0.07
0.33
C/W—混凝土所要求的水灰比
ƒce—水泥28d抗压强度实测值（MPa）
ƒce=Y0׃ce.k
其中:
ƒce.k—水泥强度等级值（MPa）;
Y0—水泥强度等级值的富余系数。
该值可按各地区实际统计资料确定。
通常取1.00～1.13。
2）按耐久性校核水灰比
表2.3普通混凝土的最大水灰比和最小水泥用量（JGJ55一2000）
环境
条件
结构物
最大水灰比
最小水泥用量（kg/m³）
素混凝
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