2、基于Dinger-Funk方程的活性粉末混凝土配合比设计
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东南大学学报
第40卷 增刊(II) (自然科学版) 2010年11月
目次
基于应力裂纹宽度关系的钢纤维混凝土设计方法 张 君 陈 操(1)钢纤维增韧自密实微膨胀钢管混凝土 丁庆军 刘荣进 牟廷敏 宋晓波(10)基于DingerFunk方程的活性粉末混凝土配合比设计 崔 巩 刘建忠 姚 婷 林 玮(15)高韧性水泥基复合材料试验研究 薛会青 邓宗才(20)秸秆 张政涛 陈惠苏 袁海峰 玄武岩纤维对矿物掺合料砂浆性能的影响 叶邦土 蒋金洋 孙 伟 橡胶微粒对CA砂浆性能的影响 洪锦祥 刘加平 万 徐 静 朱晓斌 钢纤维和仿钢纤维喷射混凝土性能 欧阳幼玲 陈迅捷 陆采荣 纳米SiO2改性纤维在水泥基材料中的应用 阳知乾 刘建忠 CA砂浆泌水的影响因素分析 徐 静 洪锦祥 刘加平 万 朱晓斌 短切玄武岩纤维增强低导热型加气混凝土的试验研究 李 敏 轴压比对钢纤维高强混凝土框架节点抗震性能的影响 张军伟 高丹盈 喷射GFRP加固开窗洞砌体墙抗震性能试验研究 谷 倩 蒋 华 张广海 纤维对CA砂浆拌合物性能的影响 朱晓斌 洪锦祥 钢纤维分布的表征及对水泥基材料拉伸行为的影响 李长风 刘加平 计算混凝土湿热耦合变形的解析有限元结合解法 陈德鹏 钱春香 缪昌文 水泥混凝土增强用短切聚丙烯纤维分散助剂 周 存 郑 帼 高温作用后矿渣微粉纤维混凝土的微观结构 杨淑慧 高丹盈改性组分对水泥基材料韧性的影响 龙广成 李 哲 丁 晨PVAFRCCs粘贴式薄板单轴直接拉伸试验研究 高淑玲 刘 波 袁 全多场耦合作用下氯离子分布场的数值模型 付传清 金贤玉 田 野 金南国冻融破坏下水泥基材料中裂缝连通行为的模拟 袁海峰温度对不同酯类聚羧酸接枝共聚物性能的影响 周栋梁 冉千平 江 姜 刘加平梳形共聚物分散剂侧链长度对浓水泥浆体分散保持性能的影响及机理
冉千平 刘加平 缪昌文 周栋梁高强混凝土坍落度和强度模型 焦楚杰 张文华氧化镁复合膨胀剂对高性能混凝土变形特性的影响
刘加平 张守治 田 倩 郭 飞聚乙烯醇纤维和减缩剂对等强度混凝土徐变性能的影响
何智海 钱春香 钱桂枫 孟凡利 程 飞 高祥彪玄武岩纤维增强路用混凝土力学与开裂性能 金祖权 高 嵩 侯保荣 赵铁军基于等效龄期与结构单元的HPC早龄期拉伸徐变评价 杨 杨 吴炎平 朱张丰减缩剂对水泥浆体结构演变的影响 张建纲 高南箫 冉千平 刘加平混凝土模拟液中临界氯离子浓度影响因素分析 张倩倩 孙 伟邱克超(28)王彩辉(34)王文峰(40)方 瞡(44)刘加平(49)刘至飞(56)吴智深(61)朱海堂(66)彭少民(72)徐 静(79)刘建忠(84)刘加平(89)孙 玉(96)赵 军(102)谢友均(107)陈 培(113)顾祥林(119)陈惠苏(126)缪昌文(133)毛永琳(138)何 娟(144)王育江(150)庄 园(155)蒋金洋(160)许四法(165)缪昌文(172)刘加平(177)
第40卷增刊(II)
2010年11月
东南大学学报(自然科学版)
JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)
Vol.40Sup(II)
Nov.2010
基于DingerFunk方程的活性粉末混凝土配合比设计
崔 巩 刘建忠 姚 婷 林 玮
(江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室,南京210008)
摘要:为了提高活性粉末混凝土(RPC)的密实度,用最紧密堆积理论对RPC进行配合比设计.基于最紧密堆积理论,运用Matlab与ExcelSolverTool进行编程,实现RPC复合体系的静态密实堆积的理论计算,并变换配合比参数,对理论计算配合比进行验证.试验结果表明:按照理论计算配合比所配制的RPC抗压强度高达1866MPa,抗折强度256MPa,且工作性能良好,PC配合比的工作性与力学性能综合为最优.可将基于相对于其他配合比,理论计算出的R
Dingerfunk方程的最紧密堆积模型科学地应用于RPC配合比设计.关键词:活性粉末混凝土;配合比设计;力学性能
中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2010)增刊(II)001505
Mixproportiondesignofreactivepowderconcrete
basedonDingerFunkequation
CuiGong LiuJianzhong YaoTing LinWei
(StateKeyLaboratoryofHighPerformanceCivilEngineeringMaterials,JiangsuResearchInstituteofBuildingScienceCo.,Ltd,
Nanjing210008,China)
Abstract:Inordertoimprovethecompactnessofreactivepowderconcrete(RPC),themixpropor
tionoftheRPCisdesigned.Basedonthemaximumdensitytheoreticalmodel,thetheoreticalcomputationofstaticdensepackingoftheRPCcompoundsystemisrealizedbyusingMatlabandExcelSolverTool.Themixproportionisverifiedbytransformingthemixparameters.ExperimentalresultsshowthattheRPCpreparedwiththedesignedmixproportionhasverygoodworkabilityanditscompressivestrengthandflexuralstrengthare1866MPaand256MPa,respectively.Theworkabilityandmechanicalpropertiesofthedesignedmixproportionareoptimalcomparedwithothermixproportions.ThemaximumdensitytheoreticalmodelbasedontheDingerFunkequationcanbescientificallyappliedtothemixproportiondesignofreactivepowderconcrete.Keywords:reactivepowderconcrete;mixproportiondesign;mechanicalproperty
[]活性粉末混凝土(reactivepowderconcrete,RPC)是继无宏观缺陷水泥、超细粒聚密水泥、化学结
合陶瓷、高强混凝土及高性能混凝土之后的一种新型水泥基复合材料.1993年,法国Bouygues实验室研制出一种超高抗压强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料,目前RPC已成为国际工程材料领域一个新的研究热点.
RPC的基本配制原理是:剔除粗集料,通过提高组分的细度与活性,使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减少到最低程度,以获得超高力学性能和高耐久性.为此,RPC中活性组分通常包括优质水泥、硅粉、
]
磨细石英粉(或粉煤灰、矿渣等矿物细掺料)等[.此外,原材料还包括石英砂、高效减水剂及微细钢纤维
等.原料颗粒粒径在01μm~1mm之间,尽量减小混凝土中的孔隙,从而使拌合物更加密实.
本文基于密实堆积理论,通过RPC各组分颗粒间的匹配,达到复合体系在固体状态下的最紧密堆积,PC复合体系的密实度,以期实现其高性能.采用计算程序,从紧密堆积理论计算粒径入手优进一步提高R
收稿日期:20100826. 作者简介:崔巩(1983—),男,硕士,工程师,cuigong@cnjsjk.cn. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50908104)、西部交通科技资助项目(2006ZB12).
化RPC配比,结合力学实验确定RPC最佳配比,选用矿物掺合料配制较低养护温度、较高抗压强度、工PC,研究各RPC的工作性及力学性能,为RPC进一步实现工程应用奠定基础.作性良好的R
1 原材料及试验方法
11 原材料
水泥:海螺水泥厂P·O425水泥;石英砂:粒径为150~600μm的连续级配石英砂,SiO2含量大于
2996%;超细矿粉:鲁新建材生产的超活性微矿粉,比表面积为8000m/kg;硅灰:挪威埃肯公司生产的中2质硅灰,比表面积为20000m/kg;纤维:江苏博特新材料有限公司生产的润强丝微细钢纤维;外加剂:江
苏博特新材料有限公司生产的PCAⅣB,固含量50%;水:自来水.12 成型及养护方式
先将水泥、硅灰及超细矿粉倒入搅拌锅内干拌30s,再加入水与外加剂,出现流动状态后按顺序加入石英砂与钢纤维,搅拌4~7min,搅拌完成后浇筑于40mm×40mm×160mm三联模中成型强度试件,静停6h,放入40℃蒸汽中进行带模养护1d,拆模后继续升温至85℃养护2d.13 试验方法
试件的抗折、抗压强度按《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》(GB/T17671—1999)进行测定,拌合物流GB2419—1999)采用跳桌法测定.动度按《水泥胶砂流动度测定方法》(
2 基于Dingerfunk方程的最紧密堆积模型
对于连续粒度体系,最紧密堆积的数学模型有Fuller紧密堆积理论和Andreasen经典连续堆积理论,Dinger和Funk通过在粉体中引入有限小的颗粒尺寸对Andreasen方程进行了修正,得到DingerFunk方
9]程[:
Andreasen方程是关于连续粒径分布的堆积模型
D
U(D)=100pp
Dmax
Dinger和Funk关于连续粒径分布的堆积模型
nnDDp-min
U(D)=10npn
DDmax-min
()
n
(1)
(2)
式中,U(D)为粒径为D%;DD为体系中最大颗粒的粒径;D为pp的累计筛下百分数,p为颗粒粒径;maxmin体系中最小颗粒的粒径;n为分布指数.
10]
Brouwers指出[,分布模数n的大小可以在一定程度上调整体系中细颗粒的比例,n较大时(n=04
~07)混合体系为粗匹配,而n值较小时,混合物中细料颗粒含量较高.自密实混凝土粉体量明显高于其
11]
他品种的混凝土,当n=025~030时可获得最佳堆积密实度[.RPC中粉体含量非常高,本文中n值取[12]值可偏小,取其下限为025.
3 粒度分析测试及配合比设计
由于DingerFunk方程是基于颗粒粒径的最紧密堆积模型,对RPC材料中的外加剂与钢纤维掺量进行固定,先不予考虑.对本文试验使用的原材料粉料进行粒度分析测试,结果见图1,图中还同时给出了按DingerFunk方程(n=025)得到的最紧密堆积的固体颗粒粒径分布曲线.
最紧密堆积数学模型DingerFunk方程确定的粒径分布,为RPC固体混合物体系所应达到的粒径分布,因此,RPC材料的配合比设计问题现在变成固体混合物的粒度分布UD)与DingerFunk方程的曲m(i线U(D)的拟合问题.而对于曲线拟合问题,也就是要求UD)与目标曲线U(D)的偏差最小化,这可tim(iti以运用最小二乘法要求其均方差和(RSS)最小来实现,即
n
2
RSS=∑[U(D)-UD)]in→mtim(i
i=1
(3)
并设定以下限制条件
0145323,0001114,0001078,0001018≤V≤V≤0≤V≤0≤VC≤0SFSLw≤0
VVVVVV1C+SF+SL+S+w+air=
式中,VV为硅灰的体积分数;V为超细矿粉的体积分数;VC为水泥的体积分数;SFSLS为石英砂的体积分数;VV为空气的体积分数,定为004.w为水的体积分数;air
通过以上粒度分析图与限制条件的确定,就可以对上述优化设计问题进行求解.求解过程可以通过Matlab程序,并结合MicrosoftExcel程序中ExcelSolverTool进行规划求解来实现.求解结果见表1,图2为优化求解结果的曲线拟合图.由图2可知,本方法得到的配合比设计结果的相关系数为926
%.
图1 各原料的粒径分布及其DingerFunk方程的粒径分布
图2 RPC配合比求解结果与理想粒径曲线的匹配
表1 基于DingerFunk模型的RPC配合比的优化求解结果
材料
3
m体积分数/
质量/kg
水泥0271584170684
硅灰0103022660184
超细矿粉0063416170132
石英砂0342190660737
水018001900155
质量比例
4 配合比设计验证
基于DingerFunk模型配合比设计的基础上加入微细钢纤维配制RPC,其配合比、流动度见表2,抗压、抗折强度分别见图3~图6.
表2 RPC配合比设计及流动度测试结果
编号1234567891011121314
水胶比01550155015501550155015501550155015501550155014501550165
胶凝材料
水泥075067059075067059067067067067067067067067
硅灰012020280202020202020202020202
超细矿粉013013013005013021013013013013013013013013
英砂07407407407407407405807409106122074074074
钢纤维0101010101010101010101010101
%减水剂/2626262626262626262626262626
流动度/mm
200183514017851835177194518351695165129169518351975
18 东南大学学报(自然科学版) 第40卷
图3 硅灰掺量对RPC力学性能的影响
图4 超细矿粉掺量对RPC
力学性能的影响
图5 砂胶比对RPC力学性能的影响
图6 水胶比对RPC力学性能的影响
从表1和图3中可以看出,随着硅灰掺量的升高,流动度逐渐降低,RPC强度呈现先增加后降低的趋势,这是由于硅灰的粒径较小,比表面积大,早期水化较快,适当的掺量可以达到使RPC原材料达到紧密堆积状态,从而能提高强度,另外硅灰的粒径较小,过高的掺量不仅增加了RPC拌合物的黏度,降低了拌合物的流动度,而且使拌合物内部气泡不宜排除,一定程度上导致混凝土强度的降低.
图4为超细矿粉对RPC材料强度的影响,掺入超细矿粉对RPC拌合物的RPC的流动性和强度影响均不显著,可能是由于超细矿粉的粒径分布于水泥的粒径分布相似,取代量的多少对紧密堆积影响不大,且超细矿粉的需水量与水泥相差不多.
保持其他参数不变,砂胶比的升高将导致流动性变差,砂胶比低于106时,砂胶比对流动性的影响并不显著,而当砂胶比高于106时,砂胶比增大,RPC拌合物的流动性急剧下降,导致成型的试件内在缺陷较多,而这必然影响强度,从图5中也可以看出,砂胶比对RPC的强度也有较大影响,随着砂胶比增大,RPC强度呈先增大后先减小的趋势.这是由于石英砂的粒径范围较大,砂胶比在074时,RPC原材料可以形成紧密堆积状态,而过高的砂胶比将引起没有足够的浆体填充石英砂堆积的孔隙,因此影响RPC流动性和强度.
水胶比对RPC的流动度和强度影响也较大,RPC的流动度随水胶比的提高而增加,这是因为在其他原料用量相同的情况下,水胶比提高,浆体的黏度减小;提高水胶比增加了浆体的总体积,因此包裹在骨料表面的水泥浆厚度增大.RPC强度随水胶比的减小呈增长的趋势,主要原因可能在于:RPC中没有使用粗集料,不存在较大的界面过渡区,因而水胶比减少时,其内部结构的致密性可以继续增加,从而其力学性能也不断提高.
5 结论
1)基于DingerFunk方程对石英砂及其他粉料进行最紧密堆积设计配制RPC材料,当达到最紧密堆积时,原材料比例为w(水泥)∶w(硅灰)∶w(超细矿粉)∶w(石英砂)∶w(水)=0684∶0184∶0132∶0737∶0155.
2)采用上述RPC配合比,并加入026%高效减水剂与01%微细钢纤维,并变换配合比参数对RPC配合比进行验证,得出按上述配合比设计的活性粉末混凝土为最优,工作性能良好,蒸养3d(40℃蒸养
增刊(II)崔巩,等:基于DingerFunk方程的活性粉末混凝土配合比设计19
1d;85℃蒸养2d)后,抗压强度为1866MPa,抗折强度为256MPa,流动度为1835mm.
参考文献(References)
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