一种基于修正CPM模型及纳米碳酸钙强化的高性能再生混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明涉及建筑废弃物在混凝土中高值化利用领域，具体涉及一种基于修正CPM模型及纳米碳酸钙强化的高性能再生混凝土配合比设计方法。

背景技术

我国目前正处于建筑行业蓬勃发展，城市基础设施大量兴建的过程中。作为最重要的建筑材料，商品混凝土的年均产量已经超过2.5×10

再生骨料因表面粘附着老砂浆，通常具有较低的表观密度，较高的吸水率与压碎指标，会对混凝土力学性能与耐久性能产生负面影响。若要用于制备高性能混凝土，在结构构件中实现高等级应用，不宜直接套用常规配合比设计流程，须对再生骨料进行强化处理，并改进混凝土配合比设计流程。

在常规配合比设计流程中多项参数根据图表确定，很大程度依赖于经验，然而再生骨料性能指标与天然骨料有较大差距，不宜直接套用以往的经验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有混凝土设计的局限性，基于堆积模型及纳米强化提供一种科学实用的高性能再生混凝土配合比设计方法。

本发明具体采用下述技术方案实现：

一种基于修正CPM模型及纳米碳酸钙强化的高性能再生混凝土配合比设计方法，步骤如下：

(1)确定纳米CaCO

(2)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料以不同比例混合后得到的混合料I的堆积密实度，根据峰值位置确定再生混凝土体积砂率；

(3)确定胶凝材料组成，即水泥及矿物掺合料的比例；

(4)在体积砂率既定的前提下，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料以不同体积比例混合后得到的混合料II的堆积密实度，根据峰值位置确定再生混凝土的胶骨体积比(即胶凝材料与再生粗细骨料的体积比)；

(5)计算再生混凝土配制强度，利用鲍罗米公式确定有效水胶比(即在不计再生粗细骨料吸收的水分时，混凝土中拌合用水与胶凝材料的质量比)；

(6)利用体积法确定再生混凝土的初步计算配合比，即再生粗骨料用量、再生细骨料用量、胶凝材料用量以及拌合用水量；

(7)根据再生粗细骨料吸水特性确定单位体积再生混凝土附加用水量；

(8)根据初步计算配合比进行试配，基于再生混凝土流动性要求，确定减水剂用量，基于再生混凝土力学及耐久性要求，允许适当调整有效水胶比及胶凝材料组成。

进一步地，步骤(1)所述纳米CaCO

进一步地，步骤(1)所述纳米CaCO

进一步地，步骤(2)以及步骤(4)中所述修正CPM模型待求量分别为混合料I和混合料II的实际堆积密实度Ф，按照下式计算，本发明相较于常规CPM模型的差异关键在于压实系数K取值：

β

β

r

a

b

d

K——混合料的压实系数；压实系数K与外界提供给混合料的压实能量相关，在干燥状态下对混合料进行振捣，K＝9.0-6.2r

在本发明的高性能再生混凝土内，再生粗骨料、再生细骨料、胶凝材料等各类颗粒通常涵盖多个粒级，彼此会存在交叠，存在交叠的粒级的剩余堆积密实度β

R

r

β

进一步地，步骤(3)中所述胶凝材料组成基于以往经验确定，或参考普通混凝土相关规范或规程确定，建议矿物掺合料比例不超过40％。

进一步地，步骤(5)中所述再生混凝土配制强度f

进一步地，步骤(5)中所述鲍罗米公式经验系数取值建议与碎石混凝土相等，即为α

进一步地，步骤(6)中所述附加用水量为再生粗骨料与再生细骨料2h吸水量，这是因为再生混凝土浇筑成型后在2h内再生粗细骨料基本能完成吸水过程。

本发明中，所述水泥可以采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等，所述矿物掺合料可以采用粉煤灰、矿渣粉、微硅粉、沸石粉、偏高岭土等，所述减水剂可以采用聚羧酸减水剂、木质素减水剂、萘系减水剂、树脂系减水剂、脂肪族减水剂等。

本发明的发明原理为：

本发明采用理论性较强的颗粒堆积模型进行配合比设计，可实现在已知粗细骨料甚至胶凝材料基本物理性能的条件下，通过计算得到以不同比例混合后的堆积密实度，以此优化颗粒组成，提高混凝土致密程度，间接提高混凝土各项性能指标。本发明在众多堆积模型中，选择de Larrard创建的可压缩堆积模型(CPM模型)，该模型的考虑因素较多，计算精度较高。且本发明对CPM模型作出了必要修正，将其推广应用于再生混凝土配合比设计中，使得确定砂率与胶骨比的过程更加科学有据。

再生骨料的强化处理包括物理强化、化学强化、微生物强化等多种途径，采用纳米材料对再生骨料进行喷淋或浸渍是具有应用潜力的新型强化方式。纳米材料具有体积效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，既具有较高火山灰活性，能参与胶凝材料水化反应，还能附着于再生骨料表面，起到填充孔隙与微裂缝的作用，以此改善混凝土各项性能指标。本发明采用价格较为低廉的纳米CaCO

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过系数修正，将常规CPM模型推广应用于再生混凝土的颗粒组成优化，使得确定砂率与胶骨比的过程更有理论依据。修正CPM模型能切实提高再生混凝土致密程度，减少填充空隙所需的浆体量及拌合水量。本发明采用纳米CaCO

附图说明

图1为实施例1再生粗骨料与再生细骨料堆积密实度计算值；

图2为实施例1再生粗细骨料与胶凝材料堆积密实度计算值；

图3为实施例3再生粗骨料与再生细骨料堆积密实度计算值；

图4为实施例3再生粗细骨料与胶凝材料堆积密实度计算值。

具体实施方式

为更透彻地理解本发明，结合实施例进行阐释，再生混凝土原材料性能如下所述：

再生粗骨料I由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2230kg/m

再生粗骨料II由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2280kg/m

再生细骨料I由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2130kg/m

再生细骨料II由废弃混凝土破碎得到，表观密度为2060kg/m

基准水泥为42.5级，表观密度为3150kg/m

微硅粉为BK93级，表观密度为2110kg/m

聚羧酸减水剂减水率在25～35％范围内，含固量为40％。

纳米CaCO

实施例1

本实施例采用再生粗骨料I与再生细骨料I配制高性能再生混凝土，胶凝材料由水泥与微硅粉组成，要求坍落度达到150mm，强度达到C55等级。

(1)确定纳米CaCO

(2)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料的堆积密实度，如图1所示，再生细骨料体积比例46.1％时取到峰值0.665，即再生混凝土体积砂率取为46.1％。

(3)确定胶凝材料组成，以体积计基准水泥占85％，微硅粉占15％。

(4)体积砂率保持46.1％不变，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料的堆积密实度，如图2所示，胶凝材料体积比例20.3％时取到峰值0.742，即再生混凝土胶骨体积比取为0.255。

(5)确定再生混凝土配制强度f

(6)利用体积法确定初步计算配合比，含气量取为1.0％，单位体积再生混凝土再生粗骨料用量为796.4kg/m

(7)根据再生粗骨料与再生细骨料2h吸水率，单位体积再生混凝土附加用水量为796.4×3.45％+651.6×6.20％＝67.9kg/m

(8)根据初步计算配合比进行试配，以质量计聚羧酸减水剂掺量取为胶凝材料1.60％，单位体积再生混凝土聚羧酸减水剂用量为8.1kg/m

根据上述分析计算，再生混凝土配合比如下表所示：

制备100mm×100mm×100mm立方体试件，拆模后在标准环境下养护，并利用压力机检测再生混凝土力学性能，发现3d龄期、7d龄期、28d龄期抗压强度分别达到36.9MPa、49.0MPa、63.7MPa，28d龄期劈裂抗拉强度达到4.36MPa。

实施例2

在实施例1基础上，将再生粗骨料纳米CaCO

实施例3

本实施例采用再生粗骨料II与再生细骨料II配制高性能再生混凝土，胶凝材料由水泥与微硅粉组成，要求坍落度达到150mm，强度达到C50等级。

(1)确定纳米CaCO

(2)利用修正CPM模型，计算再生粗骨料与再生细骨料的堆积密实度，如图3所示，再生细骨料体积比例44.8％时取到峰值0.698，即再生混凝土体积砂率取为44.8％。

(3)确定胶凝材料组成，以体积计基准水泥占90％，微硅粉占10％。

(4)体积砂率保持44.8％不变，利用修正CPM模型，计算再生粗细骨料与胶凝材料的堆积密实度，如图4所示，胶凝材料体积比例17.9％时取到峰值0.753，即再生混凝土胶骨体积比取为0.218。

(5)确定再生混凝土配制强度f

(6)利用体积法确定初步计算配合比，含气量取为1.0％，单位体积再生混凝土再生粗骨料用量为866.2kg/m

(7)根据再生粗骨料与再生细骨料2h吸水率，单位体积再生混凝土附加用水量为866.2×2.58％+635.0×8.13％＝74.0kg/m

(8)根据初步计算配合比进行试配，以质量计聚羧酸减水剂掺量取为胶凝材料1.80％，单位体积再生混凝土聚羧酸减水剂用量为7.3kg/m

根据上述分析计算，再生混凝土配合比如下表所示：

制备100mm×100mm×100mm立方体试件，拆模后在标准环境下养护，并利用压力机检测再生混凝土力学性能，发现3d龄期、7d龄期、28d龄期抗压强度分别达到32.7MPa、45.6MPa、57.2MPa，28d龄期劈裂抗拉强度达到4.23MPa。

实施例4

在实施例3基础上，将再生粗骨料纳米CaCO

在上述4个实施例高性能再生混凝土试件内凿取砂浆碎片，利用压汞仪检测孔隙结构，其中有害孔隙孔径超过200nm，无害孔隙孔径不超过50nm，少害孔隙介于两者之间。

根据检测数据可知，基于修正CPM模型与纳米CaCO

以上所述仅为较为理想的实施例，本发明并不局限于此，在本发明的精神及权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改与等同替换，均在本发明的保护范围内。