一种基于浆骨比的耐高温混凝土配比设计方法及其混凝土应用
文献发布时间：2023-06-19 16:06:26
技术领域
本发明属于混凝土制备技术领域，具体涉及一种基于浆骨比的耐高温混凝土配比设计方法及其混凝土应用。
背景技术
耐高温混凝土是指能够长期承受高温并保持所需力学性能的混凝土，可应用于冶金、化工、石油、核电等行业长期受高温作用的构筑物。对于高温服役环境为100～500℃范围的混凝土，其在高温后会出现混凝土开裂和强度下降的现象。研究表明，混凝土在高温过程中，骨料未发生破坏，其性能劣化行为主要发生在水泥浆体之中，表现为两个方面：一是水泥水化生成的凝胶在高温下脱水失去胶凝性，导致混凝土性能下降，二是毛细孔中的水分在高温下蒸发后的气体压力对混凝土的损伤。
因此，为了提高混凝土的耐高温性能，需要基于高温下混凝土的破坏主要发生在浆体中的特点，来开发一种基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法，在保证混凝土具有良好拌合物性能的前提下，最大程度降低混凝土中浆体及其中孔隙水的含量，使混凝土在配比设计阶段充分针对耐高温性能提升需求，从而提高混凝土在高温环境下的服役寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可提高混凝土的耐高温性能的基于浆骨比的耐高温混凝土配比设计方法。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种基于浆骨比的耐高温混凝土配比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.将混凝土拌合物中的砂和石作为骨料，胶凝材料和水作为浆料，设定混凝土浆骨比(浆骨体积比)；
B.根据混凝土设计强度等级，设定混凝土单方用水量；
C.设定体积砂率、含气量、胶凝材料中掺和料掺量；
D.测试水泥、掺和料、骨料密度；
E.采用体积法计算水泥、掺和料、骨料的体积百分比；
G.计算单方混凝土中水泥、掺和料、骨料质量，设定外加剂掺量，设计出混凝土配比；
H.对混凝土配比进行试配，根据混凝土拌合物和易性和实测强度对浆骨体积比、单方用水量、体积砂率进行调整后重新计算配比试配至拌合物和易性良好、强度达到设计强的等级要求。
对上述配合比设计方法的具体原理阐述如下：
传统的配合比设计方法是计算-试配法，是在普通混凝土组成与性能规律的基础上，得到粗略配合比，再经试配调整得到以强度为主要指标的配合比，现有技术基本沿用这种方法。目前混凝土的配合比设计通常依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011，以混凝土28d抗压强度和坍落度为设计参数，因此常常会忽略耐久性及其他特殊工况下对混凝土的性能要求，导致配制出的混凝土存在不适应实际工程需要的情况。
基于浆骨比的混凝土配合比设计方法的实质是试配-计算-试配法，其特点是：通过试配确定粗骨料的级配和砂率，获得混合骨料实际最佳填充状态的参数。在此基础上，采用试配法获得最佳浆骨比；采用绝对体积法，并考虑外加剂和掺合料对混凝土主要性能的影响，建立混凝土配合比计算公式，通过计算获得混凝土初步配合比；通过试配、调整得到符合设计要求的最终配合比。这种设计方法，力求针对具体原材料，通过试配达到骨料最紧密堆积和最佳浆骨比。借助已知的混凝土组成材料与性能间的规律，通过计算得到满足要求的混凝土配合比。
基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法借鉴了传统浆骨比设计方法中将浆体和骨料分开计算的特点，但其目标并非获得最佳堆积级配，获得最佳的工作性能，而是在保证混凝土拌合物性能的基础上，最大程度降低浆体含量和用水量以提高混凝土的耐高温性能。
基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法，第一步就是确定合适的浆骨比，传统的普通混凝土为了具有足够的浆量，浆骨比通常在32.5:67.5～35:65(0.48～0.54)范围内，自密实混凝土的浆骨比更大通常在37.5:62.5～40:60(0.60～0.67)范围。考虑耐高温混凝土在配制过程中应尽量减少浆量，通过本发明的研究表明，应将浆骨比控制在29.5:70.5～32.5:67.5(0.42～0.48)范围内，配合比设计初步取值时，可尽量往靠下限的方向，即浆骨比29.5:70.5(0.42)的方向取值。
由于浆体中的自由水也是造成高温下混凝土劣化的原因，因此混凝土的单方用水量也比普通混凝土要低，普通混凝土的单方用水量通常在160～180kg/m
表1：采用浆骨比计算方法设定单方用水量与水胶比的范围
根据单方用水量与水胶比的对应关系，以及传统混凝土配合比设计方法中强度等级混凝土水胶比的计算方法，当混凝土设计强度等级为C30～C45时，单方用水量在150～160kg/m
由于耐高温混凝土配比设计过程中浆量偏低，在确定砂率这一参数时，应适当提升砂率至42％～45％范围内，普通混凝土在砂率地取值时通常在35％～42％范围内取值。此外由于矿物掺和料在高温下形成的内蒸养环境活性提高，火山灰效应加速，形成的二次水化产物可以填充混凝土孔隙使混凝土更加密实，从而抵消水泥水化产物分解引起的性能劣化，因此耐高温混凝土配制时，混凝土中的掺和料比例较大，取35％～55％。普通混凝土的这一比例在40％以下，过高的掺和料掺量会导致混凝土强度发展缓慢。对于耐高温混凝土，更关注耐高温性能，在养护方面可以采取延长养护时间来保证混凝土强度的发展。
具体配合比计算过程如下：
设定混凝土浆骨比X：
根据混凝土设计强度等级，设定混凝土的单方用水量W；
设定体积砂率β
设定含气量σ、胶凝材料中掺和料掺量α
测试水泥密度ρ
各组分的体积之和符合下式规定：
V
综上配合比设计阶段预先确定变量有X、β
各组分的体积分数乘以组分的密度后得到混凝土的质量配合比，具体如下：
m
m
m
m
m
式中：
V
m
因此，为了提高混凝土的耐高温性能，本发明基于高温下混凝土的破坏主要发生在浆体中的特点，开发了一种基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法，在保证混凝土具有良好拌合物性能的前提下，最大程度降低混凝土中浆体及其中孔隙水的含量，使混凝土在配比设计阶段充分针对耐高温性能提升需求，从而提高混凝土在高温环境下的服役寿命。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用前述设计方法所制备混凝土于长期在100℃～500℃高温环境中服役的混凝土结构中的应用。
具体实施方式
下面将进一步对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例1：
基于前述的基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法，本实施例对核电站乏燃料干式贮存混凝土容器C60混凝土的配合比进行计算，乏燃料干式贮存容器长期在120℃高温环境中服役。
设定混凝土的浆骨比X＝0.42；
根据混凝土C60设计强度等级，单方用水量W应在140～150kg/m
由于混凝土的单方用水量不算过低，体积砂率βs取42％，含气量σ取2％，胶凝材料中的掺和料掺量α
经测试，混凝土制备所用水泥密度ρ
经体积法计算：
砂的体积分数：
石子的体积分数：
水泥的体积分数：
水的体积分数：
体积分数乘以组分的密度后得到单方混凝土中各原材料的质量如下：
水泥质量m
对于C60混凝土，聚羧酸减水剂的掺量一般为胶凝材料的0.6％，因此基于浆骨比的耐高温混凝土配合比初步设计如下：
表1.1:基于浆骨比的乏燃料干法贮存C60耐高温混凝土的设计配比(单位:kg/m
为了做对比，采用传统的混凝土配合比设计方法进行了C60混凝土的配合比设计如下：
表1.2:常规配合比设计方法的C60混凝土配比(单位:kg/m
常规配合比设计方法得到的混凝土的浆骨比为0.5，单方用水量为161kg/m
对两种方式下配制的混凝土在不同高温条件下的强度变化进行测试，高温试验方式分别为100℃、300℃、500℃条件下高温48h。
表1.3:两种配合比的常规性能和耐高温性能对比
从高温试验结果来看，通过基于浆骨比的混凝土配合比设计方法，28d抗压强度由于用水量的降低而略有提高，100℃48h高温后的强度增幅变大，300℃48h和500℃48h后的强度损失大幅减小。表明本发明的配合比设计方法有效提高了混凝土的耐高温性能。
然而由于初始取值阶段浆骨比和单方用水量取值偏低，导致混凝土的坍落度过低，影响混凝土拌合物性能。因此浆骨比调整为X＝0.44，单方用水量调整为W＝145kg/m
表1.4:基于浆骨比的乏燃料干法贮存C60耐高温混凝土的优化配比(单位:kg/m
表1.5:基于浆骨比的C60耐高温混凝土的优化配比高温性能
基于浆骨比的C60耐高温混凝土在配比优化后，混凝土的坍落度达到185mm，有了明显提升，且拌合物流动性良好，耐高温性能与常规方法设计的配比相比仍有较大的改善。
实施例2：
本实施例采用本发明所述的基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法，对500℃长期高温下的C80混凝土的配合比进行计算。
设定混凝土的浆骨比X＝0.48；
根据混凝土C80设计强度等级，单方用水量W应在130～140kg/m
由于混凝土的单方用水量不算过低，体积砂率β
经测试，混凝土制备所用水泥密度ρ
经体积法计算：
砂的体积分数：
石子的体积分数：
水泥的体积分数：
水的体积分数：
体积分数乘以组分的密度后得到单方混凝土中各原材料的质量如下：
水泥质量m
对于C80混凝土，聚羧酸减水剂的掺量一般为胶凝材料的1.0％，因此基于浆骨比的耐高温混凝土配合比初步设计如下：
表2.1：基于浆骨比的C80混凝土的设计配比(单位:kg/m
为了做对比，采用传统的混凝土配合比设计方法进行了C80混凝土的配合比设计如下：
表2.2：常规配合比设计方法的C80混凝土配比(单位:kg/m
常规配合比设计方法得到的混凝土的浆骨比为0.53，单方用水量为151kg/m
对两种方式下配制的混凝土在不同高温条件下的强度变化进行测试，高温试验方式分别为100℃、300℃、500℃条件下高温48h。
表2.3：两种配合比的常规性能和耐高温性能对比
从高温试验结果来看，通过基于浆骨比的混凝土配合比设计方法，配制的C80混凝土坍落度略有下降，但不影响混凝土浇筑成型。28d抗压强度提高了近5MPa，300℃48h和500℃48h后的强度损失大幅减小。表明本发明的配合比设计方法有效提高了C80混凝土的耐高温性能。
实施例3：
本实施例采用本发明所述的基于浆骨比的耐高温混凝土配合比设计方法，对300℃长期高温下的烟囱部位C35耐高温混凝土的配合比进行计算。
设定混凝土的浆骨比X＝0.45；
根据混凝土C35设计强度等级，单方用水量W应在150～160kg/m
由于混凝土的单方用水量不算过低，体积砂率β
经测试，混凝土制备所用水泥密度ρ
经体积法计算：
砂的体积分数：
石子的体积分数：
水泥的体积分数：
水的体积分数：
体积分数乘以组分的密度后得到单方混凝土中各原材料的质量如下：
水泥质量m
对于C35混凝土，聚羧酸减水剂的掺量一般为胶凝材料的0.3％，因此基于浆骨比的耐高温混凝土配合比初步设计如下：
表3.1：基于浆骨比的C35混凝土的设计配比(单位:kg/m
为了做对比，采用传统的混凝土配合比设计方法进行了C35混凝土的配合比设计如下：
表3.2：常规配合比设计方法的C35混凝土配比(单位:kg/m
常规配合比设计方法得到的混凝土的浆骨比为0.49，单方用水量为176kg/m
对两种方式下配制的混凝土在不同高温条件下的强度变化进行测试，高温试验方式分别为100℃、300℃、500℃条件下高温48h。
表3.3：两种配合比的常规性能和耐高温性能对比
从高温试验结果来看，通过基于浆骨比的混凝土配合比设计方法，配制的C35混凝土坍落度略有下降，但不影响混凝土的浇筑成型。28d抗压强度基本下相同，但300℃48h后强度未出现下降，500℃48h后的强度损失大幅减小。表明本发明的配合比设计方法有效提高了C35混凝土的耐高温性能。