一种基于配合比设计的纤维增强自密实混凝土分布均匀化调控方法

技术领域

本发明属于高性能混凝土优化设计领域，具体涉及一种纤维增强自密实混凝土分布均匀化调控方法。

背景技术

作为一种水泥基复合材料，纤维增强自密实混凝土(Fiber-reinforced self-compacting concrete，FR-SCC)以高流动性为前提，以高强度及高密实性著称，具有自密实、比强度高、资源消耗小、高耐久性等特点，不但能够满足21世纪土木工程高层、超高层建筑、工业厂房等大型工程超远程泵送的需求，在高侵蚀环境下的石油、核电、海洋及军事等工程设施中也有着广阔的应用前景，是未来混凝土技术发展的主要方向。全方位提升传统自密实混凝土(SCC)性能的重要手段之一是在基体中掺加钢纤维，生成新型的钢纤维增强FR-SCC。由于钢纤维能够有效桥接基体裂缝、限制裂缝扩展，增强材料延性及抗裂能力，同时提高抗拉与抗弯强度，使材料整体性能得到改善。成型过程中，由于FR-SCC的高流动性造成的钢纤维空间分布的不可控性(钢纤维沉降)对材料性能影响显著，且大量掺加的钢纤维大幅提高建造成本，严重制约其结构应用。

综合FR-SCC研究现状，现有研究局限于试验室中理想情况下，以钢纤维在FR-SCC基体中均匀、随机分布为假设对FR-SCC进行力学性能评价，以此结果对FR-SCC结构的承载能力和耐久性进行评估可能存在一定的安全隐患。实际上，钢纤维的密度是混凝土密度的3倍以上。由于FR-SCC的高流动性，钢纤维在新拌基体中具有向下沉降的趋势，具体的空间分布情况与其新拌性能密切相关。在许多情况下，钢纤维在FR-SCC基体中并不总是能均匀分布，而具体的纤维分布状态或沉降速率很难通过配合比确定。当纤维在基体内分布不均匀时，其对混凝土性能的增强效果将会减少甚至消失，以至于产生更多的局部缺陷。大截面构件内部纤维分布的变化将极大地影响结构的承载能力及整体性能。均匀的纤维分布恰恰减少了这些缺陷的最大尺寸，最大程度发挥纤维在基体内的有利作用。

综上所述，解决FR-SCC钢纤维分布不可控的问题，对保证材料性能是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是为解决FR-SCC钢纤维分布不可控的问题，而提出了一种通过建立原材料配合比与FR-SCC新拌浆体中钢纤维分布的关系，实现FR-SCC内钢纤维的随机、均匀化分布的方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种基于配合比设计的纤维增强自密实混凝土分布均匀化调控方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、根据预设的原材料质量配合比制备FR-SCC浆体，其中，制备FR-SCC浆体的原材料包括水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、骨料、减水剂、钢纤维和水；

步骤二、利用步骤一中制备的FR-SCC浆体，通过成型和养护来制备FR-SCC试件；

再对制备好的试件进行切割，切割后对断面进行处理获得FR-SCC试件断面；

步骤三、获取FR-SCC试件断面图像，并对获取的图像进行处理和分析，获得试件不同深度位置纤维面积含量；并根据试件不同深度位置的纤维面积含量，计算试件从浇筑面至底部的钢纤维分布系数α；

步骤四、根据预设的水胶比计算水胶比当量参数Ψ，根据预设的砂石比和胶砂比计算骨胶比当量参数Z，根据预设的减水剂掺量计算减水剂当量掺量ω

所述水胶比是指原材料中，水的质量与胶凝材料总质量的比值，胶凝材料包括水泥、矿渣粉、硅灰和粉煤灰；

所述胶砂比是指原材料中，胶凝材料总质量与骨料中含砂质量的比值；

所述砂石比是指原材料中，骨料中含砂质量与骨料中含石质量的比值；

步骤五、不断改变预设的原材料质量配合比，且对于每一组原材料质量配合比，均重复一次步骤一至步骤四的过程；

根据每次获得的Ψ、Z、ω

再对初步获得的钢纤维分布系数拟合曲面方程进行插值，最终得到不同参数变量下的纤维分布系数拟合曲面方程；

步骤六、根据工程要求得到相应的钢纤维分布系数，利用钢纤维分布系数和拟合曲面方程反推出水胶比当量参数、骨胶比当量参数、减水剂当量掺量和钢纤维掺量，再根据反推出的当量参数和当量掺量来分别确定对应的水胶比、胶砂比、砂石比和减水剂掺量，进而获得满足工程要求的原材料质量配合比。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于配合比设计的纤维增强自密实混凝土分布均匀化调控方法，本发明通过分析钢纤维在新拌FR-SCC浆体内的沉降机理，采用断面图像分析法，对不同配合比的FR-SCC试件内钢纤维分布情况进行量化分析，建立各原材料参数-钢纤维分布系数之间的关系，实现通过原材料参数调控钢纤维向随机、均匀化分布。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为试件的切割示意图；

图中，d为试件的直径，L为试件的高度；

图3为试件断面图像的处理流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于配合比设计的纤维增强自密实混凝土分布均匀化调控方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、根据预设的原材料质量配合比制备新拌FR-SCC浆体，其中，制备FR-SCC浆体的原材料包括水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、骨料(含砂、石)、减水剂、钢纤维和水；

步骤二、利用步骤一中制备的FR-SCC浆体，通过成型和养护来制备FR-SCC试件；

再对制备好的试件进行切割，切割后对断面进行处理获得干净平整的FR-SCC试件断面；

步骤三、获取FR-SCC试件断面图像，并对获取的图像进行处理和分析，获得试件不同深度位置纤维面积含量；并根据试件不同深度位置的纤维面积含量，计算试件从浇筑面至底部的钢纤维分布系数α；

步骤四、根据预设的水胶比计算水胶比当量参数Ψ，根据预设的砂石比和胶砂比计算骨胶比当量参数Z，根据预设的减水剂掺量(即减水剂质量与胶凝材料质量的比值)计算减水剂当量掺量ω

所述水胶比是指原材料中，水的质量与胶凝材料总质量的比值，胶凝材料包括水泥、矿渣粉、硅灰和粉煤灰；

所述胶砂比是指原材料中，胶凝材料总质量与骨料中含砂质量的比值；

所述砂石比是指原材料中，骨料中含砂质量与骨料中含石质量的比值；

步骤五、不断改变预设的原材料质量配合比，且对于每一组原材料质量配合比，均重复一次步骤一至步骤四的过程；

根据每次获得的Ψ、Z、ω

钢纤维掺量ω

再对初步获得的钢纤维分布系数拟合曲面方程进行插值，最终得到不同参数变量下的纤维分布系数拟合曲面方程；

步骤六、根据工程要求得到相应的钢纤维分布系数，利用钢纤维分布系数和拟合公式反推出水胶比当量参数、骨胶比当量参数、减水剂当量掺量和钢纤维掺量，再根据反推出的当量参数和当量掺量来分别确定对应的水胶比、胶砂比、砂石比和减水剂掺量，进而获得满足工程要求的原材料质量配合比。

钢纤维在新拌FR-SCC基体中的运动，其本质与基体的新拌流动性及纤维在基体中的受力情况有关。钢纤维在新拌基体中同时受到重力、浮力、粘滞阻力等外力的共同作用，其中，FR-SCC原材料组成对新拌浆体的流动能力产生直接影响，进而影响纤维在新拌浆体中的分布情况。本实施方式通过预试验获得水胶比、胶砂比、砂石比、减水剂掺量、钢纤维掺量与钢纤维分布系数的数值关系，来指导后续FR-SCC制备过程和配合比的设计；通过当量参数的计算与整合，使之转化为归一化形式，便于方法的工程应用。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一的具体过程为：

步骤一一、将预设质量配合比的水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、骨料(含砂、石)、减水剂、钢纤维和水分别进行称重，称重后将水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰和骨料倒入搅拌锅内；

步骤一二、将减水剂与水混合均匀后，将混合物加入搅拌锅内，再低速搅拌2分钟，且在低速搅拌过程中逐步均匀向搅拌锅内加入钢纤维，钢纤维全部加入后，再继续高速搅拌2分钟，获得FR-SCC浆体。

本实施方式中，低速和高速是相对的概念，先是采用相对低的速度进行搅拌，再采用相对高的速度进行搅拌。本实施方式保证所有原料充分混合，消除后续因制备过程中混合不充分而产生的试验误差。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述低速搅拌的速率为80～120转/分，高速搅拌的速率为180～220转/分。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤二的具体过程为：

步骤二一、提前备好模具，将步骤一中制备的FR-SCC浆体一次性倒入模具、至浆体高于试模口1-2mm，在浆体倒入模具的过程中，同时利用抹刀沿模具侧壁插捣浆体；

步骤二二、将步骤二一处理后的模具保持竖直，并移动至水平地面上，尽快利用塑料薄膜将模具上口封好，以保证隔绝空气、减缓水分散失，获得试模；

步骤二三、对步骤二二中所得试件进行养护：

将试模置于20℃以上的室温条件下(例如25℃)静置24小时后，再取下塑料薄膜并进行脱模；试件脱模后，继续养护7天以上；

步骤二四、待步骤二三中所得试件成型后，利用切割机对试件进行切割；

切割过程的示意图如图2所示，切割方向与试件的浇筑方向平行，浇筑方向为从上至下；

步骤二五、从步骤二四切割后的试件中选取出中间部分试件，对选取出试件的断面进行粗磨、细磨和剖光处理后，获得处理后的平滑干净FR-SCC试件断面。

采用步骤二五的处理方法，可以增加钢纤维与水泥基体的颜色对比，利于后续的图像分析。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤三的具体过程为：

步骤三一、由于镜头限制，采用超景深照相机采集试件同一断面不同位置的图像，并对采集的图像进行拼接，生成整个断面图像；

在整个图像采集过程中，拍摄部位始终保持高光照射，使局部纤维经反射发光，达到增加钢纤维与FR-SCC基体色彩对比度的目的；

步骤三二、将步骤三一中生成的图像输入图像处理软件进行尺寸校正，获得尺寸校正后的图像；

通过尺寸校正去除拼接图像上超出试件断面的多余边界；

步骤三三、将步骤三二得到的尺寸校正后图像转换为灰度图像，并对灰度图像进行对比度增强，获得对比度增强后的图像；

通过对比度增强使钢纤维在图像中更为突出；

步骤三四、将步骤三三得到的对比度增强后图像转换为仅有黑白二色的二值图像，并设置尺寸和形状过滤阈值来去除二值图像中的噪点，获得去噪后的图像；

步骤三五、对步骤三四得到的去噪后图像进行等高区域划分(即划分后的相邻区域之间的分割线与浇注方向垂直，以保证相同高度的像素被划分到同一区域，但一个区域内可以包含不同高度的像素)，将去噪后图像划分为n份；

划分过程中要避免边壁效应对分析造成影响，去除图像边缘区域；

步骤三六、根据步骤三五所得图像，计算试件从浇筑面至底部的钢纤维分布系数α，计算方法如下：

其中，S

纤维在试件断面内分布越均匀，α越趋近于1；纤维在试件断面内分布越不均匀或沉降越明显，α越趋近于0；

本实施方式分为图像获取、图像处理和图像分析三大部分。其中，图像处理部分根据图像的色彩对比度精确识别出断面中的纤维和FR-SCC基体，并给出与量化断面纤维分布有关的一系列参数；图像分析部分得到试件沿浇筑深度各部分的纤维分布系数，为建立后续流变参数与纤维分布系数的关系打下试验基础。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤四的具体过程为：

步骤四一、对试验预设水胶比进行归一化处理，获得水胶比当量参数Ψ；

步骤四二、对试验预设胶砂比和砂石比进行整合，获得骨胶比当量参数Z：

其中，e为自然对数的底数，Z

当Z

步骤四三、对试验预设减水剂掺量进行归一化处理，获得减水剂当量掺量ω

考虑到FR-SCC制备环节常用减水剂的减水率范围一般为20％-40％，则减水剂当量掺量ω

本实施方式根据预试验中设计的配合比，对水胶比，骨胶比，减水剂掺量几个参数进行处理，计算得到水胶比当量参数、骨胶比当量参数、减水剂当量掺量便于对不同试验配合比下的钢纤维分布系数进行评估。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤四一的具体过程为：

步骤S1、根据FR-SCC浆体中各原材料成分的质量，生成矢量M

步骤S2、生成水胶比当量矩阵

步骤S3、水胶比当量参数Ψ的计算公式为：

其中，||·||

假设M＝[m

本实施方式中，具体解释了根据预试验中设计的水胶比的处理方法，给出了与水泥，矿渣，粉煤灰，硅粉掺量相关的水胶比当量参数计算公式。当涉及的原材料发生变化时，需要调整步骤S1中的矢量及步骤S2中的当量矩阵内的转化系数。引入水胶比当量参数便于对不同试验水胶比下的纤维分布系数进行评估。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述根据每次获得的Ψ、Z、ω

步骤C1、固定钢纤维掺量ω

步骤C2、固定钢纤维掺量ω

步骤C3、固定骨胶比当量参数Z、水胶比当量参数Ψ和减水剂当量参数ω

步骤C4、根据步骤C1至步骤C3获得的拟合公式形式，对三个拟合公式进行加权，基于试验数据进行四参数拟合，获得的拟合结果为：

α＝μ

其中，μ

加权系数的数值由实验数据决定，大小关系应符合四个当量参数对纤维分布系数α的影响程度。一般地，在实际应用的配合比条件下，四个当量参数对纤维分布系数α的影响程度由大到小的顺序是：水胶比当量参数Ψ、减水剂当量参数ω

此外，公式(6)也应满足几个极限条件：

(1)Ψ→∞,α→0；(2)ω

通过对钢纤维增强混凝土分布系数的分析，分布系数α与钢纤维掺量、减水剂含量的拟合关系主要表现为指数函数形式。综合极限条件，本发明推荐的拟合形式为：

/>

其中，

本实施方式中，具体解释了四参数纤维分布系数拟合方程的获得过程，由于四个参数变量的拟合过程需要巨大的计算量，因此需要将各个参数拆分，先分别得到拟合函数形式，再建立各形式之间的关系；通过控制变量、加权的过程，既降低了拟合过程的计算量，又能提升拟合精度。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤六的具体过程为：

步骤六一、根据工程要求，给出钢纤维分布系数的粗估计范围；

对于要求钢纤维均匀分布的情况，可将纤维分布系数α控制在0.8以上；

步骤六二、将水胶比当量参数、骨胶比当量参数、减水剂当量掺量和钢纤维掺量中的至少一个作为常量，且满足常量的个数k<4；

根据实际工程提供的原材料，控制水胶比、砂石比、胶砂比、减水剂掺量、钢纤维掺量中的部分变量，获得至少一个常数当量或常数变量，即水胶比当量参数、骨胶比当量参数、减水剂当量掺量、钢纤维掺量至少有一个为常数，假设已知k(k<4)个常数变量/当量；

步骤六三、将k个常量代入拟合曲面方程α＝α(Ψ,Z,ω

步骤六四、根据步骤六一中给出的钢纤维分布系数范围以及步骤六三中得到的4-k个变量的函数形式，获得4-k个变量的对应取值。

找到步骤六三所得函数在步骤六一给出范围内的曲面部分，获得其他(4-k)个变量可以取到的值，其中可以实现的自变量值即为所求配合比。

特别地，给出获得纤维分布均匀的混凝土材料，即α趋近于1的配合比求解范例。

假设水胶比当量Ψ被限定为常数Ψ

α＝α(Ψ

对上式中的3个变量Z,ω

使上述三个函数等于0，可以得到多个极大值对应的自变量值{Z

根据公式调控的结果Z

本实施方式具体解释了基于配合比设计的FR-SCC钢纤维分布均匀化调控过程。在实际的工程设计中，水胶比、砂石比、胶砂比、减水剂掺量、钢纤维掺量这些变量一般会存在某些常用值或定值，这使得拟合函数中的变量数降低，并使得调控过程的计算量减小。即使上述变量都不能已知，也可以通过求解拟合函数在规定纤维分布系数范围内的自变量取值来获得需要的纤维分布情况。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

实施例一

采用实施例对本发明方法进行进一步说明：

本实施例所述的一种基于配合比设计的纤维增强自密实混凝土分布均匀化调控方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据预设的原材料质量配合比制备FR-SCC浆体，其中，在1m

步骤二、利用步骤一中制备的FR-SCC浆体，通过成型和养护来制备FR-SCC试件；

再对制备好的试件进行切割，切割后对断面进行处理获得FR-SCC试件断面；

步骤三、获取FR-SCC试件断面图像，并对获取的图像进行处理和分析，获得试件不同深度位置纤维面积含量；并根据试件不同深度位置的纤维面积含量，计算试件从浇筑面至底部的钢纤维分布系数α；

步骤四、根据预设的水胶比计算水胶比当量参数Ψ，根据预设的砂石比和胶砂比计算骨胶比当量参数Z，根据预设的减水剂掺量计算减水剂当量掺量ω

所述水胶比是指原材料中，水的质量与胶凝材料总质量的比值，胶凝材料包括水泥、矿渣粉、硅灰和粉煤灰；

所述胶砂比是指原材料中，胶凝材料总质量与骨料中含砂质量的比值；

砂石比是指原材料中，骨料中含砂质量与骨料中含石质量的比值；

步骤五、不断改变预设的原材料质量配合比，且对于每一组原材料质量配合比，均重复一次步骤一至步骤四的过程；

根据每次获得的Ψ、Z、ω

①固定钢纤维掺量ω

使水胶比当量参数Ψ在0.25-0.45范围内，变化步长为0.02；减水剂当量掺量ω

②固定钢纤维掺量ω

骨胶比当量参数Z在范围2.5-3.5内，变化步长为0.1；

③固定骨胶比当量参数Z、水胶比当量参数Ψ和减水剂当量参数ω

钢纤维掺量ω

钢纤维分布系数α拟合：

固定钢纤维掺量ω

固定钢纤维掺量ω

固定骨胶比当量参数Z、水胶比当量参数Ψ和减水剂当量参数ω

对三个拟合公式进行加权，获得的拟合结果为：

α＝μ

再对初步获得的钢纤维分布系数拟合曲面方程进行插值，最终得到不同参数变量下的纤维分布系数拟合曲面方程；

步骤六、根据工程要求得到相应的钢纤维分布系数，利用钢纤维分布系数和拟合公式反推出水胶比当量参数、骨胶比当量参数、减水剂当量掺量和钢纤维掺量，再根据反推出的当量参数和当量掺量来分别确定对应的水胶比、胶砂比、砂石比和减水剂掺量，进而获得满足工程要求的原材料质量配合比。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。