[发明专利]一种基于多尺度关系的高抗裂混凝土配比设计方法

说明书

本发明提供了一种基于多尺度关系的高抗裂混凝土配比设计方法。所述方法根据原材料的类型和品质、混凝土技术指标要求、纤维类型和掺量等内容的变化情况，通过对水胶比、纤维掺量、砂率、用水量、水泥类型影响系数、掺合料影响系数等参数的计算，实现混凝土强度增长与变形发展的协调统一，从而达到提高混凝土抗裂性能的目的。相比现有技术和方法，本申请能大幅减少试验工作量，提高配合比设计效率，改善混凝土的抗裂性能，并能够为混凝土专家支持系统、预警系统等智能化技术的开发提供算法支持。

技术领域

本发明属水利工程领域，旨在根据水泥基材料的多尺度关系，提出一种基于多尺度关系的高抗裂混凝土配比设计方法。

背景技术

裂缝是混凝土结构的主要病害之一，而混凝土抗裂性能是工程界普遍关注的重点。混凝土从凝结硬化到后期服役的全生命周期内都伴随有裂缝的发生风险。裂缝可形成外部水分渗透和离子侵蚀的通道，威胁结构的整体性和安全运行。因此，高抗裂混凝土制备具有显著的工程意义和应用价值。

混凝土抗裂性能与多种因素有关，包括服役环境影响、自身变形能力、结构布置形式、承受荷载水平、受限制约束程度等，其中混凝土材料的自身变形特性具有决定的影响。混凝土材料的自身变形特性，一方面与原材料性能和品质有关，另一方面也与各原材料的相互比例有关。原材料性能和品质主要是通过材料类型的优选、组分体系的优化，以及功能添加剂的使用，从源头提高混凝土的韧性特征和变形能力；而各原材料的相互比例主要是根据材料的自身特性，综合利用火山灰材料配伍效应、胶凝材料的紧密堆积效应、粗骨料和细骨料的密实填充技术等方法，实现各原材料力学性能、变形性能和收缩性能的协调统一。

混凝土原材料的物理性能、化学成分、力学性能、热学特性、尺寸范围、微观形貌等内容都相差较大，硬化后的混凝土也是含有气相、液相及固相的复合体。因此，混凝土抗裂性能的提升需要用综合的系统论方法，常用的混凝土抗裂性能提升措施包括优选合理的水胶比范围、使用掺合料替代部分水泥、添加功能添加剂改善基体性能等，如使用轻烧MgO作为膨胀剂可改善混凝土凝结硬化过程中的收缩变形特性，降低收缩裂缝的发生风险；使用磷渣粉代替部分水泥可降低混凝土的绝热温升，减少温度裂缝的发生风险。但大量的工程应用表明，混凝土本体性能的改善对结构整体抗裂性能提升的效果极为有限。

近年来，复合材料技术在混凝土学科得到推广和应用，特别是纤维混凝土理论得到了广泛关注，纤维在混凝土中能够发挥增强增韧的作用，裂缝出现后可进一步发挥限裂阻裂的作用，从而改善混凝土的能量耗散过程。纤维混凝土的作用效果，一方面与纤维类型、纤维特性有关，另一方面也与混凝土本体的粘接特性、力学性能有关。混凝土中常用的纤维包括聚合物纤维、纤维素纤维、矿物纤维、金属纤维等，其中经济性较好、技术较为成熟、施工难度较小的主要是聚合物纤维。但现有的聚合物纤维混凝土制备方法依赖于大量的物理实验，通过系统试验找到较为优化的参数范围，这一方面增加了试验工作量，提高了投资成本，延长了试验周期；另一方面也难以保证制备参数对不同类型原材料的适应性，而且参数范围的合理性和经济性也难以保障。

发明内容

针对上述问题，本发明综合水泥基材料的技术特点，提供了一种基于多尺度关系的高抗裂混凝土配比设计方法，所述方法可显著提高各原材料组成比例确定的效率，节省试验工作量，缩短试验周期，降低经济成本，并改善参数确定的合理性与优化水平；同时，本发明中涉及的计算步骤可为混凝土专家分析与支持系统、配比设计软件等智能化算法编制提供参考。

为了达到上述技术目的，本发明提供了一种基于多尺度关系的高抗裂混凝土配比设计方法，所述混凝土是由水、水泥、掺合料、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂和聚合物纤维配制而成；所述混凝土中各个原料的添加量按照以下步骤计算得到：

(1)根据混凝土的设计强度等级、掺合料类型、活性特性和水泥类型，按照以下计算出混凝土的推荐水胶比：