基于湿颗粒堆积理论的混凝土工作性能定量设计研究

The model that is based on dry particle accumulation theory can not reflect the actual accumulation of fresh concrete; therefore, it is hard to accurately guide the design of concrete workability with it. For this, the accumulation model of fresh concrete will be established according to wet particle accumulation theory, and the functional relation between the performances of raw materials and their proportions and the accumulation of fresh concrete through it. On this basis, the functional relations among the wet particle accumulation model, workability, and rheological parameters will be established, and the formation mechanism and their functional relations will be further improved through the testing of Zeta potential, surface tension, and water reducing agent adsorption, etc. First, the raw materials can be chose for any given workability; second, water content, sand ratio, and the content of water reducing agent can be quantitatively designed for any given raw materials and workability, and the content of stone powder can be quantitatively designed if the fine aggregate is manufactured sand through the functional relations. The theoretical principles will be given for the quantificational analysis of the influences of the performances of raw materials and their proportions and for programmable design of concrete mix proportion through the above research.

基于干颗粒堆积理论建立起来的模型，并不能反映混凝土拌合物的实际堆积状态，因此，也就很难用来准确指导其工作性能的设计。为此，采用湿颗粒堆积理论，建立混凝土拌合物的堆积模型，通过湿堆积模型将混凝土原材料的性能和组成比例与拌合物的堆积状态关联起来。在此基础上，建立湿颗粒堆积模型、工作性能、流变参数之间的函数关系，并结合对Zeta电位、表面张力、减水剂吸附等的测试，进一步揭示其形成机理或修正其函数关系。通过函数关系，一是将原材料的性能和组成比例与混凝土的工作性能关联起来，从而可以针对不同的工作性能，进行原材料的选取；二是实现针对给定的原材料和工作性能，定量设计用水量、砂率、减水剂掺量，若细骨料为机制砂，还能定量设计其石粉含量等参数。上述研究对定量分析原材料性能和组成比例对工作性能的影响，以及混凝土工作性能的可程序化设计提供了理论依据。

混凝土的工作性能仍以经验设计为主，这不仅缺乏科学性，而且有时很难对工作性能的波动做出快速准确的调整。为实现混凝土工作性能的定量设计，首先，建立了新拌混凝土颗粒堆积的物理模型和数学模型；其次，研究了不同设计参数对混凝土工作性能和流变特征的影响，并构建了其中内在的函数关系；再次，以石粉含量为主要考虑因素，建立了机制砂混凝土工作性能的定量设计模型；最后，结合水泥浆流变特征、Zeta电位和减水剂吸附的测试，探究了工作性能的影响机理。通过理论和试验研究，得到以下主要结论：第一，基于三级填充堆积理论，建立了新拌混凝土颗粒堆积的物理模型，在此基础上，分别将水看作空隙和最小颗粒组分，并设定相关参数，建立了其数学模型，从而实现了采用富余水量定量表征新拌混凝土颗粒整体堆积的情况；第二，分别在掺与不掺减水剂时，通过试验，研究了混凝土坍落度和流变性能随水灰比和用水量的变化规律，结合新拌混凝土颗粒堆积的数学模型，构建了坍落度与水灰比和用水量之间的函数关系，进一步，通过构建富余砂浆和富余水泥浆与砂率的函数关系，实现了最佳砂率的函数预测；第三，将上述建立的数学模型，引入了石粉含量这一参数，并结合石粉含量对各项参数的影响规律，构建了富余浆量和总水泥浆量与石粉含量的函数关系，通过对该一元二次函数的求导，实现了基于工作性能的最佳石粉含量预测，并分别在不同水灰比、不同用水量和不同砂率时石粉含量对坍落度的影响，进行了最佳石粉含量的验证；第四，以浆体为研究对象，测试了在不同石粉含量时水泥浆体的流变特征、Zeta电位和减水剂的吸附，进一步探究了工作性能的形成机理。以上研究成果，为混凝土工作性能的形成机理和定量设计提供了参考。