一种分步法制备地铁混凝土的方法

摘要

本发明公开了一种分步法制备地铁混凝土的方法，属于土木建筑工程领域，采用球体紧密堆积理论进行混凝土分步制备设计，即通过将混凝土水化进行步骤拆分，先行按照球体紧密堆积理论进行球形代骨料制备，本发明既可以有效降低地铁工程中大体积混凝土浇筑后水化热热量和碱性的方法，最大限度的控制和降低浇筑体的碱骨料反应和裂纹产生的技术方法，将代骨料制备成球状，使得拌合物内代骨料具备更加优异的滚珠效应，有效提高混凝土的工作性能。从而提高地铁工程中大体积混凝土的有效浇筑体积上限及生命周期长度。

权利要求

1.一种分步法制备地铁混凝土的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：根据混凝土施工配合比中水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水的比例关系，拌合得到总重量为MB的拌合物，并测得总重量为MB的拌合物的体积为VB，计算得到拌合物重量与体积的比例常数KB为：KB＝MB÷VB；

其中，混凝土施工配合比中石子分为石子Ⅰ、石子Ⅱ和石子Ⅲ，石子Ⅰ和石子Ⅱ用于制备球形代骨料；石子Ⅲ用于制备球形代骨料粘结混凝土；

步骤S2：根据混凝土施工配合比，得到石子在由水泥、砂、石子、外加剂、掺合料和水组成的拌合物中所占的质量比例常数P1；

步骤S3：根据石子中石子Ⅰ粒径R1，得到将要制备的球形代骨料具有的体积VD为：3

VD＝πR1÷6；

步骤S4：根据步骤S1和步骤S3的计算结果，得到球形代骨料所具有的质量MD为：MD＝VD×KB；

步骤S5：根据步骤S2和步骤S4的计算结果，得到球形代骨料中由石子Ⅰ和石子Ⅱ所混合而成的石子具有的质量MH为：MH＝MD×P1；

步骤S6：随机抽取M1重量份石子Ⅰ，确定该M1重量份石子Ⅰ所具有的石子个数为N1，得到单个石子Ⅰ所具有的平均质量M1‑J为：M1‑J＝M1÷N1；

步骤S7：根据步骤S5和步骤S6的计算结果，得到球形代骨料中石子Ⅱ的平均质量M2为：M2＝MH‑M1‑J；

步骤S8：根据步骤S6及步骤S7的计算结果，得到制备球形代骨料时石子中石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比K1‑2为：K1‑2＝M1‑J÷M2；

步骤S9：根据步骤S8计算得到的石子中石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比关系K1‑2，以及步骤S1中混凝土施工配合比，采用由石子Ⅰ与石子Ⅱ混合而成的石子进行球形代骨料混凝土混合物制备；

步骤S10：将步骤S9中的混凝土混合物，通过机械成型方式成型制备成直径为R1混凝土球，经养护强度达到设计强度值后，对球形代骨料进行降碱处理；

步骤S11：根据所需制备得到的混凝土体积V，以及等径球紧密堆积时空间体积孔隙率

25.94％，得到制备体积为V的混凝土时，球形代骨料粘结混凝土用量为1.1×KB×V×

25.94％至1.3×KB×V×25.94％；

步骤S12：根据混凝土施工配合比，以及步骤S11计算结果，以石子Ⅲ为石子制备球形代骨料粘结混凝土；

步骤S13：以容量为V的容器装取经步骤S10处理后的球形代骨料，并将装取的球形代骨料进行饱水处理；

步骤S14：将步骤S13得到的经过饱水处理的球形代骨料与步骤S12制备得到的球形代骨料粘结混凝土混合，既得到地铁混凝土；

所述石子Ⅰ、石子Ⅱ和石子Ⅲ材质相同，且均为单一粒径级配；

石子Ⅲ选取均以石子Ⅰ粒径R1为基础进行确定；

石子Ⅲ粒径R3为：

其中，粒径R1、R3指代石子可测量最大宽度值。

2.根据权利要求1所述的分步法制备地铁混凝土的方法，其特征在于：石子Ⅰ粒径R1；石子Ⅱ由两种单一粒径的石子按质量比1:1混合而成，两种石子粒径分别为石子Ⅰ粒径R1的

0.5倍和0.25倍，最小者粒径大于等于5mm。

3.根据权利要求1所述的分步法制备地铁混凝土的方法，其特征在于：步骤S13中，以容量为V的容器装取球形代骨料时，球形代骨料以等径球紧密堆积形式装入，且装入量为刚好装满整个容器。

说明书

一种分步法制备地铁混凝土的方法

技术领域

[0001] 本发明属于土木建筑工程领域，具体地，涉及一种分步法制备地铁混凝土的方法。

背景技术

[0002] 混凝土作为一种目前使用最广、用量最大的人造建筑材料，其不但原材料充足、制造工艺成熟简易，而且还具备成本较低等诸多优点，所以在土木建筑工程中被广泛应用，例如住宅、厂房、水利大坝、城市轨道交通工程等都以混凝土为主要建造材料。在混凝土实际的应用中，裂缝控制作为一个较为突出的问题，一直影响着混凝土的耐久性以及构筑体的稳定性，尤其是随着高强度、高性能混凝土需求快速的发展，混凝土中水泥用量不断增加，水泥细度逐渐减小，各种外加剂和掺合料的大量使用，都极大的增加了混凝土的早期放热和收缩，使得裂缝控制难度大大增加，特别是大体积混凝土的裂缝问题更加严重。

[0003] 大体积混凝土，英文是concrete  in mass，中国《大体积混凝土施工标准》GB50496‑2018里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。在建筑工程中的应用主要有地铁工程、各种形式的混凝土大坝、高架桥的支护结构、混凝土重力坝等。

[0004] 虽然大体积混凝土构筑体具有十分显著的承重和维护效果，但大体积混凝土结构断面尺寸大，导热性能差。在硬化前期，由于内部水泥水化升温，大体积混凝土的内外形成温差，温度较低的外部受到内部热膨胀约束而处于受拉状态，当拉应力过大时，就会在表面产生裂缝；在硬化后期，由于受到基础或相邻部件的约束，会在内部形成拉应力，当拉应力超过其极限抗拉强度，则从约束面开始产生裂缝。一旦裂缝的宽度超出了规范的要求,则会在各种荷载或外界理化因素的作用下,导致结构深度碳化、保护层脱落、受力筋锈蚀等后果，进而使得结构刚度与强度降低甚至丧失，耐久性变差，情况恶劣时可能有发生结构崩塌等危险。

[0005] 地铁是城市中最具可靠性的交通工具，是人类利用地下空间的一种有效形式，地铁工程属大体积地下工程，技术复杂，对耐久性要求很高，设计年限一般为100年。地铁混凝土除强度要满足结构要求外，还必须考虑混凝土的耐久性和可靠性，混凝土作为地铁工程用量最大的材料，对地铁工程的耐久性起着决定性的作用。

[0006] 因此，提供一种适用于地铁工程使用的大体积混凝土的配比及制备方法，不但可以有效提高地铁混凝土结构的稳定性与安全性，而且可以有效降低各种不必外加剂的使用，直接的降低混凝土成本，间接的降低外加剂生产所产生的废气污水排放，推动建筑工业绿色化，环境友好化发展。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种既可以有效降低地铁工程中大体积混凝土浇筑后水化热热量和碱性的方法，最大限度的控制和降低浇筑体的碱骨料反应和裂纹产生的技术方法，不但解决地铁工程中大体积混凝土在现场浇筑后，由于体积大，内部胶凝材料集中水化放热，致使混凝土浇筑体内外温差过大产生裂纹，以及混凝土长期处于地下，环境湿度较大，而致使混凝土极易发生碱骨料反应的问题，而且通过制备工艺的改进，将代骨料制备成球状，使得拌合物内代骨料具备更加优异的滚珠效应，有效提高混凝土的工作性能。从而提高地铁工程中大体积混凝土的有效浇筑体积上限及生命周期长度。

[0008] 本发明提出了一种分步法制备地铁混凝土的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

[0009] 步骤S1：根据混凝土施工配合比中水泥、砂、石子、外加剂、掺合料和水的比例关系，拌合得到总重量为MB的拌合物，并测得总重量为MB的拌合物的体积为VB，计算得到拌合物重量与体积的比例常数KB为：

[0010] KB＝MB÷VB；

[0011] 其中，混凝土施工配合比中石子分为石子Ⅰ、石子Ⅱ和石子Ⅲ，石子Ⅰ和石子Ⅱ用于制备球形代骨料；石子Ⅲ用于制备球形代骨料粘结混凝土；

[0012] 步骤S2：根据混凝土施工配合比，得到石子在由水泥、砂、石子、外加剂、掺合料和水组成的拌合物中所占的质量比例常数P1；

[0013] 步骤S3：根据石子中石子Ⅰ粒径R1，得到将要制备的球形代骨料具有的体积VD为：

[0014] VD＝πR13÷6；

[0015] 步骤S4：根据步骤S1和步骤S3的计算结果，得到球形代骨料所具有的质量MD为：

[0016] MD＝VD×KB；

[0017] 步骤S5：根据步骤S2和步骤S4的计算结果，得到球形代骨料中由石子Ⅰ和石子Ⅱ所混合而成的石子具有的质量MH为：

[0018] MH＝MD×P1；

[0019] 步骤S6：随机抽取M1重量份石子Ⅰ，确定该M1重量份石子Ⅰ所具有的石子个数为N1，得到单个石子Ⅰ所具有的平均质量M1‑J为：

[0020] M1‑J＝M1÷N1；

[0021] 步骤S7：根据步骤S5和步骤S6的计算结果，得到球形代骨料中石子Ⅱ的平均质量M2为：

[0022] M2＝MH‑M1‑J；

[0023] 步骤S8：根据根据步骤S6及步骤S7的计算结果，得到制备球形代骨料时石子中石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比K1‑2为：

[0024] K1‑2＝M1‑J÷M2；

[0025] 步骤S9：根据步骤S8计算得到的石子中石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比关系K1‑2，以及步骤S1中混凝土施工配合比，采用由石子Ⅰ与石子Ⅱ混合而成的石子进行球形代骨料混凝土混合物制备；

[0026] 步骤S10：将步骤S9中的混凝土混合物，通过机械成型方式成型制备成直径为R1混凝土球，经养护强度达到设计强度值后，对球形代骨料进行降碱处理；

[0027] 步骤S11：根据所需制备得到的混凝土体积V，以及等径球紧密堆积时空间体积孔隙率25.94％，得到制备体积为V的混凝土时，球形代骨料粘结混凝土用量为1.1×KB×V×25.94％至1.3×KB×V×25.94％；

[0028] 步骤S12：根据混凝土施工配合比，以及步骤S11计算结果，以石子Ⅲ为石子制备球形代骨料粘结混凝土；

[0029] 步骤S13：以容量为V的容器装取经步骤S10处理后的球形代骨料，并将装取的球形代骨料进行饱水处理；

[0030] 步骤S14：将步骤S13得到的经过饱水处理的球形代骨料与步骤S12制备得到的球形代骨料粘结混凝土混合，既得到地铁混凝土。

[0031] 进一步，所述石子Ⅰ、石子Ⅱ和石子Ⅲ材质相同，且均为单一粒径级配。

[0032] 进一步，石子Ⅰ粒径R1；石子Ⅱ由两种单一粒径的石子按质量比1:1混合而成，两种石子粒径分别为石子Ⅰ粒径R1的0.5倍和0.25倍，最小者粒径大于等于5mm。

[0033] 进一步，石子Ⅲ选取均以石子Ⅰ粒径R1为基础进行确定；

[0034] 石子Ⅲ粒径R3为：

[0035] R3＝(61/2‑2)×R1÷4；

[0036] 其中，粒径R1、R3指代石子可测量最大宽度值。

[0037] 进一步，步骤S13中，以容量为V的容器装取球形代骨料时，球形代骨料以等径球紧密堆积形式装入，且装入量为刚好装满整个容器。

[0038] 根据本发明具体实施方案，所述外加剂为减水剂；所述掺合料为纤维素醚和聚丙烯纤维。

[0039] 通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供了一种分步法制备地铁混凝土的方法，采用球体紧密堆积理论进行混凝土分步制备设计，即通过将混凝土水化进行步骤拆分，先行按照球体紧密堆积理论进行球形代骨料制备，在混凝土现场浇筑前，即完成混凝土中65％～75％的胶凝材料水化量，从而极大的降低混凝土采用原有拌和方法时混凝土内胶凝材料集中水化所带来的开裂等问题，同时混凝土代骨料可以在混凝土拌和前完成降碱处理，从而保证混凝土在长时间潮湿环境作用下的碱骨料反应发生，同时本发明有效的降低和去除了原有技术中，为保证大体积混凝土不发生开裂而加入的各种外加剂产品，不但直接的降低混凝土成本，而且间接的降低外加剂生产所产生的废气污水排放问题。

附图说明

[0040] 此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

[0041] 图1为本发明实施例测试点1混凝土水化热变化对比趋势图。

[0042] 图2为本发明实施例测试点2混凝土水化热变化对比趋势图。

[0043] 图3为本发明实施例测试点3混凝土水化热变化对比趋势图。

具体实施方式

[0044] 为描述方便，本发明中混凝土选用水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水作为混凝土的组成材料，配合比比例(重量比)为水泥：砂：石子：减水剂：纤维素醚：聚丙烯纤维：水＝1：1.0～1.5：2.5～3.0：0.005～0.01：0.005～0.01：0.01～0.02：0.28～0.45。

[0045] 为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

[0046] 实施例1

[0047] 根据混凝土施工配合比，要制备的混凝土基本组成材料为水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水，按照重量比计，上述基本组成材料的配合比比例为水泥：砂：石子：减水剂：纤维素醚：聚丙烯纤维：水＝1：1.2：2.8：0.005：0.005：0.01：0.28；根据制备步骤及产品不同，基础材料中石子选取时分为石子Ⅰ、石子Ⅱ和石子Ⅲ，其中石子Ⅰ和石子Ⅱ用于制备球形代骨料；石子Ⅲ用于制备球形代骨料粘结混凝土；本实施例中石子Ⅰ粒径为50mm，石子Ⅱ由粒径为25mm和12.5mm的两种粒径的石子组成；石子Ⅲ粒径为5.6mm；

[0048] 根据上述配合比，拌合物重量体积比例常数KB为2560；得到石子，在由水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水组成的拌合物中所占的质量比例常数P1为0.528；计3
算得到将要制备的球形代骨料应具有的体积VD为65449mm ，计算得到球形代骨料所具有的质量MD为0.1675Kg；计算得到球形代骨料中(石子Ⅰ+石子Ⅱ)所具有的质量MH为0.08844Kg；
单个石子Ⅰ所具有的平均质量为M1‑J为0.04267Kg；计算得到球形代骨料中石子Ⅱ的平均质量M2为0.04577；计算得到制备球形代骨料时石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比K1‑2为1:1.073；根据计算得到的石子Ⅰ和石子Ⅱ质量比关系，以及配合比进行球形代骨料混凝土混合物制备，制备成直径为50mm混凝土球，经养护强度达到设计强度值后，对球形代骨料进行浸水降碱处理；

[0049] 以容量为1m3的容器装取经过降碱处理的球形代骨料，并将球形代骨料做饱水处理；以石子Ⅲ制备球形代骨料粘结混凝土，球形代骨料粘结混凝土用量为730.47kg；将经过饱水水处理的代骨料与制备得到的球形代骨料粘结混凝土混合，既得到本发明。

[0050] 实施例2

[0051] 根据混凝土施工配合比，要制备的混凝土基本组成材料为水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水，按照重量比计，上述基本组成材料的配合比比例为水泥：砂：石子：减水剂：纤维素醚：聚丙烯纤维：水＝1：1.3：2.8：0.01：0.01：0.02：0.3；根据制备步骤及产品不同，基础材料中石子选取时分为石子Ⅰ、石子Ⅱ和石子Ⅲ，其中石子Ⅰ和石子Ⅱ用于制备球形代骨料；石子Ⅲ用于制备球形代骨料粘结混凝土；本实施例中石子Ⅰ粒径为60mm，石子Ⅱ由粒径为30mm和15mm的两种粒径的石子组成；石子Ⅲ粒径为6.74mm；

[0052] 根据上述配合比，拌合物重量体积比例常数KB为2500；得到石子，在由水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水组成的拌合物中所占的质量比例常数P1为0.515；计3
算得到将要制备的球形代骨料应具有的体积VD为113097mm ，计算得到球形代骨料所具有的质量MD为0.1675Kg；计算得到球形代骨料中石子(石子Ⅰ+石子Ⅱ)所具有的质量MH为
0.28271Kg；单个石子Ⅰ所具有的平均质量为M1‑J为0.12224Kg；计算得到球形代骨料中石子Ⅱ的平均质量M2为0.16047；计算得到制备球形代骨料时石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比K1‑2为1:
1.313；根据计算得到的石子Ⅰ和石子Ⅱ质量比关系，以及配合比进行球形代骨料混凝土混合物制备，制备成直径为60mm混凝土球，经养护强度达到设计强度值后，对球形代骨料进行浸水降碱处理；

[0053] 以容量为1m3的容器装取经过降碱处理的球形代骨料，并将球形代骨料做饱水处理；以石子Ⅲ制备球形代骨料粘结混凝土，球形代骨料粘结混凝土用量为778.2kg；将经过饱水水处理的代骨料与制备得到的球形代骨料粘结混凝土混合，既得到本发明。

[0054] 实施例3

[0055] 根据混凝土施工配合比，要制备的混凝土基本组成材料为水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水，按照重量比计，上述基本组成材料的配合比比例为水泥：砂：石子：减水剂：纤维素醚：聚丙烯纤维：水＝1：1.5：3.0：0.01：0.01：0.02：0.35；石子Ⅰ粒径为70mm，石子Ⅱ由粒径为35mm和17.5mm的两种粒径的石子组成；石子Ⅲ粒径为7.866mm；

[0056] 根据上述配合比，拌合物重量体积比例常数KB为2620；得到石子，在由水泥、砂、石子、减水剂、纤维素醚、聚丙烯纤维和水组成的拌合物中所占的质量比例常数P1为0.509；计3
算得到将要制备的球形代骨料应具有的体积VD为179594mm ，计算得到球形代骨料所具有的质量MD为0.1675Kg；计算得到球形代骨料中石子(石子Ⅰ+石子Ⅱ)所具有的质量MH为
0.47054Kg；单个石子Ⅰ所具有的平均质量为M1‑J为0.21255Kg；计算得到球形代骨料中石子Ⅱ的平均质量M2为0.25799；计算得到制备球形代骨料时石子Ⅰ与石子Ⅱ质量比K1‑2为1:
1.214；根据计算得到的石子Ⅰ和石子Ⅱ质量比关系，以及配合比进行球形代骨料混凝土混合物制备，制备成直径为70mm混凝土球，经养护强度达到设计强度值后，对球形代骨料进行浸水降碱处理；

[0057] 以容量为1m3的容器装取经过降碱处理的球形代骨料，并将球形代骨料做饱水处理；以石子Ⅲ制备球形代骨料粘结混凝土，球形代骨料粘结混凝土用量为883.5kg；将经过饱水水处理的代骨料与制备得到的球形代骨料粘结混凝土混合，既得到本发明。

[0058] 试验例

[0059] 对实施例1‑3所制备的混凝在相同环境条件下进行水化热量释放测试(测试混凝土浇注体为50cm*50cm*50cm立方体，混凝土浇注体均放置在300cm*300cm*300cm的隔热密闭箱内进行；测试时每组实验均设置三个测温点，测温点1在混凝土浇注体内部中心位置，测温点2在混凝土浇注体上表面下5cm处，测温点3在混凝土表面。并设置按普通混凝土拌合方法拌制的对比试验组1(配合比与实施例1相同)、对比试验组2(配合比与实施例2相同)、对比试验组3(配合比与实施例3相同)进行对比说明，实施例混凝土水化热变化对比如表1所示，实施例测试点1、测试点2、测试点3混凝土水化热变化对比趋势图分别如图1、图2、图3所示。

[0060] 表1实施例混凝土水化热变化对比

[0061]

[0062]

[0063] 通过分析表1数据及对比图1、图2、图3可知，本发明制备的混凝土浇注体水化热明显低于普通拌和方法制备的浇筑体。在浇筑后48h，采用本发明制备的混凝土浇注体测温点1最高温度维持在40℃上下，而普通拌和方法制备的混凝土浇注体测温点1最高温度则维持在70℃上下，二者温差多达30℃；同时通过测温点1与测温点3对比可知，在浇筑后48h时，本发明浇筑的混凝土浇注体内外温差约为15℃，而普通拌和方法制备的混凝土浇注体内外温差约为35℃。即本发明可以有效降低制备的大体积混凝土的水化热产生量，降低比率可达
60％。

[0064] 综上所述本发提供的一种分步法制备地铁混凝土的方法法效果显著，可以有效的降低地铁工程中大体积混凝土浇注体内部水化热产生量，从而有效抑制大体积混凝土内外温差过大对结构产生的破坏。