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一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，屬于水泥基材料【技術領域】。本發(fā)明的混凝土為水泥凈漿、砂、石三相材料組成的復合材料，研究混凝土中的組分材料如水泥凈漿與砂、石的相關性能對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，以及溫度變化時，水泥凈漿與砂、石之間的相互作用及變形特點對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，根據(jù)水泥凈漿、砂、石的熱膨脹系數(shù)、體積分數(shù)及體積模量預測混凝土的熱膨脹系數(shù)，建立混凝土熱膨脹系數(shù)的預測模型。本發(fā)明考慮了混凝土的組分材料及相對組成對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，可根據(jù)組分材料的熱膨脹系數(shù)、體積分數(shù)和體積模量，方便準確的預測混凝土的熱膨脹系數(shù)。
【專利說明】一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，屬于水泥基材料技術領 域。

【背景技術】
[0002] 熱膨脹系數(shù)是混凝土的主要熱物理特性參數(shù)之一，也是其體積穩(wěn)定性的重要表征 參數(shù)。在實際工程中，由于水化熱引起的溫度變形是導致混凝土結構開裂的主要原因之一， 尤其是對于大體積混凝土結構。熱膨脹系數(shù)直接決定了溫度變形的大小，解決混凝土溫度 開裂問題的關鍵之一就是熱膨脹系數(shù)的確定。
[0003]目前對于混凝土熱膨脹系數(shù)的取值，通常近似采用固定值，而實際上混凝土的熱 膨脹系數(shù)受到多種因素影響，如配合比、粗、細骨料種類等。對不同工況下混凝土熱膨脹系 數(shù)的研究，現(xiàn)階段多通過試驗方法進行，但混凝土熱膨脹系數(shù)測試所需試驗儀器專業(yè)性強， 試驗操作過程復雜，試驗費用較高，而且試驗結果還受到原材料、配合比、環(huán)境條件及試驗 人員操作技術等影響，往往得到的熱膨脹系數(shù)離散性較大，推廣性不夠。因此，探索一種既 實用又合理的混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型，對于控制混凝土結構溫度開裂及進行開裂評價 具有重要意義。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術所存在的不足，本發(fā)明提供了一種 混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，基于細觀角度，研究混凝土不同組分材料的性能 及彼此之間相互作用對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，根據(jù)混凝土組分材料的各性能參數(shù)直接 預測混凝土的熱膨脹系數(shù)，為混凝土結構溫度裂縫的控制提供可靠參數(shù)。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明具體采用以下技術方案：
[0006] 一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，其特征在于：包括以下步驟，
[0007] 步驟（A)，建立混凝土熱膨脹系數(shù)的混合律模型：
[0008] 混凝土的溫度變化時，忽略水泥凈漿和砂、石之間的相互作用，各相均獨立變形， 根據(jù)混合律模型計算混凝土的熱膨脹系數(shù)，
[0009] a cl = a cpfcp+ a sfs+ a gfg (1)
[0010] 式（1)中，a 為按混合律模型計算出的混凝土的熱膨脹系數(shù)，a ep、a s、a g分別 為水泥凈漿、砂和石的熱膨脹系數(shù)，fcp> fs和fg分別為水泥凈漿、砂和石在混凝土中所占的 體積分數(shù)；
[0011] 步驟（B)、建立混凝土熱膨脹系數(shù)的Turner模型：
[0012] 混凝土的溫度變化時，水泥凈漿與砂、石承受均勻的靜水應力并呈均勻變形，根據(jù) Turner模型計算混凝土的熱膨脹系數(shù)， 「 ?acpfq>Kcp +aJlKs+agfgKg m、
[0013] α..7=^^1-^............... ￡.....................^..............⑵ f , + fK, + fKy J (-p ip J a s J g g
[0014] 式（2)中，α。2為按Turner模型計算出的混凝土的熱膨脹系數(shù)，Kep、Ks和K g分別 為水泥凈漿、砂和石的體積模量；
[0015] 步驟（C)、建立混凝土熱膨脹系數(shù)的預測模型：
[0016] 實際中混凝土的組分材料水泥凈漿與砂、石之間存在相互作用，且變形相互約束， 介于步驟（A)、(B)所述兩種情況之間，以步驟（A)、(B)中所述的兩種模型為基礎，建立混凝 土熱膨脹系數(shù)的預測模型，如下，
[0017] a c = λ ： a cl+ λ 2 a c2 (3)
[0018]即ac=h{^cpfcp + a丄 + ajz)+V.......-: _ (4) JcpK,p ^JgKg
[0019] 式（3)和式（4)中，α。為預測得到的混凝土的熱膨脹系數(shù)，λ。λ 2為組合系數(shù)， 且λ 1+ λ 2 = 1，λ i和λ 2分別表示按混合律模型和Turner模型計算的混凝土熱膨脹系數(shù) 對預測的實際情況下混凝土的熱膨脹系數(shù)的貢獻程度。
[0020] 前述的一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，其特征在于：混凝土為水泥 凈漿、砂、石組成的三相復合材料。
[0021] 前述的一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，其特征在于：步驟（C)中，水 泥凈漿與砂、石之間存在相互作用且變形相互約束，組合系數(shù)分別取λ:= λ2 = 0.5，混凝 土的熱膨脹系數(shù)按下式直接預測得到，
[0022] % =0.5(^4 +ajs +agfg)+05·^^.......? ⑶ J cp cp j Λ Λ j g g
[0023] 該混凝土熱膨脹系數(shù)的預測模型綜合考慮了混凝土中水泥凈漿的熱膨脹系數(shù)、砂 的熱膨脹系數(shù)、石的熱膨脹系數(shù)、水泥凈漿的體積模量、砂的體積模量、石的體積模量、水泥 凈漿的體積分數(shù)、砂的體積分數(shù)以及石的體積分數(shù)對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，并綜合考 慮了水泥凈漿和砂、石之間的相互作用及相互變形約束對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響。
[0024] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法， 其中混凝土為由水泥凈漿和砂、石組成的三相復合材料，考慮了水泥凈漿與砂、石之間的相 互作用及變形約束對混凝土的熱膨脹系數(shù)的影響，根據(jù)水泥凈漿和砂、石的熱膨脹系數(shù)、體 積分數(shù)及體積模量，即可預測得到混凝土的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明從細觀層次出發(fā)，研究水泥 凈漿與砂、石的性能、彼此之間的相互作用及變形特點對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，建立一 種既實用經(jīng)濟又能正確預測混凝土熱膨脹系數(shù)的計算模型，通過本發(fā)明方法，可以比較方 便的得到混凝土的熱膨脹系數(shù)，而不需要通過測試裝置進行測試，大大節(jié)約了試驗所用的 時間、人力和物力，節(jié)約了資金投入，且預測結果可靠，有利于推廣應用。

【具體實施方式】
[0025] 以下對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0026] 本發(fā)明的模型構建方法按照以下步驟進行，且混凝土為水泥凈漿和砂、石組成的 三相復合材料，在此基礎上執(zhí)行以下步驟：
[0027] 步驟（A)，建立混凝土熱膨脹系數(shù)的混合律模型：
[0028] 混凝土的溫度變化時，假設一種理想狀態(tài)，忽略水泥凈漿和砂、石之間的相互作 用，且認為各相均獨立變形，根據(jù)混合律模型計算混凝土的熱膨脹系數(shù)，
[0029] a cl = a cpfcp+ a sfs+ a gfg (1)
[0030] 式（1)中，a 為按混合律模型計算出的混凝土的熱膨脹系數(shù)，α a s、a g分別 為水泥凈漿、砂和石的熱膨脹系數(shù)，fcp> fs和fg分別為水泥凈漿、砂和石在混凝土中所占的 體積分數(shù)；
[0031] 步驟（B)、建立混凝土熱膨脹系數(shù)的Turner模型：
[0032] 混凝土的溫度變化時，假設理想狀態(tài)為，水泥凈漿與砂、石承受均勻的靜水應力并 呈均勻變形，根據(jù)Turner模型計算混凝土的熱膨脹系數(shù)，
[0033] ?￡Ζ = ^mm 古,mm, mm,^m··^mm ^ ^ JcjAq, +JgKg
[0034] 式（2)中，α。2為按Turner模型計算出的混凝土的熱膨脹系數(shù)，Kep、Ks和K g分別 為水泥凈漿、砂和石的體積模量；
[0035] 步驟（C)、建立混凝土熱膨脹系數(shù)的預測模型：
[0036] 實際中混凝土的組分材料水泥凈漿與砂、石之間存在相互作用，且變形相互約束， 介于步驟（A)、(B)所述兩種情況之間，以步驟（A)、(B)中所述的兩種模型為基礎，建立混凝 土熱膨脹系數(shù)的預測模型，如下，
[0037] a c = λ ! a cl+ λ 2 a c2 (3) ,/ . . ，αΗΧβΚ +aJ]Ks ^afK
[0038] gp ac +asfs +agfg)+L· -'^；；s(4)
[0039] 式⑶和式⑷中，a。為預測得到的混凝土的熱膨脹系數(shù)，λ ρ λ 2為組合系數(shù)， 且λ 1+ λ 2 = 1，λ i和λ 2分別表示按混合律模型和Turner模型計算的混凝土熱膨脹系數(shù) 對預測的實際情況下混凝土的熱膨脹系數(shù)的貢獻程度。
[0040] 一般，水泥凈漿與砂、石之間存在相互作用且變形相互約束，組合系數(shù)分別取入i =λ2 = 0.5，因此步驟（C)中混凝土的熱膨脹系數(shù)按下式直接預測得到， / , , \ . a aU Λ-?, ?Κ, + ci.t /"Α
[0041 ] ar = 0.5 a, L· +β f + a.，f\) + 0,5 * cp. (5) l wr ?」 e \ fp< f fp ^·- ^ / f W \ -f W \ 4' kr +Λ^ι +ΛΛ^
[0042] 該混凝土的熱膨脹系數(shù)預測模型綜合考慮了混凝土中水泥凈漿的熱膨脹系數(shù)、砂 的熱膨脹系數(shù)、石的熱膨脹系數(shù)、水泥凈漿的體積模量、砂的體積模量、石的體積模量、水泥 凈漿的體積分數(shù)、砂的體積分數(shù)及石的體積分數(shù)對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響，并結合實際 情況綜合考慮水泥凈漿和砂、石之間的相互作用及變形特點對混凝土熱膨脹系數(shù)的影響， 更貼合于實際應用情況。
[0043] 為了驗證本發(fā)明的預測效果，進行了以下試驗驗證：
[0044] 試驗米用自制裝置進行。試件尺寸為lOOmmX lOOmmX 500mm,燒筑完畢后迅速將 試件搬入標準養(yǎng)護室內進行養(yǎng)護，養(yǎng)護至28天時測量熱膨脹系數(shù)。水泥采用普通硅酸鹽 水泥，砂采用河砂，石采用花崗巖，質量配合比（水：水泥：砂：石）為0.48:1:1. 37:2. 54， 各組分的密度取常用數(shù)值，分別為1000kg/m3(水)、3150kg/m3(水泥）、1400kg/m 3(砂)、 2640kg/m3(石），體積分數(shù)根據(jù)質量與密度的比值換算得到。水泥凈漿、河砂、花崗巖及混 凝土的熱膨脹系數(shù)均通過試驗測得，分別為14.6X10_6/°C、7.5X10_6/°C、6.2X10_ 6/°C、
【權利要求】
1. 一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，其特征在于：包括以下步驟， 步驟（A)，建立混凝土熱膨脹系數(shù)的混合律模型： 混凝土的溫度變化時，忽略水泥凈漿和砂、石之間的相互作用，各相均獨立變形，根據(jù) 混合律模型計算混凝土的熱膨脹系數(shù)， α cl = α cpfcp+ αsfs+ α gfg (1) 式⑴中，為按混合律模型計算出的混凝土的熱膨脹系數(shù)，αφ、as、別為水 泥凈漿、砂和石的熱膨脹系數(shù)，fcp> fs和fg分別為水泥凈漿、砂和石在混凝土中所占的體積 分數(shù)； 步驟（B)、建立混凝土熱膨脹系數(shù)的Turner模型： 混凝土的溫度變化時，水泥凈漿與砂、石承受均勻的靜水應力并呈均勻變形，根據(jù) Turner模型計算混凝土的熱膨脹系數(shù)， ^ 'P 、J、 ' ^ (?) 、鑛 / fJ^fsK,fgKs 式⑵中，0。2為按1\1111虹模型計算出的混凝土的熱膨脹系數(shù)，1(。1)、1(3和1( 8分別為水 泥凈漿、砂和石的體積模量； 步驟（C)、建立混凝土熱膨脹系數(shù)的預測模型： 實際中混凝土的組分材料水泥凈漿與砂、石之間存在相互作用，且變形相互約束，介于 步驟㈧、⑶所述兩種情況之間，以步驟㈧、⑶中所述的兩種模型為基礎，建立混凝土熱 膨脹系數(shù)的預測模型，如下， Q c = λ 1 Q cl+ λ 2 Q c2 (3) 曰η Γ/ - 1 f ] fy f ] η f ^ ι 1 αψ·^ν^<-ρ +ai.fs^-s +agfg^g f λ\ 即 ?, - ψ(ρ?ψ + α,Λ + aJg )+α7--ΤΙ^?Τκ^+Τκ--) -/ i 'p Cp j Λ' Λ' J g g 式⑶和式⑷中，α。為預測得到的混凝土的熱膨脹系數(shù)，λ。λ 2為組合系數(shù)，且 λ 1+ λ 2 = 1，λ i和λ 2分別表示按混合律模型和Turner模型計算的混凝土熱膨脹系數(shù)對 預測的實際情況下混凝土熱膨脹系數(shù)的貢獻程度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，其特征在于： 混凝土為水泥凈漿、砂、石組成的三相復合材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種混凝土熱膨脹系數(shù)預測模型的構建方法，其特征在于： 步驟（C)中，水泥凈漿與砂、石之間存在相互作用且變形相互約束，組合系數(shù)分別取= λ 2 = 0. 5，混凝土的熱膨脹系數(shù)按下式直接預測得到， n ri r r r \ η ? +asJs^x + ^ j K ac =0.5 a / +a f +ajv +0.5--------廣 ' L (5)
【文檔編號】G01N25/16GK104050387SQ201410304857
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】曹秀麗 申請人:南京工程學院