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CN115099173B - 基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统 - Google Patents

基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统 Download PDF

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CN115099173B CN202210832517.1A CN202210832517A CN115099173B CN 115099173 B CN115099173 B CN 115099173B CN 202210832517 A CN202210832517 A CN 202210832517A CN 115099173 B CN115099173 B CN 115099173B
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Abstract

本发明公开了一种基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统。方法包括步骤：(1)获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分；(2)对于各级分散体系确定该级别分散体系的分散系数；(3)由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比；(4)确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为混凝土的配合比。本发明考虑到所有固体颗粒的堆积密度、比表面积及分散状态，具有较高的可靠性，大大减少了因原材料特征变化所带来的不适性。

Description

基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，更具体地，涉及一种基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统。
背景技术
混凝土因其实用性、可塑性、高性能和经济性等优点，已被广泛应用于建筑和建筑材料。开发出一种能平衡各种性能的混凝土配合比仍然是一种值得研究的问题。另外随着现代基础设施需求的不断增加，高性能混凝土的使用越来越普遍，对混凝土的强度、和易性、长期稳定性等性能提出了更高的综合要求，因此需要精度更高、效率更高及可靠性强的配合比设计方法。
混凝土配合比设计大多采用经验公式，先建立胶凝材料、骨料和水的相对含量之间的粗略联系，然后进行试验，得到合适的配合比。目前，混凝土配合比设计，对原料性能界定时，皆采用干堆积模型。这种设计方法在混凝土生产中往往存在不足之处，干堆积模型不能准确的体现出不同批次的原料具有不同的物理化学特性，无法准确根据原材料性质的不同对混凝土配合比做出精准的调整。特别是随着河沙资源的短缺以及人们对混凝土可持续发展意识的逐步提高，机制砂逐渐取代河沙成为混凝土可持续发展的必然趋势。机制砂因由机械破碎而成，由于制砂工艺的不同导致机制砂的级配和比表面积不一，这些特征对机制砂混凝土的性能影响尤其显著，与河沙制备的混凝土相比，机制砂混凝土易离析、泌水且粘度较大，干堆积模型和湿堆积模型的模拟结果差异较大。
在现阶段，人们普遍认为颗粒堆积理论是现代混凝土设计中最重要的理论之一。颗粒堆积理论通过优化固体颗粒的级配来改善混凝土性能，从而提高混凝土基体的填充密度，减少水泥和水的用量，改善体积稳定性和降低成本。除颗粒级配外，颗粒的比表面积，特别是细颗粒如粉体和细骨料，对新拌混凝土的流变性有显著影响。一般认为，较小的颗粒比表面积有助于润湿和填充颗粒空隙所需的水或浆体，从而可以致使更多的水或浆体用于分散颗粒，减小范德华力和颗粒间摩擦力，最终可改善混凝土的工作性能。
考虑到新拌混凝土是在湿润条件下进行的，而在湿状态下细颗粒(胶凝材料或细骨料)之间存在相互间作用力，传统的干堆积的方法往往低估了细骨料颗粒的堆积密度，则细颗粒的堆积密度的测试需要在湿润状态下进行。在实际工程中，混凝土的配合比设计未考虑到固体颗粒的特征及固体颗粒的分散状态对混凝土性能的影响，难以适应在固体颗粒特征变化后，对混凝土配合比做出精准的调整以满足混凝土工作性能和力学性能，设计出的混凝土配合比不能很好的满足混凝土工作性能和力学性能的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统，其目的在于通过综合考虑混凝土中不同粒径等级的固相颗粒在湿润状态下的分散情况，根据混凝土的工作性能要求(如流动性)和力学性能要求(如抗压强度和坍落度)，由此解决现有技术中对混凝土设计时未考虑浸润状态下的固相颗粒分散状态对混凝土工作性能以及力学性能的影响，导致设计出的混凝土不能很好的满足混凝土工作性能和力学性能的要求的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法，其包括以下步骤：
(1)获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，并根据分散体系的固相颗粒粒径范围，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分，其中相邻级别的分散体系中，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相；
(2)对于各级分散体系，根据步骤(1)获取的混凝土性能要求以及该级别分散体系的原材料理化性能，确定该级别分散体系的分散系数；所述分散系数，为该级分散体系中固相颗在流动相中的平均分散距离；
(3)由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据步骤(1)获取的该级分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比；
(4)根据步骤(3)获取的各级别分散体系的流动相与固相颗粒质量之比，确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为所述混凝土的配合比。
优选地，所述混凝土配合比设计方法，其所述混凝土性能要求，包括混凝土工作性能要求和混凝土力学性能要求；所述原材料理化性能，包括粒径范围、比表面积、以及与混凝土性能要求相关的原材料其他理化性能。
优选地，所述混凝土配合比设计方法，其混凝土的固相颗粒按照粒径等级，包括：胶凝材料、细骨料和粗骨料；胶凝材料，粒径范围0-150μm；细骨料，粒径范围150um-4500um；粗骨料，粒径范围4500um-26000μm；
固相颗粒由微观到宏观各级别：净浆分散体系的固相颗粒为胶凝材料，流动相为水；砂浆分散体系的固相颗粒为细骨料，流动相为净浆；混凝土分散体系的固相颗粒为粗骨料，流动相为砂浆。
优选地，所述混凝土配合比设计方法，其步骤(3)所述在湿润状态下堆积模型中，流动相包括填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分和填充形成固相颗粒分散距离的部分；其中填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分由固相颗粒堆积密度最大时的固相颗粒与流动相比例确定，填充形成固相颗粒分散距离的部分由该级别分散体系的分散系数和固相颗粒的比表面积确定。
优选地，所述混凝土配合比设计方法，其步骤(3)所述流动相与固相颗粒质量之比计算方法如下：
(3-1)确定质量为Ms的固相颗粒形成固相颗粒密集堆积状态所需的填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分流动相质量
(3-2)确定质量为Ms的固相颗粒形成分散体系状态所需的填充形成固相颗粒分散距离的部分流动相质量M′m：
其中，ρ为流动相密度，即流动相各原料密度以体积占比为权重的加权平均值；SD为分散体系的分散系数；A为固相颗粒的比表面积；
(2-3)计算流动相与固相颗粒质量之比P为：
优选地，所述混凝土配合比设计方法，其所述固相颗粒密集堆积状态即固相颗粒堆积密度最大时的堆积状态。
优选地，所述混凝土配合比设计方法，其采用体积法确定单位混凝土中各级别的固相颗粒以及水的质量；优选方案，原料中的减水剂用量根据混凝土中胶凝材料原材料的用量确定。
按照本发明的另一个方面，提供了一种混凝土配合比设计系统，其包括：
混凝土性能获取模块，用于获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，并根据分散体系的固相颗粒粒径范围，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分，其中相邻级别的分散体系中，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相，提交给分散系数获取模块和湿润状态计算模块；
所述分散系数获取模块，用于对于各级分散体系，获取的混凝土性能要求以及该级别分散体系的原材料理化性能，确定该级别分散体系的分散系数，并提交给湿润状态计算模块；所述分散系数，为该级分散体系中固相颗在流动相中的平均分散距离；
所述湿润状态计算模块，用于由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据该级分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比，提交给配合比计算模块；
所述配合比计算模块，用于根据各级别分散体系的流动相与固相颗粒质量之比，确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为所述混凝土的配合比。
按照本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其所述处理器执行所述程序时实现本发明提供的混凝土配合比设计方法的步骤。
按照本发明的另一个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现本发明提供的混凝土配合比设计方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明公开了一种基基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法及系统，根据混凝土中各种固相颗粒材料(如胶凝材料、细骨料、粗骨料)的粒径级别，将混凝土划分为不同级别的分散体系，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相；进一步的分析对于各级分散体系，采用湿润状态下堆积模型分析其在湿润状态下的分散情况，从而按照分散体系中固相颗粒的粒径从微观到宏观的顺序确定流动相和固相颗粒的质量比例，最终设计出的混凝土配合比由于综合考虑了湿润状态下的分散情况，可更为精确的满足混凝土工作性能和力学性能的需求。本发明考虑到所有固体颗粒的堆积密度、比表面积及分散状态，用该方法配备出的混凝土具有较高的可靠性，大大减少了因原材料特征变化所带来的不适性，减少了试验次数和时间，对于工程中机制砂混凝土配合比设计具有重要的理论指导意义和实际价值。
优选方案，将混凝土看作净浆、砂浆和预拌混凝土三个层次的分散体系，具体而言：一是在混凝土可看作砂浆填充粗骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散粗骨料的复合材料；二是在砂浆可看作净浆填充细骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散细骨料的复合材料，三是在净浆可看作是由水和减水剂协同效应作用下填充胶凝材料堆积密度后多余的水分散胶凝材料的复合材料。三层次分散系数决定了混凝土的工作性能及强度，因此基于三层次分散系数发开出一种准确度高、可靠性强的机制砂混凝土具有重要意义。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
(1)获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，并根据分散体系的固相颗粒粒径范围，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分，其中相邻级别的分散体系中，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相；
所述混凝土性能要求，包括混凝土工作性能要求和混凝土力学性能要求；所述原材料理化性能，包括粒径范围、比表面积、以及与混凝土性能要求相关的原材料其他理化性能。
一般来说，混凝土的固相颗粒按照粒径等级，包括：胶凝材料、细骨料和粗骨料；其中：
胶凝材料，粒径范围0-150μm，其比表面积可按照勃氏法测定，如水泥、粉煤灰等形成的胶凝体系，
细骨料，粒径范围150um-4500um，其比表面积可根据表观密度和各粒级的中间粒径和质量分数估算，如机制砂；
粗骨料，粒径范围4500um-26000μm，其比表面积可根据表观密度和各粒级的中间粒径和质量分数估算，如碎石。
按照固相颗粒粒径范围分级，净浆可看作是由水和减水剂协同效应作用下填充胶凝材料堆积密度后多余的水分散胶凝材料的复合材料，砂浆可看作净浆填充细骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散细骨料的复合材料，混凝土可看作砂浆填充粗骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散粗骨料的复合材料。
固相颗粒由微观到宏观各级别：净浆分散体系的固相颗粒为胶凝材料，流动相为水；砂浆分散体系的固相颗粒为细骨料，流动相为净浆；混凝土分散体系的固相颗粒为粗骨料，流动相为砂浆。
原材料的理化性能，在本领域指《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)及《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)中要求的原材料的基本参数。
(2)对于各级分散体系，根据步骤(1)获取的混凝土性能要求以及该级别分散体系的原材料理化性能，确定该级别分散体系的分散系数；所述分散系数，为该级分散体系中固相颗在流动相中的平均分散距离；
(3)由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据步骤(1)获取的该级分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比；具体而言：
在湿润状态下堆积模型中，流动相包括填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分和填充形成固相颗粒分散距离的部分；其中填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分由固相颗粒堆积密度最大时的固相颗粒与流动相比例确定，填充形成固相颗粒分散距离的部分由该级别分散体系的分散系数和固相颗粒的比表面积确定；
流动相与固相颗粒质量之比计算方法如下：
(3-1)确定质量为Ms的固相颗粒形成固相颗粒密集堆积状态所需的填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分流动相质量固相颗粒密集堆积状态即固相颗粒堆积密度最大时的堆积状态；可采用试验确定；
(3-2)确定质量为Ms的固相颗粒形成分散体系状态所需的填充形成固相颗粒分散距离的部分流动相质量M′m：
其中，ρ为流动相密度，即流动相各原料密度以体积占比为权重的加权平均值；SD为分散体系的分散系数；A为固相颗粒的比表面积。
(2-3)计算流动相与固相颗粒质量之比P为：
其中，又被成为最小用浆比。
(4)根据步骤(3)获取的各级别分散体系的流动相与固相颗粒质量之比，采用体积法确定单位混凝土中各级别的固相颗粒以及水的质量，确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为所述混凝土的配合比；优选方案，原料中的减水剂用量根据混凝土中胶凝材料原材料的用量确定。
以下为实施例：
本实施例将混凝土分散体系分为三个层面，一是在混凝土可看作砂浆填充粗骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散粗骨料的复合材料；二是在砂浆可看作净浆填充细骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散细骨料的复合材料，三是在净浆可看作是由水和减水剂协同效应作用下填充胶凝材料堆积密度后多余的水分散胶凝材料的复合材料。
本实施例提供的基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
(1)获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，并根据分散体系的固相颗粒粒径范围，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分，其中相邻级别的分散体系中，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相；
待设计配合比的混凝土原材料包括：
胶凝材料：PO42.5水泥，其密度为3100kg/m3；粉煤灰，其密度为2500kg/m3；
细骨料：细度模数为2.7的机制砂，其表观密度为2600kg/m；
以及粗骨料：级配为5-26mm连续级配花岗岩碎石，其表观密度为2650kg/m3，堆积密度为1520kg/m3；
按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)及《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)的要求选择符合要求的原材料并进行各项性能测试：
选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.15g/cm3，指标均满足《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)的要求；选用Ⅱ级粉煤灰的密度为2.5g/cm3)，指标均满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)；选用水洗机制砂，其表观密度为2.6g/cm3，细度模数为2.8，选用连续级配4.75mm-26mm的花岗岩碎石作为粗骨料，测试其表观密度为2.65g/cm3，堆积密度为1.52g/cm3，空隙率为42.6％，指标均满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的要求；减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为14％，减水剂为20％，掺量为胶凝材料掺量的2％。
所述混凝土性能要求，包括抗压强度要求和坍落度要求；
混凝土的固相颗粒按照粒径范围，包括：胶凝材料、细骨料和粗骨料；其中：
胶凝材料，粒径范围0-150μm，其比表面积可按照勃氏法测定，如水泥、粉煤灰等形成的胶凝体系，
细骨料，粒径范围150um-4500um，其比表面积可根据表观密度和各粒级的中间粒径和质量分数估算，如机制砂；
粗骨料，粒径范围4500um-26000μm，其比表面积可根据表观密度和各粒级的中间粒径和质量分数估算，如碎石。
按照固相颗粒粒径范围分级，净浆可看作是由水和减水剂协同效应作用下填充胶凝材料堆积密度后多余的水分散胶凝材料的复合材料，砂浆可看作净浆填充细骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散细骨料的复合材料，混凝土可看作砂浆填充粗骨料堆积空隙后多余的砂浆用于分散粗骨料的复合材料。
固相颗粒由微观到宏观各级别：净浆分散体系的固相颗粒为胶凝材料，流动相为水；砂浆分散体系的固相颗粒为细骨料，流动相为净浆；混凝土分散体系的固相颗粒为粗骨料，流动相为砂浆。
(2)对于各级分散体系，根据步骤(1)获取的混凝土性能要求以及该级别分散体系的原材料理化性能，确定该级别分散体系的分散系数；所述分散系数，为该级分散体系中固相颗在流动相中的平均分散距离；具体而言：
胶凝材料分散体系的分散系数为BSD，细骨料分散体系的分散系数为FSD，粗骨料分散体系的分散系数为CSD，力学性能主要由胶凝材料分散系数(BSD)决定，而工作性能主要由细骨料分散系数(FSD)和粗骨料分散系数(CSD)决定。分别按照如下方法确定：
根据实际工程经验对机制砂混凝土强度的要求确定胶凝材料分散系数BSD；如下：
表1不同设计强度等级下胶凝材料分散系数的取值范围/μm
强度等级/MPa C30 C40 C50
BSD/μm 1.6-1.9 1.2-1.4 0.8-1.0
细骨料分散系数FSD和粗骨料分散系数CSD直接影响机制砂混凝土的流动性能，根据实际工程经验对机制砂混凝土坍落度的要求确定FSD和CSD值。
FSD为30-100μm，CSD为2.5-4.5mm时，对应坍落度为180-250mm。本实施例以设计的坍落度为185mm为例，FSD取36μm，CSD取3.5mm。
(3)由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据步骤(1)获取的该级分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比；具体而言：
在湿润状态下堆积模型中，流动相包括填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分和填充形成固相颗粒分散距离的部分；其中填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分由固相颗粒堆积密度最大时的固相颗粒与流动相比例确定，填充形成固相颗粒分散距离的部分由该级别分散体系的分散系数和固相颗粒的比表面积确定；
流动相与固相颗粒质量之比计算方法如下：
(3-1)确定质量为Ms的固相颗粒形成固相颗粒密集堆积状态所需的填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分流动相质量固相颗粒密集堆积状态即固相颗粒堆积密度最大时的堆积状态；堆积密度可采用试验测定；具体地，胶凝材料和细骨料的堆积密度采用湿堆积法测定，粗骨料的瑞吉密度采用干堆积法测定。
(3-2)确定质量为Ms的固相颗粒形成分散体系状态所需的填充形成固相颗粒分散距离的部分流动相质量M′m：
其中，ρ为流动相密度，即流动相各原料密度以体积占比为权重的加权平均值；SD为分散体系的分散系数；A为固相颗粒的比表面积。
(2-3)计算流动相与固相颗粒质量之比P为：
其中，又被成为最小用浆比。
本实施例中，固相颗粒由微观到宏观的分散体系依次为：净浆、砂浆、混凝土，分别计算其流动相与固相颗粒质量之比具体过程如下：
对于净浆：
在不同比例的水泥和粉煤灰组成的胶凝材料中，掺入不同量的水，当水和胶凝材料组成的净浆堆积密度为最大时，此时胶凝材料组成为胶凝材料最优设计组，此时用水量为在湿状态下填充胶凝材料间隙的最小用水量计算最小用水比Mb为胶凝材料的质量。
水泥与粉煤灰质量比为8:2时，胶凝材料在湿润状态下的堆积密度最大，此时最小用水比为：
根据上述步骤确定得到的胶凝材料组成和《水泥比表面积测定方法勃氏法(GB/T8074-2008)》确定胶凝材料的比表面积Ab,，Ab＝365㎡/kg，确定质量为Mb的胶凝材料具有相应BSD的净浆所需的填充分散距离部分水的质量：
以设计强度等级为C30为例，查表可知，设计强度等级为C30时，胶凝材料分散系数可取1.7μm。
计算净浆中水和胶凝材料的质量之比为P净浆：
计算结果：
对于砂浆：
根据胶凝材料组成、净浆的胶凝材料和水的比例、胶凝材料分散系数BSD确定净浆密度ρp；
在固定质量Mf的机制砂中，掺入不同量的净浆，当净浆和机制砂组成的砂浆堆积密度最大时，此时净浆用量为在湿状态下填充细骨料间隙的最小用浆比，则可确定最小用浆比
机制砂为650g时，掺入净浆为350g时，组成得到砂浆的堆积密度最大，确定最小用浆比
根据机制砂在干燥条件下自然堆积密度及筛分后各粒级中所占的质量分数确定单位体积内机制砂比表面积Af：
其中，ρf-a为机制砂表观密度，ωf-i为机制砂在各粒级中所占的质量分数，Df-i为机制砂在各粒级中的中间值。
表2为细骨料筛分后各粒级所占的质量分数：
表2细骨料筛分后各粒级所占的质量分数
计算机制砂比表面积Af＝3.56m2/kg
根据胶凝材料中水泥与粉煤灰质量比为8:2且P净浆为0.47，确定净浆密度ρp为：
确定质量为Mf的机制砂形成具有相应FSD(FSD取36μm)的砂浆所需的填充分散距离部分净浆的质量：
计算砂浆中净浆和砂浆的质量之比为P砂浆
计算结果：
对于混凝土：
根据净浆密度ρp、净浆和机制砂的质量之比、机制砂的表观密度ρf-a确定砂浆的密度ρm
根据粗骨料的表观密度ρc-a和堆积密度ρc-p确定粗骨料的孔隙率ag：
根据粗骨料在干燥条件下自然堆积密度及筛分后各粒级中所占的质量分数确定单位体积内粗骨料比表面积Ac
其中，ρc-a为粗骨料表观密度，ωc-i为粗骨料在各粒级中所占的质量分数，Dc-i粗骨料在各粒级中的中间值。
表3为粗骨料筛分后各粒级中所占的质量分数：
表3粗骨料筛分后各粒级所占的质量分数
计算粗骨料比表面积Ac＝0.16m2/kg
确定质量为Mc的骨料形成具有相应CSD(CSD取3.4mm)的砂浆所需的填充分散距离部分净浆的质量：
计算混凝土中砂浆和粗骨料的质量之比为P混凝土
计算结果：
(4)根据步骤(3)获取的各级别分散体系的流动相与固相颗粒质量之比，采用体积法确定单位混凝土中各级别的固相颗粒以及水的质量，确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为所述混凝土的配合比；原料中的减水剂用量根据混凝土中胶凝材料原材料的用量确定。
具体对于本实施例，单位体积内：
对于胶凝材料体系的各原料，按照水泥和粉煤灰的比例确定其各自的用量：
水泥的用量：Mce＝Mb*pce，其中pce为胶凝材料中水泥的质量比例；
粉煤灰的用量：MFA＝Pb*pFA，其中pFA为胶凝材料中粉煤灰的质量比例；
根据体积法
其中，0.01为混凝土空气体积。
由以上公式得出：Mce＝280kg,MFA＝70kg，Mf＝805kg，Mc＝1053kg，Mw＝165kg。
减水剂：本实施减水剂采用的是聚羧酸减水剂，减水率为20％，掺量为2％
msp＝(mce+mFA)*2％＝350*2％＝7kg
则可得出设计强度为C30，且坍落度达185mm的配合比为：Mce＝280kg,MFA＝70kg，Mf＝805kg，Mc＝1053kg，Mw＝165kg，Msp＝7kg。
实施例2
预设机制砂混凝土设计强度为C40，坍落度为200mm，则对应的胶凝材料分散系数BSD为1.3μm，细骨料分散系数FSD为50μm，粗骨料分散系数为4.2mm。其余原材料种类及参数均与实施例1相同。
采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥336kg，粉煤灰84kg，机制砂850kg，粗骨料940kg，水168kg，减水剂8.4kg
实施例3
预设机制砂混凝土设计强度为C50，坍落度为210mm，则对应的胶凝材料分散系数BSD为0.9μm，细骨料分散系数FSD为80μm，粗骨料分散系数为3.8mm。其余原材料种类及参数均与实施例1相同。
采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥384kg，粉煤灰96kg，机制砂785kg，粗骨料975kg，水158kg，减水剂9.6kg
实施例4
预设机制砂混凝土设计强度为C30，坍落度为180mm，掺入石灰石粉，其密度为2.8/m3，比表面积为250m3/kg。则对应的胶凝材料分散系数BSD为1.6μm，细骨料分散系数FSD为31μm，粗骨料分散系数为3.1mm。其余原材料种类及参数均与实施例1相同。
采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥285kg，粉煤灰40kg，石灰石粉30kg，机制砂825kg，粗骨料1045kg，水160kg，减水剂7.1kg
实施例5
预设机制砂混凝土设计强度为C40，坍落度为200mm，则对应的胶凝材料分散系数BSD为1.2μm，细骨料分散系数FSD为66μm，粗骨料分散系数为3.5mm。其余原材料种类及参数均与实施例4相同。
采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥345kg，粉煤灰50kg，石灰石粉35kg，机制砂790kg，粗骨料1005kg，水163kg，减水剂8.6kg
实施例6
预设机制砂混凝土设计强度为C50，坍落度为210mm，则对应的胶凝材料分散系数BSD为0.8μm，细骨料分散系数FSD为90μm，粗骨料分散系数为3.1mm。其余原材料种类及参数均与实施例4相同。
采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥388kg，粉煤灰60kg，石灰石粉37kg，机制砂743kg，粗骨料1040kg，水150kg，减水剂9.7kg。
由上述实例所计算得到的配合比如表3所示：
表3单位体积机制砂混凝土配合比汇总表(m3)
对获得的机制砂混凝土进行抗压强度测试、坍落度测试。
由上述实施例所得的配合比(方法1)与根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011(方法2)设计所得配合比，分别进行了28d抗压强度和坍落度测试对比，试验结果如表4示。
表4不同方法对机制砂混凝土试样的各项性能
由表3可以看出，本发明提供的基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法所设计的配合比满足混凝土工作性能及强度的要求，且不需要进行试配调整，而根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011设计所得配合比基本上满足强度要求，但是部分组数不满足工作性能，需要根据具体情况来进行调整得到最终的配合比。由此可见，本发明相对于现有的配合比设计方法更为准确有效，才用该方法配备出的混凝土具有较高的可靠性，大大减少了因原材料特征变化所带来的不适性，减少了试验次数和时间，对于工程中机制砂混凝土配合比设计具有重要的理论指导意义和实际价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于湿润状态多级分散的混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，并根据分散体系的固相颗粒粒径范围，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分，其中相邻级别的分散体系中，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相；
(2)对于各级分散体系，根据步骤(1)获取的混凝土性能要求以及该级别分散体系的原材料理化性能，确定该级别分散体系的分散系数；所述分散系数，为该级分散体系中固相颗在流动相中的平均分散距离；
(3)由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据步骤(1)获取的该级分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比；
所述在湿润状态下堆积模型中，流动相包括填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分和填充形成固相颗粒分散距离的部分；其中填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分由固相颗粒堆积密度最大时的固相颗粒与流动相比例确定，填充形成固相颗粒分散距离的部分由该级别分散体系的分散系数和固相颗粒的比表面积确定；
所述流动相与固相颗粒质量之比计算方法如下：
(3-1)确定质量为Ms的固相颗粒形成固相颗粒密集堆积状态所需的填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分流动相质量
(3-2)确定质量为Ms的固相颗粒形成分散体系状态所需的填充形成固相颗粒分散距离的部分流动相质量M′ m：
其中，ρ为流动相密度，即流动相各原料密度以体积占比为权重的加权平均值；SD为分散体系的分散系数；A为固相颗粒的比表面积；
(3-3)计算流动相与固相颗粒质量之比P为：
(4)根据步骤(3)获取的各级别分散体系的流动相与固相颗粒质量之比，确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为所述混凝土的配合比。
2.如权利要求1所述的混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述混凝土性能要求，包括混凝土工作性能要求和混凝土力学性能要求；所述原材料理化性能，包括粒径范围、比表面积、以及与混凝土性能要求相关的原材料其他理化性能。
3.如权利要求1所述的混凝土配合比设计方法，其特征在于，混凝土的固相颗粒按照粒径等级，包括：胶凝材料、细骨料和粗骨料；胶凝材料，粒径范围0-150μm；细骨料，粒径范围150um-4500um；粗骨料，粒径范围4500um-26000μm；
固相颗粒由微观到宏观各级别：净浆分散体系的固相颗粒为胶凝材料，流动相为水；砂浆分散体系的固相颗粒为细骨料，流动相为净浆；混凝土分散体系的固相颗粒为粗骨料，流动相为砂浆。
4.如权利要求1所述的混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述固相颗粒密集堆积状态即固相颗粒堆积密度最大时的堆积状态。
5.如权利要求1所述的混凝土配合比设计方法，其特征在于，采用体积法确定单位混凝土中各级别的固相颗粒以及水的质量。
6.如权利要求5所述的混凝土配合比设计方法，其特征在于，原料中的减水剂用量根据混凝土中胶凝材料原材料的用量确定。
7.一种混凝土配合比设计系统，其特征在于，包括：
混凝土性能获取模块，用于获取待设计配合比的混凝土性能要求以及原材料理化性能，并根据分散体系的固相颗粒粒径范围，确定固相颗粒由微观到宏观各级别的分散体系的固相颗粒和流动相原材料成分，其中相邻级别的分散体系中，固相颗粒较微观的分散体系作为固相颗粒较宏观的分散体系的流动相，提交给分散系数获取模块和湿润状态计算模块；
所述分散系数获取模块，用于对于各级分散体系，获取的混凝土性能要求以及该级别分散体系的原材料理化性能，确定该级别分散体系的分散系数，并提交给湿润状态计算模块；所述分散系数，为该级分散体系中固相颗在流动相中的平均分散距离；
所述湿润状态计算模块，用于由微观到宏观的顺序对于各级别分散体系，根据该级分散系数采用湿润状态下流动相填充固相颗粒表面的湿润状态下堆积模型，确定其流动相与固相颗粒质量之比，提交给配合比计算模块；
所述在湿润状态下堆积模型中，流动相包括填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分和填充形成固相颗粒分散距离的部分；其中填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分由固相颗粒堆积密度最大时的固相颗粒与流动相比例确定，填充形成固相颗粒分散距离的部分由该级别分散体系的分散系数和固相颗粒的比表面积确定；
所述流动相与固相颗粒质量之比计算方法如下：
(3-1)确定质量为Ms的固相颗粒形成固相颗粒密集堆积状态所需的填充形成固相颗粒密集堆积状态的部分流动相质量
(3-2)确定质量为Ms的固相颗粒形成分散体系状态所需的填充形成固相颗粒分散距离的部分流动相质量M′m：
其中，ρ为流动相密度，即流动相各原料密度以体积占比为权重的加权平均值；SD为分散体系的分散系数；A为固相颗粒的比表面积；
(3-3)计算流动相与固相颗粒质量之比P为：
所述配合比计算模块，用于根据各级别分散体系的流动相与固相颗粒质量之比，确定单位混凝土的原材料质量以及水的质量作为所述混凝土的配合比。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述混凝土配合比设计方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述混凝土配合比设计方法的步骤。
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