專利名稱：一種測定輕集料彈性模量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑材料和微觀力學(xué)的交叉領(lǐng)域，更具體涉及利用微觀力學(xué)的均勻質(zhì)法的迭代稀釋模型結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)測定輕集料彈性模量的方法，該方法適用于正確評價輕集料的力學(xué)性能參數(shù)。
背景技術(shù)：
彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。正確地獲得輕集料的彈性模量是確定輕集料混凝土受力狀態(tài)下內(nèi)在應(yīng)力分布，研究輕集料混凝土的破壞機(jī)理和研制高強(qiáng)輕集料混凝土的基礎(chǔ)。目前輕集料主要的產(chǎn)品為粘土陶粒和頁巖陶粒，由于輕集料在高溫?zé)坪?，產(chǎn)品已經(jīng)是5-40mm的微小顆粒，所以不能依靠傳統(tǒng)的針對巖石樣本(標(biāo)準(zhǔn)圓柱體)的試驗(yàn)方法(單軸壓縮變形 試驗(yàn))獲得材料的彈性模量。因此輕集料的平均彈性模量很難估計，國內(nèi)技術(shù)規(guī)范中還沒有標(biāo)準(zhǔn)的測量方法。國外的相關(guān)測定技術(shù)中，有聲波法、應(yīng)變片法等來確定輕集料的彈性模量，這些方法有一些明顯的缺陷。比如聲波法在測量前，需要對一顆輕集料兩端打磨平整，變成兩個平行的表面，才能安裝聲波的發(fā)射和接受裝置，打磨過程中不可避免的要去掉了輕集料顆粒堅硬的外殼，從而引起了測量對象的改變。應(yīng)變片法在實(shí)施過程中同樣要處理輕集料顆粒的表面，改變了測量對象的初始狀態(tài)。另外，這種方法需要針對顆粒逐一測量，測量的數(shù)量過少沒有統(tǒng)計意義，測量的數(shù)量過多也十分消耗人力物力。在國際混凝土協(xié)會(CEB)的輕集料混凝土技術(shù)文獻(xiàn)中，輕集料的動彈性模量是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(公式I)預(yù)估的，模量的單位為MPa，密度的單位是kg/m3。E = 8000 X ( P a/1000)2公式 I該公式給出了彈性模量平均值，但實(shí)際離散區(qū)間很大。另外該公式僅僅單純依靠一個參數(shù)即“密度”來估計輕集料的彈性模量是不全面的，不能全面的反映輕集料顆粒的綜合信息。因?yàn)?，輕集料顆粒在高溫?zé)频纳a(chǎn)過程中在內(nèi)部產(chǎn)生了很多空隙，針對不同類型的輕集料，其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了骨料的吸水量和形成混凝土后的界面過渡區(qū)(ITZ)產(chǎn)生了差別，這些都對輕集料的彈性模量都會造成影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種測定輕集料(粘土陶粒、頁巖陶粒、膨脹珍珠巖、膨脹礦渣珠粉、煤灰陶粒等)彈性模量的方法。方法易行，操作簡便，特別適用于因輕集料顆粒細(xì)小而無法用傳統(tǒng)方法測量彈性模量的情況，保證了測量對象的完好性，降低了由于試驗(yàn)樣本的個體偏差造成誤差的可能性，通過本測量求出的輕集料彈性模量比較準(zhǔn)確地反映了混凝土材料內(nèi)輕集料的彈性特征，為模擬混凝土彈性模量，制備輕集料混凝土提供了優(yōu)質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是利用微觀力學(xué)的均勻質(zhì)方法，根據(jù)混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)反推輕集料的彈性模量。—種測定輕集料彈性模量的方法，其步驟是I)制備混凝土試件，通過力學(xué)試驗(yàn)確定力學(xué)參數(shù)步驟如下( I)確定水泥砂漿和混凝土各組分的配合比分為兩個層次。A，確定純水泥砂漿的配合比，其中水灰比(質(zhì)量比)控制在O. 29-0. 45范圍內(nèi)；B，確定混凝土的配合比，其中保持混凝土中水泥砂漿部分的配合比不變，按照體積比Va，加入輕集料，確定輕集料混凝土各種組分的配合比。從而保證每一種輕集料混凝土試件中的水泥砂漿的配比和純水泥砂漿試件的配比是完全一致的，僅僅只是輕集料的體積在變化。另外，為了防止輕集料過少產(chǎn)生離析，體積比(輕集料體積占整個混凝土體積的比例)應(yīng)控制在25% -45%范圍內(nèi)。
以水灰比為X (控制在O. 29-0. 45之間)的水泥砂漿和混凝土為例，其各組成成分的質(zhì)量比為水泥砂漿水泥水河沙減水劑=1 : X : I. 4 : y混凝土 水泥水河沙減水劑輕集料=1 : X : I. 4 : y : zy的取值應(yīng)該保證拌合后水泥砂漿的坍落度在15mm-20mm之間，推薦值為水泥用量的 O. 2-5%οz的取值根據(jù)輕集料的體積比(25%45%)和輕集料干密度共同確定。如果配置高強(qiáng)度混凝土，可加入硅粉，其質(zhì)量比為水泥硅粉=1 O. I(2)按標(biāo)準(zhǔn)制作試件為了避免輕集料在攪拌過程在攪拌過程中吸水，應(yīng)該在攪拌前浸泡24-48小時。在攪拌前，輕集料從水中取出，在篩網(wǎng)上晾置20-25分鐘，等表面水分濾凈，然后開始攪拌。攪拌操作程序?yàn)閍，依次在攪拌機(jī)中放入輕集料，水泥(42. 5或52. 5的普通硅酸鹽水泥)，硅灰，河沙，攪拌1-2分鐘；b，一邊攪拌一邊將拌合水勻速地加入攪拌機(jī)，用時2-3分鐘；c，水倒完以后，混合物繼續(xù)攪拌3-4分鐘后，結(jié)束攪拌。如需要減水劑，應(yīng)當(dāng)把減水劑放入拌合用水一起加入。上述a，b，c的總體攪拌時間不能過長(各階段加起來控制在10分鐘以內(nèi))，以避免輕集料被攪拌機(jī)打碎。同樣配比的試件每組做4個樣本，按照GB50107《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》制作長方體試件(150*150*300mm)，或圓柱體試件(Φ160Χ 320mm)，養(yǎng)護(hù)時間28天，保持恒溫恒濕狀態(tài)，溫度18_22°C，相對濕度> 95%。所述的減水劑為聚羧酸類減水劑。所述的聚羧酸減水劑是水泥混凝土運(yùn)用中的一種水泥分散劑，化學(xué)上可以分為兩類，以主鏈為甲基丙烯酸，側(cè)鏈為羧酸基團(tuán)和MPEG(Methoxy polyethylene glycol),聚酯型結(jié)構(gòu)。另外一種為主鏈為聚丙烯酸，側(cè)鏈為Vinyl alcohol polyethylene glycol,聚醚型結(jié)構(gòu)。當(dāng)然以此也衍生了許多類似產(chǎn)品。(3)確定水泥砂漿和混凝土的楊氏模量(參考巴黎道橋?qū)嶒?yàn)室技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)T0RRENTIJ. M.，DENTEC P.，BOULAY C.，SEMBLA J.F·，Projet deprocessus d’essai pour ladetermination du module de deformation longitudinale du beton，Bulletin deslaboratoires des Ponts et Chausseesj 220, P79-81, 1999.):可以按照下列步驟一，從4個樣本中選取一個，用液壓伺服壓力器進(jìn)行軸向受壓試驗(yàn)，測出軸向受壓強(qiáng)度值f。； 二，用液壓伺服壓力器進(jìn)行軸向受壓試驗(yàn)，測量應(yīng)力的變化；用應(yīng)變片或應(yīng)變儀同步測量應(yīng)變的變化，在壓力O. 05fc-0. 3fc(fc是動態(tài)值，需要根據(jù)試驗(yàn)確定)之間循環(huán)加壓、卸壓三次，速率為O. 25MPa/秒；三，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，選取第二和第三次的上升段部分O. Ifc-O. 3fc的曲線的割線的斜率作為楊氏模量值。需要強(qiáng)調(diào)，為防止在壓縮試驗(yàn)時因受壓面不平整產(chǎn)生應(yīng)力集中，在壓縮試驗(yàn)前，應(yīng)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》對兩個受壓端面進(jìn)行平整度處理。2)利用均勻質(zhì)法的迭代稀釋模型推導(dǎo)輕集料的彈性模量均勻質(zhì)法假設(shè)輕集料是微觀雜質(zhì)，均勻地分布在水泥砂漿為基質(zhì)的均質(zhì)材料中。如果把混凝土簡單的假定為雙相質(zhì)材料,這樣雜質(zhì)和基質(zhì)就共同構(gòu)成了材料整體?；炷琳w的等效力學(xué)性能(宏觀尺度)是由其內(nèi)在各種組成部分的材料自有力學(xué)性能(微觀尺度)所控制，同時還受到組成材料所占比例的影響。在這種思想的指導(dǎo)下，衍生出不同的微觀模型，其中一種為“稀釋模型”，這種方法模型簡單，計算簡便，它假設(shè)輕集料顆粒是圓球形，均勻分散在無限大的水泥砂漿基質(zhì)中，輕集料顆粒要足夠小而且輕集料顆粒之間沒有相互影響。由于假設(shè)的局限性，該方法在雜質(zhì)體積含量比較小(< 1%)的情況下，預(yù)測誤差才 能滿足土木工程需要。但是通?；旌衔镏须s質(zhì)的總摻入量都很大，為了彌補(bǔ)這個缺陷，在稀釋模型的基礎(chǔ)上融入了“迭代法”:它將雜質(zhì)分割為很多小份，逐步放入基質(zhì)，每份體積含量嚴(yán)格控制，保證體積比(雜質(zhì)基質(zhì)X 1%(即“雜質(zhì)基質(zhì)”小于或等于1%);每次加入后立即計算本次組合物的整體力學(xué)性能；然后這個整體作為中間狀態(tài)下的一個新的基質(zhì)，等待下一份雜質(zhì)的摻入；從而不斷迭代，一直到所有的雜質(zhì)融入基質(zhì)，成為最終的組合物。因此這種模型可以簡稱“迭代稀釋模型”。利用“迭代稀釋模型”可以倒推出輕集料的彈性模量，為了解釋上的方便，先正推組合物(即混凝土)的楊氏模量，其計算步驟(如下)。在以下描述中，下標(biāo)m表示水泥砂漿，a表示輕集料，c表示混凝土 ；上標(biāo)i表示迭代的次數(shù),不表示數(shù)學(xué)指數(shù)運(yùn)算。(I)第一步根據(jù)材料彈性參數(shù)之間的關(guān)系公式(公式2，3)，利用各組成材料的楊氏模量E和泊松比V，求出材料的體積模量K和剪切模量G。假設(shè)各材料的泊松比相等，均為 O. 2，即 Vm = Va = O. 2。K = E/[3(l-2v)] = Ε/1. 8公式 2G = E/ [2 (1+v) ] = E/2. 4公式 3(2)第二步根據(jù)“迭代法”的思想，把雜質(zhì)(即輕集料)的總體積比Va分成η等份，η的取值保證每次迭代的體積比彡1%，以雜質(zhì)體積為25%為例，n ^ 33 ;以雜質(zhì)體積為45%為例，η彡81,其中第i次迭代的體積比為，i 1，···，η (見公式4)
「00271 V1 = !--------------—公式 4(3)第三步根據(jù)“稀釋模型”的公式(公式5，6)，融合“迭代法”思想，利用各組成材料的彈性模量和體積比，推導(dǎo)組合物(中間體)的等效彈性模量。
/\ 3人■. i 4 4C；:K =K^ + V{Ka -Κ:; ....^......公式 5
+ 4(/wl
「00301 G' =G'"4 +V(G — '1}-*-- = C1 + VM -').導(dǎo)..I:公式 6
(； f (； mα
其中,初始值iC = 'Gt = (-:!m，即初始取值是水泥砂衆(zhòng)的彈性特征；當(dāng)i = η時，最終值I =Kv即最終值為計算所得混凝土的彈性特征。以上的過程通過計算機(jī)編制程序，不停循環(huán)，一直計算到i = η結(jié)束。然后利用公式7計算混凝土的楊氏模量。E^9Kcj______^______公式 7(4)第四步以上的步驟是從各種組成成分的模量出發(fā)推導(dǎo)組合物的整體模量的方法?，F(xiàn)在反過來，反向推導(dǎo)輕集料的模量。此時，令混凝土楊氏模量的計算值/:了" 利用公式8計算混凝土楊氏模量的計算值和試驗(yàn)測量值的誤差Λ ;如果誤差小于或等于規(guī)定的限值H，則接受假設(shè)的輕集料的楊氏模量Ea;如果誤差超過限值Π，則轉(zhuǎn)回第一步，調(diào)整輕集料的楊氏模量Ea。當(dāng)>￡，時，減少Ea< /CP—時，增加Ea。重復(fù)上述的步驟(重復(fù)的次數(shù)和輕集料彈性模量的假設(shè)值Ea和誤差限值 η的取值有關(guān))，當(dāng)計算誤差△小于或等于規(guī)定的限值H條件下，終止上述過程，此時Ea即為輕集料的楊氏模量。
Pcsl. _ E^exp-Δ =胃^—-=-^— X 100% < I 公式 8
匕」fexp.1 ^^
zsC以上過程用框圖表示請見圖1，適用于計算機(jī)程序的編制。所述的輕集料為粘土陶粒、頁巖陶粒、膨脹珍珠巖、膨脹礦渣珠粉、煤灰陶粒等其中的一種。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果A、特別適用于輕集料顆粒細(xì)小，無法用傳統(tǒng)方法測量彈性模量的情況；B、測量時，沒有改變輕集料的初始特征，保證了測量對象的完好性；C、測量中，不必要一粒一粒地測量輕集料顆粒的模量后再做統(tǒng)計，可以從總體測量輕集料的彈性模量，降低了由于試驗(yàn)樣本的個體偏差造成誤差的可能性；D、通過本測量求出的輕集料彈性模量比較準(zhǔn)確地反映了混凝土材料內(nèi)輕集料的彈性特征，為模擬混凝土彈性模量，制備輕集料混凝土提供了優(yōu)質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。


圖I為一種測定輕集料彈性模量的方法方框示意圖。用“迭代稀釋模型”倒推輕集料的楊氏模量的計算框圖
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例I :堆積密度為600kg/m3的粘土陶粒的彈性模量測定原材料的準(zhǔn)備輕集料粒徑0_4mm、堆積密度600kg/m3、表觀干密度P a=927kg/m3。水泥強(qiáng)度等級52. 5的普通硅酸鹽水泥，相對密度3. 1，比表面積3590cm2/g。減水劑聚羧酸高效減水劑(富斯樂Structuro 311), pH值5. 5,干顆粒比例25%,摻量O. 2-5%的水泥用量。細(xì)集料河沙，粒徑0_2mm，相對密度2. 5。一種測定輕集料彈性模量的方法，其步驟是
I)制備試件和進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)確定力學(xué)參數(shù)(I)確定配合比當(dāng)輕集料的體積比為Va=25% ；37. 5% ；45%時，下表確定了混凝土各組成材料的配合比(表I)。另外，當(dāng)輕集料的體積比為O時，即表示水泥砂漿，不再單獨(dú)列出。表I.水泥砂漿和混凝土的配合比
權(quán)利要求
1.一種測定輕集料彈性模量的方法，其步驟是 A、制備混凝土試件，通過力學(xué)試驗(yàn)確定力學(xué)參數(shù) (1)確定水泥砂漿和混凝土各組分的配合比為兩個層次；A，確定純水泥砂漿的配合t匕，其中水灰比控制在O. 29-0. 45范圍內(nèi)；B，確定混凝土的配合比，其中保持混凝土中水泥砂漿的配合比不變，按照體積比Va，加入輕集料，確定混凝土內(nèi)各種組分的配合比，每一種輕集料混凝土試件中的水泥砂漿的配比和純水泥砂漿試件的配比一致，輕集料體積Va占整個混凝土體積的比例控制在25%-45%范圍內(nèi)； 水灰比為X的水泥砂漿和混凝土，其各組成成分的質(zhì)量比為 水泥砂衆(zhòng)水泥水河沙減水劑=1 X I. 4 y ； 混凝土 水泥水河沙減水劑輕集料=1 : X : I. 4 : y : z ; y的取值為水泥用量的O. 2-5%,拌合后水泥砂衆(zhòng)或混凝土的坍落度控制在15mm-20mm之間； z的取值根據(jù)輕集料體積比Va和輕集料干密度共同確定； 配置高強(qiáng)度混凝土，加入硅粉，其質(zhì)量比為水泥硅粉=1 O. I； (2)按標(biāo)準(zhǔn)制作試件輕集料在攪拌過程中吸水，在攪拌前浸泡24-48小時，在攪拌前，輕集料從水中取出，在篩網(wǎng)上晾置20-25分鐘，等表面水分濾凈，開始攪拌，攪拌操作程序?yàn)閍，依次在攪拌機(jī)中放入輕集料，水泥，硅灰，河沙，攪拌1-2分鐘；b，一邊攪拌一邊將拌合水勻速地加入攪拌機(jī)，用時2-3分鐘；c，水倒完以后，混合物繼續(xù)攪拌3-4分鐘后，結(jié)束攪拌，把減水劑放入拌合用水一起加入，上述a，b，c的總體攪拌時間控制在10分鐘以內(nèi)，同樣配比的試件每組做4個樣本，按照GB50107制作長方體試件，或圓柱體試件，養(yǎng)護(hù)時間28天，保持恒溫恒濕狀態(tài)，溫度18-22°C，相對濕度> 95% ； (3)確定水泥砂漿和混凝土的楊氏模量按照下列步驟a，從4個樣本中選取一個，用液壓伺服壓力器進(jìn)行軸向受壓試驗(yàn)，測出軸向受壓強(qiáng)度值f。；b，用液壓伺服壓力器進(jìn)行軸向受壓試驗(yàn)，測量應(yīng)力的變化；用應(yīng)變片或應(yīng)變儀同步測量應(yīng)變的變化，在壓力O.05fc-0. 3fc之間循環(huán)加壓、卸壓三次，速率為O. 25MPa/秒；c，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，選取第二和第三次的上升段部分O. Ifc-O. 3fc的曲線的割線的斜率作為楊氏模量值，在壓縮試驗(yàn)前，按照普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法對兩個受壓端面進(jìn)行平整度處理； B、利用均勻質(zhì)法的迭代稀釋模型推導(dǎo)輕集料的彈性模量 均勻質(zhì)法假設(shè)輕集料是微觀雜質(zhì)，均勻地分布在水泥砂漿為基質(zhì)的均質(zhì)材料中，把混凝土的視為雙相質(zhì)材料，這樣雜質(zhì)和基質(zhì)共同構(gòu)成了材料整體，混凝土整體的等效力學(xué)性能是由其內(nèi)在各種組成的材料自有力學(xué)性能和所占比重控制，均勻質(zhì)法衍生出不同的微觀模型，其中一種為稀釋模型輕集料顆粒是圓球形，均勻分散在水泥砂漿基質(zhì)中，輕集料顆粒之間沒有相互影響，在雜質(zhì)體積含量比較小< 1%，在稀釋模型的上融入了迭代法把雜質(zhì)分割后放入基質(zhì)，每份體積含量控制，保證體積比，雜質(zhì)基質(zhì)小于或等于1%;每次加入后計算本次組合物的整體力學(xué)性能；然后這個整體作為中間狀態(tài)下的一個新的基質(zhì)，等待下一份雜質(zhì)的摻入；不斷迭代，一直到所有的雜質(zhì)融入基質(zhì)，成為最終的組合物，這種模型為迭代稀釋模型； 利用迭代稀釋模型倒推出輕集料的彈性模量，先正推組合物的楊氏模量，其計算步驟在以下描述中，下標(biāo)m表示水泥砂漿，a表示輕集料，c表示混凝土 (1)第一步根據(jù)材料彈性參數(shù)之間的關(guān)系公式公式2，3，利用各組成材料的楊氏模量E和泊松比V，求出材料的體積模量K和剪切模量G，各材料的泊松比相等，均為O. 2，即Vm=Va = O. 2， K = E/ [3 (l-2v) ] = E/1. 8 公式 2 G = E/ [2 (1+v) ] = E/2. 4公式 3 (2)第二步根據(jù)迭代法，把輕集料總的體積比Va分成η等份，η的取值保證每次迭代的體積比< 1%，以雜質(zhì)體積比是25%為例，η彡33 ;其中第i次迭代的體積比為，i = 1，. . .，η見公式4
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測定輕集料彈性模量的方法，其特征在于所述的減水劑為聚羧酸類減水劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測定輕集料彈性模量的方法，步驟是1)確定水泥砂漿和混凝土各組分的配合比，按標(biāo)準(zhǔn)制作試件，確定水泥砂漿和混凝土的楊氏模量；2)利用均勻質(zhì)法的迭代稀釋模型推導(dǎo)輕集料的彈性模量結(jié)合第一步試驗(yàn)確定的水泥砂漿的彈模，求出輕集料某體積比下的混凝土的彈模的計算值，該計算值和第一步的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，求出偏差。調(diào)整輕集料彈模，保證上述偏差控制在規(guī)定范圍，即為輕集料彈模的測定值。該方法操作簡便,特別適用于因集料顆粒細(xì)小而無法用傳統(tǒng)方法測量模量的情況,保證了測量對象的完好性,通過測量求出的輕集料彈性模量準(zhǔn)確地反映了混凝土材料內(nèi)輕集料的彈性特征，為制備輕集料混凝土提供了優(yōu)質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
文檔編號G01N3/08GK102866061SQ20121032130
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者柯楊 申請人:中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司