一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，屬于水泥基材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的水泥砂漿為水泥凈漿和砂組成的復(fù)合材料，研究水泥砂漿中的組分材料如水泥凈漿和砂的相關(guān)性能對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響，以及溫度變化時(shí)水泥凈漿和砂之間的相互作用及變形特點(diǎn)對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響，根據(jù)水泥凈漿和砂的體積分?jǐn)?shù)、熱膨脹系數(shù)及體積模量預(yù)測(cè)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，建立水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型。本發(fā)明考慮了水泥砂漿的組分及組成對(duì)水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的影響，可根據(jù)組分材料的熱膨脹系數(shù)、體積分?jǐn)?shù)和體積模量，方便準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)。
【專利說(shuō)明】一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，屬于水泥基材料技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 熱膨脹系數(shù)是水泥基材料最基本和最重要的熱物理特性參數(shù)之一，熱膨脹系數(shù)直 接決定了溫度變形大小。在混凝土中，水泥砂漿和粗骨料具有不同的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度 變化時(shí)，由于水泥砂漿與粗骨料之間的熱膨脹系數(shù)差異，水泥砂漿與粗骨料會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào) 的溫度變形，并導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在界面上產(chǎn)生許多微裂縫，嚴(yán)重時(shí)甚至引起混凝土 結(jié)構(gòu)的破壞。因此，研究水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)取值，是優(yōu)化混凝土材料設(shè)計(jì)、有效減小內(nèi) 應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)危害的基礎(chǔ)。
[0003] 傳統(tǒng)對(duì)水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的研究，多通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行，但水泥砂漿熱膨脹系 數(shù)測(cè)試所需試驗(yàn)儀器專業(yè)性強(qiáng)，試驗(yàn)操作過(guò)程復(fù)雜，試驗(yàn)費(fèi)用較高，而且試驗(yàn)結(jié)果還受到原 材料、配合比、環(huán)境條件及試驗(yàn)人員操作技術(shù)等影響，往往得到的熱膨脹系數(shù)離散性較大， 推廣性不夠。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，本發(fā)明提供了一種 水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，基于細(xì)觀角度，研究水泥砂漿內(nèi)組分材料的性 能及彼此之間相互作用對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響，根據(jù)水泥砂漿組分材料的各性能 參數(shù)直接預(yù)測(cè)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，為優(yōu)化混凝土材料設(shè)計(jì)提供可靠參數(shù)。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：
[0006] 一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于：包括以下步驟，
[0007] 步驟（A)，建立在水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間完全無(wú)粘結(jié)狀態(tài)的混合 律模型，水泥凈漿和砂獨(dú)立變形，以水泥凈漿為基體，砂為夾雜，并根據(jù)混合律模型計(jì)算水 泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，
[0008] aM1 = acpfcp+asfs (1)
[0009] 式（1)中，a M1為按混合律模型計(jì)算出的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，α φ和a s分別 為水泥凈漿和砂的熱膨脹系數(shù)，〖。。和fs分別為水泥凈漿和砂在水泥砂漿中所占的體積分 數(shù)；
[0010] 步驟（B)、建立在水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間完全粘結(jié)狀態(tài)的Turner 模型，水泥凈漿與砂具有相同的變形，以水泥凈漿為基體，砂為夾雜，并根據(jù)Turner模型計(jì) 算水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)， 「 ， a fq,KLp+a丄K、
[0011] ain= 111 ~ (2) JcpKcp + ./人
[0012] 式⑵中，a M2為按Turner模型計(jì)算出的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，KeI^PKs分別為 水泥凈漿和砂的體積模量；
[0013] 步驟（C)、建立水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間部分粘結(jié)狀態(tài)的預(yù)測(cè)模 型，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)介于水泥凈漿與砂完全無(wú)粘結(jié)、完全粘結(jié)兩種情況之間，以步驟 (A)、（B)中所述的兩種模型為基礎(chǔ)，建立水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，如下，
[0014] α μ = λ ! α Μ1+ λ 2 α Ε (3)
[0015] 將式(1)、(2)代入到式(3)中，即得到， ο ( r aCp jcpKcp + asjsKs 廣
[0016] αΜ=λΙ ψφ?φ +?,Λ) + Λ· \ ~ JcpKcp +/人
[0017] 式（3)和式（4)中，dM為水泥凈漿與砂部分粘結(jié)時(shí)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，λ ρ 入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(jì)算的水 泥砂漿熱膨脹系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)的實(shí)際情況中水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)程度。
[0018] 前述的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于：水泥砂漿為水泥 凈漿和砂組成的二相復(fù)合材料。
[0019] 前述的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于：水泥凈漿與砂之 間的部分粘結(jié)作用取完全粘結(jié)和完全無(wú)粘結(jié)的中間值，組合系數(shù)分別取λ i = λ2 = 0. 5， 步驟（C)中水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)按下式直接預(yù)測(cè)得到， r π η ,-/ ,· , ,· \ . ar α,,.>ΙρΚ,ρ f{-\
[0020] α? =0.5 [acpjcp + ajs ) + 0.5- 1 / 1-~^? 。 （ 5) . JcpKcp +JSKS
[0021] 步驟C中建立的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型綜合考慮了水泥砂漿中水泥 凈漿的熱膨脹系數(shù)、砂的熱膨脹系數(shù)、水泥凈漿的體積模量、砂的體積模量、水泥凈漿的體 積分?jǐn)?shù)及砂的體積分?jǐn)?shù)對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響。
[0022] 步驟C中建立的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型綜合考慮了水泥凈漿和砂之 間的部分粘結(jié)作用對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響。
[0023] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方 法，其中水泥砂漿為由水泥凈漿和砂組成的二相復(fù)合材料，考慮了水泥凈漿與砂之間的部 分粘結(jié)作用對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響，根據(jù)水泥凈漿和砂的熱膨脹系數(shù)、體積分?jǐn)?shù) 及體積模量，即可預(yù)測(cè)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明從細(xì)觀層次出發(fā)，研究水泥凈漿與砂 的性能及彼此之間的相互作用對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響，建立一種既實(shí)用經(jīng)濟(jì)又能 正確預(yù)測(cè)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的計(jì)算模型，通過(guò)本發(fā)明方法，可以比較方便的得到水泥 砂漿的熱膨脹系數(shù)，而不需要通過(guò)測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試，大大節(jié)約了試驗(yàn)所用的時(shí)間、人力和 物力，節(jié)約了資金投入，且預(yù)測(cè)結(jié)果可靠，有利于推廣應(yīng)用。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 以下對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0025] 本發(fā)明的模型構(gòu)建方法步驟按照以下過(guò)程進(jìn)行，且水泥砂漿為水泥凈漿和砂組成 的二相復(fù)合材料，在此基礎(chǔ)上執(zhí)行以下步驟：
[0026] 步驟（A)，建立在水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間完全無(wú)粘結(jié)狀態(tài)的混合 律模型，不考慮水泥凈漿與砂之間的相互作用，即水泥凈漿和砂獨(dú)立變形，以水泥凈漿為基 體，砂為夾雜，并根據(jù)混合律模型計(jì)算水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，
[0027] aM1 = acpfcp+asfs ⑴
[0028] 式（1)中，a M1為按混合律模型計(jì)算出的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，α φ和a s分別 為水泥凈漿和砂的熱膨脹系數(shù)，〖。。和fs分別為水泥凈漿和砂在水泥砂漿中所占的體積分 數(shù)，根據(jù)水泥砂漿配合比、水泥凈漿與砂的密度比計(jì)算得到；
[0029] 步驟（B)、建立在水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間完全粘結(jié)狀態(tài)的Turner 模型，水泥凈漿與砂具有相同的變形，以水泥凈漿為基體，砂為夾雜，并根據(jù)Turner模型計(jì) 算水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)， 「 ， acpfcpKcp
[0030] aM2= 111 ~ (2) JcpKcp +JsKs
[0031] 式⑵中，a M2為按Turner模型計(jì)算出的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，KejPK,分別為 水泥凈漿和砂的體積模量；
[0032] 步驟（C)、在實(shí)際中，水泥砂漿溫度變化時(shí)，水泥凈漿與砂之間是存在部分粘結(jié)作 用的，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)介于水泥凈漿與砂完全粘結(jié)、完全無(wú)粘結(jié)兩種情況之間，以步 驟（A)、（B)中所述的兩種模型為基礎(chǔ)，建立水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，如下，
[0033] α μ = λ ! α Μ1+ λ 2 a Ε (3)
[0034] 將式⑴、⑵代入到式⑶中，即得到， r π ^ a(rfrrtK +asfsKs
[0035] aM = Λ \acPicP +a丄) + ^2 · ~ ： f ~ f 4) J Cp Cp j Λ Λ
[0036] 式⑶和⑷中，a Μ為水泥凈漿與砂部分枯結(jié)狀態(tài)時(shí)預(yù)測(cè)的水泥砂漿的熱膨脹系 數(shù)，λ 2為組合系數(shù)，且λ1+λ2= 1，λ^Ρ λ 2分別表示按混合律模型和Turner模型 計(jì)算的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)的實(shí)際情況中水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)程度。
[0037] -般，水泥凈漿與砂之間的部分粘結(jié)作用取完全粘結(jié)和完全無(wú)粘結(jié)的中間值，SP 組合系數(shù)分別取λ i = λ 2 = 0. 5，因此步驟（C)中水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)按下式直接預(yù)測(cè) 得到，
[0038] aM = 0.5(acpfcp+aJ[) + 0,5 ·+°"?'Κ'。 (5) JcpKcp +/A
[0039] 該水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型綜合考慮了水泥砂漿中水泥凈漿的熱膨脹 系數(shù)、砂的熱膨脹系數(shù)、水泥凈漿的體積模量、砂的體積模量、水泥凈漿的體積分?jǐn)?shù)及砂的 體積分?jǐn)?shù)對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響，并結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮水泥凈漿和砂之間的 部分粘結(jié)作用對(duì)水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的影響，更貼合于實(shí)際應(yīng)用情況。
[0040] 為了驗(yàn)證本發(fā)明的預(yù)測(cè)效果，進(jìn)行了以下試驗(yàn)驗(yàn)證：
[0041] 試驗(yàn)米用自制裝置進(jìn)行。試件尺寸為lOOmmX lOOmmX 500mm,燒筑完畢后迅速將 試件搬入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至28天時(shí)測(cè)量熱膨脹系數(shù)。水泥采用普通硅酸鹽水 泥，砂采用河砂，質(zhì)量配合比（水：水泥：砂）為1:3:6，水泥凈漿與砂的密度比取1:1. 2，體 積分?jǐn)?shù)根據(jù)質(zhì)量與密度比計(jì)算得到。水灰比為0. 33的水泥凈漿的熱膨脹系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)測(cè) 得，為19 X 10_6/°C，河砂的熱膨脹系數(shù)為7. 5 X 10_6/°C，水泥凈漿的彈性模量取20Gpa，砂的 彈性模量取35Gpa，泊松比均取0. 25，體積模量K根據(jù)彈性模量E與泊松比ν換算得到：Κ
【權(quán)利要求】
1. 一種水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于：包括以下步驟， 步驟（A)，建立在水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間完全無(wú)粘結(jié)狀態(tài)的混合律模 型，水泥凈漿和砂獨(dú)立變形，以水泥凈漿為基體，砂為夾雜，并根據(jù)混合律模型計(jì)算水泥砂 漿的熱膨脹系數(shù)， α Ml = α cpfcp+ αsfs ⑴ 式（1)中，αΜ1為按混合律模型計(jì)算出的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，ac；I^P 別為水 泥凈漿和砂的熱膨脹系數(shù)，fcp和fs分別為水泥凈漿和砂在水泥砂漿中所占的體積分?jǐn)?shù)； 步驟（B)、建立在水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間完全粘結(jié)狀態(tài)的Turner模 型，水泥凈漿與砂具有相同的變形，以水泥凈漿為基體，砂為夾雜，并根據(jù)Turner模型計(jì)算 水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)， ?人+樣 (2； Lpkcp +/sks 式⑵中，a M2為按Turner模型計(jì)算出的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，1^和1(3分別為水泥 凈漿和砂的體積模量； 步驟（C)、建立水泥砂漿溫度變化時(shí)水泥凈漿與砂之間部分粘結(jié)狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型，水泥 砂漿的熱膨脹系數(shù)介于水泥凈漿與砂完全無(wú)粘結(jié)、完全粘結(jié)兩種情況之間，以步驟（A)、(B) 中所述的兩種模型為基礎(chǔ)，建立水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，如下， aM= ham+haK ⑶ 即 αΜ = Λ (acpfcp + ajs ) + λ2· (4 ) J cp Lp J s s 式（3)和式（4)中，a M為水泥凈漿與砂部分粘結(jié)時(shí)預(yù)測(cè)得到的水泥砂漿的熱膨脹系 數(shù)，λ 2為組合系數(shù)，且λ1+λ2= 1，λ^Ρ λ 2分別表示按混合律模型和Turner模型 計(jì)算的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)得到的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于：水 泥砂漿為水泥凈漿和砂組成的二相復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥砂漿熱膨脹系數(shù)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于：水 泥凈漿與砂之間的部分粘結(jié)作用取完全粘結(jié)和完全無(wú)粘結(jié)的中間值，組合系數(shù)分別取入工 =λ2 = 0. 5，步驟（C)中水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)按下式直接預(yù)測(cè)得到， / \ Oi.,n f.KK a w = 0.5 (acpfcp + ajs ) + 0.5 ^ (5). J cp cp J s s
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104050385SQ201410302397
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】曹秀麗 申請(qǐng)人:南京工程學(xué)院