紧密堆积混凝土配合比模型的建立
第一章 绪 论
1.1前言
在进入21世纪的今天，水泥混凝土材料已经逐渐成为人类社会生活、文化生活的基础，城市化、高速公路、港口码头、立交桥、机场、大坝等建设中应用最大量、最广泛的便是水泥混凝土。
由于同其他建材(如钢材、合金、塑料、木材等)比较，水泥混凝土具有节能、经济、生态、来源广、应用方便、耐久性好、维修能耗最低，使用寿命最长等优点，需求量迅速增长。但水泥混凝土及水泥工业的发展，也带来了严重的环境与资源问题。水泥工业的发展，消耗了大量的能源及石灰石、黏土等矿产资源，同时排放了大量的污染物。生产每吨硅酸盐水泥熟料，消耗石灰石约1.3吨，黏土约0.3吨，排放1吨多CO2。现在，水泥工业每年消耗石灰石4亿多吨，黏土l亿多吨，排放3亿多吨CO2，大量的NO2，SO2有害气体，排放粉尘1000万吨以上。水泥的生产是以巨大的能源、资源消耗为代价并造成严重的环境负荷。这对我国及世界的可持续发展极为不利。
混凝土的密实堆积[1]就是选取合适细度模数的砂子、合理级配的石子、不同粒径的掺合物，拌制而成堆积密度最大的混凝土。混凝土密实度增加了，从而使混凝土的耐久性得到提高。本文根据实际需要寻找最佳掺量比例，达到水泥使用量相同，混凝土强度提高；混凝土强度相同，水泥用量减少的目的。
1.2水泥及混凝土简史
cement一词由拉丁文cemented发展而来，是碎石及片石的意思。水泥的历史最早可追溯到古罗马人在建筑中使用的石灰与火山灰的混合物，这种混合物与现代的石灰火山灰水泥很相似。用它胶结碎石制成的混凝土，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。长期以来，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于建筑工程。
1756年，英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现：要获得水硬性石灰，必须采用含有粘土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆，
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安徽建筑工业学院本科生毕业论文
最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。
1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥，外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，命名为罗马水泥。因为它是采用天然泥灰岩作原料，不经配料直接烧制而成的，故又名天然水泥。具有良好的水硬性和快凝特性，特别适用于与水接触的工程。
1813年，法国的土木技师毕加发现了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。
1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权。他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥。它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意义。 1907年，法国比埃利用铝矿石的铁矾土代替粘土，混合石灰岩烧制成了水泥。由于这种水泥含有大量的氧化铝，所以叫做“矾土水泥”。 1871年，日本开始建造水泥厂。
1877年，英国的克兰普顿发明了回转炉，并于1885年经兰萨姆改革成更好的回转炉。
1889年，中国河北唐山开平煤矿附近，设立了用立窑生产的唐山“细绵土”厂。1906年在该厂的基础上建立了启新洋灰公司，年产水泥4万吨。
1893年，日本远藤秀行和内海三贞二人发明了不怕海水的硅酸盐水泥。 20世纪，人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥，特种水泥等。全世界的水泥品种已发展到100多种，2007年水泥年产量约20亿吨。
中国在1952年制订了第一个全国统一标准，确定水泥生产以多品种多标号为原则，并将波特兰水泥按其所含的主要矿物组成改称为矽酸盐水泥，后又改称为硅酸盐水泥至今。2007年中国水泥年产量约11亿吨。
我国预拌混凝土技术发展起步较晚。70年代末, 首次从日本购进成套混凝土搅拌站、搅拌输送车和输送泵, 开始了我国预拌混凝土生产和泵送混凝土施工。1978 年常州市建立预拌混凝土搅拌站, 以商品形式向用户提供混凝土。同年, 上海宝钢购进日本成套设备, 建成生产能力50万立方米预拌混凝土搅拌站。20世纪80年代中期是混
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凝土搅拌站第1次建站高峰, 90年代是第2 次建站高峰, 也是我国预拌混凝土行业成熟和发展最快的一个时期。20多年来, 混凝土生产企业如雨后春笋般迅猛发展, 已成为中国建筑业一支朝气蓬勃的生力军。进入21世纪,随着国民经济的持续快速发展, 混凝土生产企业更是风起云涌, 市场呈现出勃勃生机。2006 年, 全国预拌混凝土供应量4.76亿立方米, 比2005年增加1.07万立方米, 增幅为29.17%; 预拌混凝土年搅拌能力10.81亿立方米, 比2005年增加1.95亿立方米, 混凝土搅拌站2891个, 比2005年增加466个; 混凝土搅拌车37427辆, 比2005年增加7112辆,混凝土泵车6527辆, 比2005年增加1341。温家宝总理作出重要指示,当前建筑企业面临的主要任务之一是\广泛应用节能环保技术,推进建筑业可持续发展\指出了建筑企业应承担的社会责任.建筑能耗占全社会总能耗的40%左右,包括生产和使用两个环节.降低生产过程中的能耗,建筑企业责无旁贷.降低使用能耗,建筑企业也是可以有所作为的.
1.3密实度模型的发展
早在 19 世纪，部分学者就已经对混凝土的骨料堆积的概念产生了兴趣。1892 年，R.Fere t 发表了有关混凝土颗粒堆积的文章。1896 年，这种堆积方法用于研究在海洋环境下，斯堪的纳维亚建筑的混凝土耐久性。后来 ，美国波特兰水泥协会的 Powers 等人对混凝土骨料的空隙比评估做了大量研究。
颗粒体系的密实堆积，对工业和研究的诸多领域均有重要的影响，于是它引起了许多其他技术领域的广泛兴趣，如陶瓷、石油沥青、粉末冶金等等。
最早的有关密实度模型报道的文章是 1930 年出版的关于最优堆积对液体在填料塔中流动的影响。在 1929 年和 1930 年，Furnas 和 Westmann 分别对理想球体的堆积密实度做了大量研究。19 世纪 50 年代和 60 年代原子能技术的应用和航天技术的发展进一步推动了堆积密实度方法的研究。从此之后，密实度模型有了很大的发展。模型从简单的只考虑圆形颗粒、两到三种颗粒粒径且互相不影响的体系到多种粒径、连续级配且相互影响体系。比如,1967 年的 Aim[2] 和 Goff 模型，1976 年的 Toufar 模型，1986 年 Stovall的线性模型(LPDM)和 Dewar 模型，1999 年的 De Larrard的可压缩模型(CPM)。Johans 和 Dewar 经过分析认为Furnas 模型、Aim 和 Goff 模型不适于混凝土颗粒体系的密实度计算。
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法国路桥试验中心（LCPC）通过十几年的研究工作，发展了用于预测颗粒混合物体系的堆积密实度模型，并且编写了基于该模型的优化高性能混凝土配合比设计的计算机软件。可压缩堆积模型（CPM）是 LCPC 继颗粒线性堆积模型（LPDM）、固体悬浮模型（Solid Suspension Model，SSM）之后发展的第三代颗粒堆积密实模型，其最大的创新之处在于区分了虚拟堆积密实度和真实堆积密实度，建立了虚拟堆积密实度与堆积过程的关系。不同于 Toufar 模型和 Dewar 模型的理论模型假设：（1）颗粒是理想圆形的；（2）颗粒为单个粒径；（3）细颗粒和粗颗粒具有不同的粒径。CPM 模型充分考虑了颗粒的粒径分布以及不同堆积方法对颗粒堆积密实度的影响，克服了 Toufar 模型和 Dewar 模型单一粒径假设的局限性，可预测任何粒级组合的堆积密实度。
1.4国内外密实度模型的应用
虽然国内外已有部分学者利用各种数学模型对混凝土的粗骨料、细骨料，水泥基材料的堆积密实度做了研究，但其主要停留在密实度的计算上，并没有把密实度的计算结果与混凝土的物理化学性质结合起来，如 M.R.Jones 和 L.Zheng等人分别利用 Dewar 模型、Toufar 模型、De Larrard 线性堆积模型、CPM 模型、修正后的 CPM 模型计算了混凝土粗骨料、细骨料、水泥基材料的二元和三元体系的堆积密实度[3]。在国内如王爱勤、张承志，唐明述等人利用 Aim 和 Goff 模型计算了火山灰材料与水泥的二元体系的的堆积密实度，并从火山灰的填充作用的角度来讨论其对水泥性能的改善。龙广成、谢友均等人也利用 Aim 和 Goff模型研究了掺矿物掺合料对颗粒体系的密实度的影响，并利用浆体相对密度指标，分析了火山灰质材料的填充作用以及对水泥浆体的流动性、胶砂强度和胶凝材料固体体积的影响。牛全林等借鉴 Horsfield 模型和 Andrensen方程分析了超细粉对普通细度水泥的填充作用。龙湘敏采用最小需水量法，验证了超细粉煤灰的掺量对颗粒体系堆积密实度的影响，研究了不同细度和不同掺量的超细粉煤灰对低水胶比浆体的密实填充效应及其对浆体流动性和抗压强度的影响。毛丹等人利用 CPM 模型计算了粉煤灰、矿渣、硅灰与水泥单掺和双掺的密实度，并重点讨论了各种矿物微粉与水泥单掺时密实度对水泥新拌浆体流变性能和硬化浆体的力学性能的影响。
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