一種快速測量－推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型的製作方法
2023-06-02 11:32:51 3
專利名稱：一種快速測量－推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種土建材料水泥土標準強度的快速推定方法及其所應用的數學模型。具體地說，本發明涉及一種利用壓蒸養護加速水泥土硬化，快速測量水泥土強度，以此利用預先建立的數學模型公式，準確、迅速推定出水泥土標準強度的方法。
背景技術：
在土建工程中，由於深層攪拌法加固軟土地基，水泥用量少，工期較短，振動和噪音較小，造價低廉，故在建築工程和道路工程中廣泛使用。但是由於地基土質類別多、化學成分不同，特別是有機質種類及含量對水泥土強度影響很大，水泥土加固的地基工程質量難以保證。許多工程按常規設計水泥土配合比後，工程施工中達不到設計要求，導致返工，延誤工期，也使工程造價提高。水泥土的強度是以三個月齡期強度為標準的，試驗周期長，往往不能及時調整配比，造成施工周期的延長或出現不必要的施工事故。因此對水泥土標準強度的快速推定是極其必要的。
目前，水泥土標準強度的推定方法是早期強度推定後期強度法。
如7天強度推定標準強度法。主要缺點是水泥土7天強度太低，相對誤差大，數據離散性也很大，這種可靠性差的數據，不能保證推定結果的準確性，因而難以滿足工程實際要求。也有用28天強度來推定標準強度，但試驗周期太長，難以及時調整試驗配比。目前對樁體進行測量的方法主要有(1)動測法基本原理是在樁身頂部進行豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播，在樁身存在明顯波阻抗差異的界面或樁身截面積變化部位，將產生反射波，經接收、放大、濾波和數據處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息，據此計算樁身波速，以判斷樁身的完整性。顯然動測法檢測速度快，測試簡單，但存在樁端阻抗與周圍介質沒有明顯變化、樁底反射不明顯等缺點，因而動測法評價樁身質量與實際情況存在差異。(2)輕便觸探儀觸探法該方法是在成樁3d內，運用輕便觸探儀對攪拌樁每m內樁身均勻程度進行檢測的方法，其探測深度一般不超過4m，因而只能對上部樁身質量進行比較準確的檢測，其測定結果缺乏代表性，而樁上部經過了攪拌樁施工機械的噴灰和復攪，是樁身成型情況及樁體強度最好的部位，攪拌樁的下部則因為噴灰阻力增大、水泥料到噴口的延遲以及操作人員操作難度加大等等方面的影響因素增多，使得保證質量的困難加大，該方法體現不出攪拌樁整體質量尤其樁下部質量的狀況。(3)樁全長取芯樣及樁頭取芯樣檢測通過樁全長取芯樣來定性檢查樁全長範圍內的攪拌均勻性、成型情況，測定結果能較好地反映攪拌樁的整體質量，同時在樁頭部位取芯，進行無側限抗壓強度試驗，據此推定樁身強度及豎向承載力。由於樁頭強度明顯高於其它部分，樁長範圍內強度的不均勻性，使得樁頭取芯樣的抗壓強度不能代表樁整體強度。(4)靜載試驗法能根據樁承載力的大小定性地確定樁體質量，加載後測試得出的數據，更接近於在實際荷載的作用下，複合地基應力、應變的變化情況，但存在測試時間較長、費用較高、每個工程抽檢數量有限以及不能說明樁身的完整性的缺點。
綜上所述，現行的水泥土強度測定及推定方法或可靠性存在問題，或試驗檢測滯後，延長工程建設周期。因此利用強化水泥土水化與凝硬反應的基本原理，發明新型快速的水泥土強度檢測方法和建立新的標準強度推定方法是極其必要的。
發明內容
為了滿足水泥土工程配合比設計和調整的需要，本發明採用高溫高壓原理促進水泥水化及水泥與土的凝硬反應技術原理進行研究，提供了一種快速測量-推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型。本發明解決了現有技術中水泥土強度試驗周期長、設定齡期水泥土強度低、相對誤差大、與水泥土後期強度的相關性差等缺點。制定了水泥土快速測定方法及推定水泥土標準強度的通用公式。
本發明的技術解決方案是，將原料製成試樣後，連同試模一起放入壓蒸釜中，在高溫高壓下帶模養護，以加快水泥礦物水化和水泥與土的凝硬反應速度；取出試樣後通過壓力測試儀測出試樣的強度；將測得的試樣強度代入預先建立的數學模型公式進行計算，從而準確推定出水泥土的標準強度值；所述原料可為水泥、土和水，或者水泥、摻和料、土和水。
建立數學模型公式的步驟為(1)測定壓蒸養護的強度將原料製成試樣，放入壓蒸釜中，在高溫高壓下帶模進行壓蒸養護，然後取出試樣用壓力測試儀測出試樣的壓蒸養護強度；(2)測定標準養護的強度將原料製成試樣，放入20℃±1℃的標準溫度水中進行標準養護，標準養護的時間可根據設計要求而定，然後用壓力測試儀分別測出試樣標準養護時間的標準養護強度；(3)通過上述30組以上壓蒸養護強度與標準養護強度之間一一對應的數據關係，採用最小二乘法的方法對每組數據進行統計擬合，同時驗證不同壓蒸養護時間測定的試樣強度建立的數學模型與標準養護時間測定的試樣強度之間的相關性，選取最佳壓蒸養護時間，據此建立數學模型Y^=a+bX,]]>確定式中的係數a、b值，式中 即為試樣的標準強度推定值，X為試樣壓蒸養護強度測量值的平均值；經過大量的試驗得出，試樣在壓蒸釜中帶模養護的壓蒸養護時間一般為2-5小時，最佳壓蒸養護時間為3小時。如將標準養護時間設計為28天和90天，此時，水泥土標準強度推定值與壓蒸養護強度測量值之間的數學模型關係式為原料為水泥、土和水的試樣標準強度推定值Y^28d=-148+1.138X3h]]>Y^90d=-260+1.744X3h]]>原料為水泥、摻和料、土和水的試樣標準強度推定值Y^28d=-32+1.055X3h]]>Y^90d=42+1.514X3h]]>式中 ----為28天標準強度推定值， ----為90天標準強度推定值，X3h----為壓蒸養護3小時的平均強度值，單位為kPa。
在完成數學模型的基礎上，本發明快速測量-推定水泥土強度的方法可由下述具體方法步驟完成(1)在常溫下，將水泥、土和水或者水泥、摻和料、土和水按一定比例配料，經攪拌製成均勻的混合料，待水分傳遞均勻後備用。
(2)將上述混合料，加入多聯試模中，振動成型至密實狀態後抹平，表面用鐵板覆蓋，使試樣處於密閉狀態。
(3)將試樣連同試模一起放入蒸壓釜中，進行帶模養護，以加速水泥水化和水泥與土的凝硬反應。
(4)壓蒸結束後，取出試模，立即脫模，取出試樣。立即在壓力測試儀上測出每個水泥土試樣的強度。
(5)將上述多個水泥土試樣強度的平均值代入數學模型公式，從而計算出水泥土的標準強度推定值。
本發明快速測量-推定水泥土強度的方法也可由下述方法步驟完成(1)在常溫下，將水泥、土和水或者水泥、摻和料、土和水按適當比例配料，經攪拌製成均勻的混合料，用塑料薄膜覆蓋陳化30分鐘左右備用。
(2)將上述混合料，加入尺寸為3.16cm×3.16cm×5.00cm的三聯試模中，在頻率為3000次/min、振幅為0.7mm的振動臺上振動成型，至密實狀態後，表面用鐵板覆蓋，使試樣處於密閉狀態。
(3)將試樣連同試模一起放入蒸壓釜中，進行帶模養護，蒸壓釜中初始水溫為80-100℃，按每分鐘5℃加溫至120-140℃，養護壓力為0.1-0.2Mpa，保溫時間為3小時。壓蒸後快速冷卻至常壓，取出試模。
(4)試模取出後，立即脫模，取出試樣。立即在壓力測試儀上測出水泥土試樣強度，然後將其試樣強度的平均值代入數學模型公式，從而計算出水泥土的推定強度值。
上面所述的摻和料為磨細礦渣、或者粉煤灰、或者各種粉狀石膏，或者其中兩種或兩種以上的組合物。
本發明的優點是，利用高溫高壓加快水泥礦物水化和水泥與土的凝硬反應原理，快速提高了水泥土的硬化速度和硬化強度，使水泥土快速達到標準測試強度，試驗相對誤差小。本發明試驗周期短，測量速度快捷方便，利用預先建立的數學模型公式，3小時即可準確推定水泥土的標準強度，且準確率高。
具體實施例方式
首先，建立利用高溫高壓快速測量-推定水泥土強度的方法所應用的數學模型公式。
經過大量的試驗得出，試樣在壓蒸釜中帶模養護的最佳壓蒸養護時間為3小時。如將標準養護時間設計為28天和90天，據此，水泥土標準強度推定值與壓蒸養護強度測量值之間的數學模型建立的具體步驟為(1)測定壓蒸養護的強度將水泥、土和水或水泥、摻和料、土和水製成試樣，放入壓蒸釜中，在高溫高壓下帶模進行壓蒸養護3小時，然後取出試樣用壓力測試儀測出3小時試樣的壓蒸養護強度；(2)測定標準養護的強度將水泥、土和水或水泥、摻和料、土和水製成試樣，分成二組，同時放入20℃±1℃的標準溫度水中進行標準養護，一組標準養護的時間為28天，另一組標準養護的時間為90天，然後由壓力測試儀分別測出28天試樣和90天試樣的標準養護強度；(3)通過上述30組以上的試驗，分別根據壓蒸養護強度與標準養護強度之間一一對應的數據關係，採用最小二乘法的方法對每組數據進行統計擬合，據此建立水泥土標準強度推定值與壓蒸養護強度測量值之間的數學模型換算公式原料為水泥、土和水的試樣標準強度推定值的數學模型換算公式為Y^28d=-148+1.138X3h]]>Y^90d=-260+1.744X3h]]>原料為水泥、摻和料、土和水的試樣標準強度推定值的數學模型換算公式為Y^28d=-32+1.055X3h]]>Y^90d=42+1.514X3h]]>式中 ----為28天標準強度推定值， ----為90天標準強度推定值，X3b----為壓蒸養護3小時的平均強度值，單位為kPa。
上述數學模型公式，適用於壓蒸養護條件下，用3小時快速測量-推定各種水泥土28天和90天標準強度的方法。
據此數學模型公式，本發明快速測量-推定水泥土強度的具體方法步驟如下(1)在室溫下，將水泥、土和水或水泥、摻和料、土和水按適當比例配料，經攪拌製成均勻的混合料，用塑料薄膜覆蓋陳化30分鐘左右備用。
(2)將上述混合料，加入尺寸為3.16cm×3.16cm×5.00cm的三聯試模中，在頻率為3000次/min、振幅為0.7mm的振動臺上振動成型，至密實狀態後抹平，表面用鐵板覆蓋，使試樣處於密閉狀態。
(3)將試體和試模共同放入蒸壓釜中，進行帶模養護，蒸壓釜中初始水溫為80-100℃，按每分鐘5℃加溫至120-140℃，養護壓力為0.1-0.2Mpa，保溫時間為3小時。壓蒸後快速冷卻至常壓，取出試模。
(4)試模取出後，立即脫模，取出試樣。立即在YSH-2型石灰土無側限壓力儀上測出每件試樣的強度，取其平均值--X3h。
(5)將X3h代入上述數學模型公式，從而快速計算出水泥土(水泥、土和水或水泥、摻和料、土和水)試樣28天和90天標準強度的推定值-- 上述步驟(1)中所述摻和料為磨細礦渣、或者粉煤灰、或者各種粉狀石膏，或者其兩種或兩種以上的組合物。
為了驗證上述快速測量-推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型的準確性，下面對不同土質的水泥土進行了試驗，充分驗證了本發明的準確性和可靠性。
試驗1土樣為江蘇省鹽城響水縣的淤泥質亞粘土，水泥使用P·O 32.5標號，水泥摻量為土樣的10％。通過上述方法測得X3h為1198kPa。而28天標準養護實測強度為1220kPa，90天標準養護實測強度為1762kPa。用公式Y^28d=-148+1.138X3h]]>和Y^90d=-260+1.744X3h]]>推定其28天強度為1215kPa，90天強度為1829kPa，其28天強度相對誤差為0％，90天強度相對誤差為4％。
試驗2土樣為江蘇省鹽城濱海縣的黃色粘土，水泥用P·O 32.5標號，水泥摻量為土樣的22％，X3h為1189kPa，28天實測強度為1109kPa，90天實測強度為1681kPa。用公式Y^28d=-148+1.138X3h]]>和Y^90d=-260+1.744X3h]]>推定其28天強度為1205kPa，90天強度為1814kPa，其28天強度相對誤差為9％，90天強度相對誤差為8％。
試驗3土樣為江蘇省鹽城濱海縣的黃色粘土，水泥用P·O 32.5標號，水泥摻量為土樣的15％，磷石膏摻量為土樣的2％，粉煤灰摻量為土樣的8％，X3h為2038kPa，28天實測強度為1955kPa，90天實測強度為3069kPa。用公式Y^28d=-32+1.055X3h]]>和Y^90d=42+1.514X3h]]>推定其28天強度為2118kPa，90天強度為3128kPa，其28天強度相對誤差為8％，90天強度相對誤差為2％。
試驗4土樣為江蘇省鹽城響水縣的淤泥質亞粘土，水泥用P·O 32.5標號，水泥摻量為土樣的17％，磷石膏摻量為土樣的1％，粉煤灰摻量為土樣的2％，X3h為1268kPa，28天實測強度為1400kPa，90天實測強度為2060kPa。用公式Y^28d=-32+1.055X3h]]>和Y^90d=42+1.514X3h]]>推定其28天強度為1306kPa，90天強度為1962kPa，其28天強度相對誤差為7％，90天強度相對誤差為5％。
從上述4個試驗，充分說明了本發明快速測量-推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型的準確性和可靠性。通過本發明，只要在3小時內就可準確推定出水泥土28天和90天的標準強度值，且誤差小，準確率高，從而，據此及時調整原料的配合比，降低了工程造價，保證了工程質量。
權利要求
1.一種快速測量-推定水泥土強度的方法，其特徵在於將原料製成試樣後，連同試模一起放入壓蒸釜中，在高溫高壓下帶模養護，以加快水泥礦物水化和水泥與土的凝硬反應速度；取出試樣後通過壓力測試儀測出試樣的強度；將測得的試樣強度代入預先建立的數學模型關係式進行計算，從而準確推定出水泥土的標準強度值；所述原料可為水泥、土和水，或者水泥、摻和料、土和水。
2.一種快速測量-推定水泥土強度的方法所應用的數學模型，其特徵在於數學模型公式建立的步驟為(1)測定壓蒸養護的強度將原料製成試樣，放入壓蒸釜中，在高溫高壓下帶模進行壓蒸養護，然後取出試樣用壓力測試儀測出試樣的壓蒸養護強度；(2)測定標準養護的強度將原料製成試樣，放入20℃±1℃的標準溫度水中進行標準養護，標準養護的時間可根據設計要求而定，然後用壓力測試儀分別測出試樣標準養護時間的標準養護強度；(3)通過上述30組以上壓蒸養護強度與標準養護強度之間一一對應的數據關係，採用最小二乘法的方法對每組數據進行統計擬合，同時驗證不同壓蒸養護時間測定的試樣強度建立的數學模型與標準養護時間測定的試樣強度之間的相關性，選取最佳壓蒸養護時間，據此建立數學模型Y^=a+bX,]]>確定式中的係數a、b值，式中 即為試樣的標準強度推定值，X為試樣壓蒸養護強度測量值的平均值；
3.如權利要求1或2所述的一種快速測量-推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型，其特徵在於試樣在壓蒸釜中帶模養護的壓蒸養護時間為2-5小時。
4.如權利要求1或2所述的一種快速測量-推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型，其特徵在於試樣在壓蒸釜中帶模養護的最佳壓蒸養護時間為3小時；如標準養護時間設定為28天和90天，此時，水泥土標準強度推定值與壓蒸養護強度測量值之間的數學模型關係式為原料為水泥、土和水的試樣標準強度推定值Y^28d=-148+1.138X3h]]>Y^90d=-260+1.744X3h]]>原料為水泥、摻和料、土和水的試樣標準強度推定值Y^28d=-32+1.055X3h]]>Y^90d=42+1.514X3h]]>式中 ----為28天標準強度推定值， -----為90天標準強度推定值，X3h----為壓蒸養護3小時的平均強度值，單位為kPa。
5.根據權利1所述的快速測量-推定水泥土強度的方法，其特徵在於由下述方法步驟完成(1)在常溫下，將水泥、土和水或者水泥、摻和料、土和水按一定比例配料，經攪拌製成均勻的混合料，待水分傳遞均勻後備用。(2)將上述混合料，加入多聯試模中，振動成型至密實狀態後抹平，表面用鐵板覆蓋，使試樣處於密閉狀態。(3)將試樣連同試模一起放入蒸壓釜中，進行帶模養護，以加速水泥水化和水泥與土的凝硬反應。(4)壓蒸結束後，取出試模，立即脫模，取出試樣。立即在壓力測試儀上測出每個水泥土試樣的強度。(5)將上述多個水泥土試樣強度的平均值代入數學模型公式，從而計算出水泥土的標準強度推定值。
6.根據權利1所述的一種快速測量-推定水泥土強度的方法，其特徵在於由下述方法步驟完成(1)在常溫下，將水泥、土和水或者水泥、摻和料、土和水按一定比例配料，經攪拌製成均勻的混合料，用塑料薄膜覆蓋陳化30分鐘左右備用。(2)將上述混合料，加入三聯試模中，在頻率為3000次/min、振幅為0.7mm的振動臺上振動成型，至密實狀態後，表面用鐵板覆蓋，使試樣處於密閉狀態。(3)將試樣連同試模一起放入蒸壓釜中，進行帶模養護，蒸壓釜中初始水溫為80-100℃，按每分鐘5℃加溫至120-140℃，養護壓力為0.1-0.2Mpa，保溫時間為3小時。壓蒸後快速冷卻至常壓，取出試模。(4)試模取出後，立即脫模，取出試樣。立即在壓力測試儀上測出水泥土試樣強度，然後將其試樣強度的平均值代入數學模型公式，從而計算出水泥土的推定強度值。
7.根據權利1或2所述的一種快速測量-推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型，其特徵在於所述的摻和料為磨細礦渣、或者粉煤灰、或者各種粉狀石膏，或者其中兩種或兩種以上的組合物。
全文摘要
本發明公開了一種快速測量－推定水泥土強度的方法及其所應用的數學模型。其特徵是，將水泥土原料製成試樣後，放入壓蒸釜中，在高溫高壓下帶模養護，以加快水泥礦物水化和水泥與土的凝硬反應速度和硬化強度；然後通過壓力測試儀測出試樣的強度，再將測得的試樣強度代入預先建立的數學模型公式，從而快速、準確的推定出水泥土的標準強度值。本發明的優點是，利用高溫高壓加快水泥礦物水化和水泥與土的凝硬反應原理，快速提高了水泥土的硬化速度和硬化強度，使水泥土快速達到標準測試強度；同時，利用預先建立的數學模型公式，只用3小時即可準確推定出水泥土28天和90天的標準強度值，且準確率高、誤差小。
文檔編號G01N1/28GK1865908SQ200610040509
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月22日 優先權日2006年5月22日
發明者李玉壽, 郝子進, 焦寶祥 申請人:鹽城工學院, 鹽城市建築設計研究院有限公司