基于深度学习的细胞自动机水泥微结构演化建模及性能分析

发布时间：2020-05-07 06:12

【摘要】：水泥是建筑行业的基本材料,在道路,桥梁,大楼和其他建筑设施中的应用甚广,被视为该产业的重要食粮。近年来,我国的水泥生产总量一直保持世界第一。但是,目前水泥行业仍存在着生产成本高,劳动力低下,高性能水泥产量低和新型材料发展欠缺等问题,这在很大程度上制约着水泥产业的进阶发展。因此,需要对水泥有更深入的了解和更深层次的研究,进而提高水泥的性能。然而,水泥不仅组成成分复杂,其水化过程也相当复杂,其中的物理变化和化学反应至今无人完全参透,这增加了人们理解其机制的难度。水泥微观结构演化的模拟和建模在理解水泥水化,微观结构演化和指导新型材料的开发中有着重要的作用。为了更好地了解水泥水化和微观结构的演化过程,本研究利用计算机进行建模并模拟水泥的微观结构演化。自从计算机技术应用于该领域以来,水泥微结构演化建模得到了很好的发展。目前,水泥微观结构的模拟研究主要包含两种类型。一种是基于单颗粒水化模型,另一种则是基于数字图像的水化模型。然而,这两种模型都没有较为真实的水泥初始微观结构。演化机制是也人为推导的,而且包含大量的简化和假设。因此模拟的结构与真实结构之间存在很大差异。针对目前水泥微结构演化建模存在的问题,该研究致力于产生更真实的微观结构和构建更逼真的微观结构演化模拟模型,并对水泥性能进行预估和分析。本文中的主要研究内容涵盖以下几个方面:(1)水泥初始微观结构的生成本文中目前所研究的纹理合成主要聚焦于水泥微观结构图像的二维断层截面。针对基于样图的纹理合成方法中时间消耗问题,本研究首次采用基因表达式编程实现了水泥初始微观结构的快速合成。实验证明,该方法确实提高了水泥微观图像生成速度。鉴于第一次研究存在合成纹理琐碎的缺点,第二次研究中进行了灰度重映射并加入了纹理整体的统计特征。实验证明,改进的方法能够形成水泥微观结构中的物相,如小的水泥颗粒、气泡和空隙。此外,为了产生更逼真的初始微观结构,本文突破性尝试使用生成对抗网络生成水泥微结构。通过模型优化过程中保存的生成图像中可以看出,该模型确实在不断优化生成效果,并且通过与真实图像对比,可得知该网络结构能够生成与真实图像混淆的水泥微观结构。(2)水泥微观结构演化建模本研究采用细胞自动机作为演化模型,初次使用深度学习方法从真实水泥微观结构数据中直接萃取水泥演化规则推动细胞自动机的演化过程。该研究解决了以往模型中简化与假设导致的不真实的问题,避免了人为推导机制对模拟结果的影响。实验结果表明该过程能够真实地反映出水泥微观结构的变化,并且在不同配比的水泥样本中表现出了良好的泛化能力。实验中对四种不同配比水泥中的三种物相的演化过程进行了分析。此外,本研究还提出了一种可变容量的动态分层抽样方法,以提高样本抽取的代表性。通过在多个标准数据和水泥数据的实验,可以判定该方法能够提高样本的代表性。(3)水泥性能的预测与分析本研究利用宽度学习方法构建了水泥凝结时间预测模型。该模型表示了水泥化学成分、物理性质与初凝时间和终凝时间之间的潜在关系。通过与其它方法的对比,证明该方法是高效的;通过与实际测试数据的比较,证明该方法在不同样本上的泛化能力;通过与之前研究的对比,证明了该模型的有效性。该研究实现了从水泥初始微观结构的生成到微观结构演化建模,再到水泥的性能预测的一系列模拟和分析。该研究能够节省大量的人力资源,对高性能水泥的生产,新型材料的研发有重要的指导价值。
【图文】：

模型图,单粒子,模型

图 1.1 两种基于单粒子的水化模型由于单粒子模型没有考虑多个水泥颗粒之间的相互作用，并且不能准确地描述具有各种粒径的颗粒群的整体动力学。因此，考虑到空间填充和粒子与粒子相互作用的成核和生长模型被提出了。该模型将每个阶段模拟为一个简单的过程，并能从一个过程转换到另一个过程。Tenatousse 和 De Donder 是第一个将 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）成核和生长方程应用于 C3S 数据水化的模拟中[29]。然而，该模型中的水化速率一直保持在最大值，这与水化不同时期具有不同速率的理论是相矛盾的。Garrault 和Nonat 开发了一个数值模型，模拟 C3S 表面 C-S-H 核的生长以了解不同浓度的稀石灰溶液中 C3S 的水化速率[30]。在该模型中，核能平行且垂直于表面生长，并且当垂直生长速率高于平行生长速率时，模型显示出卓越的性能。此外，Cahn 开发了边界成核和生长（BNG）模型[31]，该模型已成功应用于 C3S 数据[32]。在 BNG 模型中，核只在平面边界上形成，并且在所有线性方向的成核区域和未转化边界的每单位面积具有不同的恒定成核速率。

演化建模,微观结构,总体框架,水泥

图 1.2 水泥微观结构演化建模及性能评估总体框架本研究致力于建立从生成初始微观结构到微观结构演化再到水泥性能评估的一系列模型，实现水泥微观结构从无到有，演化过程模拟，再到水泥最终性能预测的过程。图 1.2 展示了整个研究的总体框架。研究首先根据真实微观结构数据或者化学组成和物理条件，用智能算法实现初始微观结构生成；其次，，根据已有的微观结构演化数据建立水泥微观结构演化模型，最后根据微观结构图像或者化学组成和物理条件对水泥的性能进行评估，主要是水泥的凝结时间和抗压强度。下面将具体描述该研究方法的每一个方案细节。1.3.1 初始微观结构生成水泥初始微观结构对于微观结构演化的建模和模拟实现有着极为重要的作用。如果模型初始微观结构不理想甚至没有，谈及微观结构演化建模就是空中楼阁。因此，能够
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ172.1;TP18;TP301.1

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