基于不规则颗粒的水泥基材料水化进程及其传输性能的数值模拟

发布时间：2018-01-05 13:25

本文关键词：基于不规则颗粒的水泥基材料水化进程及其传输性能的数值模拟　出处：《东南大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水泥基复合材料水化形成微结构中的物相组成与空间分布决定了试件的各项宏观性能,而水化进程是一个多相、多组分在不同时空尺度发生物理化学反应的过程,特别是现代水泥基材料使用大量功能外加剂和矿物掺合料,使得水化进程与微结构演变过程更加复杂。近几十年来,随着计算机技术的飞速发展,使得借助计算机来模拟水泥基材料的水化进程与微结构演变过程成为可能。而国内外较为成熟的净浆水化模型,譬如HymoStruc模型、μic模型、CEMHYD3D模型与HydratiCA模型,均是将模拟对象近似成球形颗粒,制约了模型自身的水化精度、限制了其应用范围。实际上,水泥基复合材料是由不规则形状的颗粒按照一定的行为堆积而成。因此,本文致力于开发一种二维与三维不规则颗粒的重构方法,并将该方法引入到CEMHYD3D模型中,建立更为完善的水化模型；此外根据多尺度过渡理论将水泥基复合材料划分成四个尺度,分别建立相应尺度的微结构模型,模拟饱和状态下各个尺度微结构中的氯离子稳态与非稳态传输过程。取得的成果如下：首先,基于元胞自动机原理开发了一种二维与三维不规则颗粒的重构规则,通过选取合适的特征值向量控制生成一类形状近似的不规则颗粒；该方法有较好的可重复性、非严格一致性、适用于不同尺寸的颗粒。由该方法重构的净浆初始体系更加接近真实体系,吻合各项指标,包括水泥颗粒区间、积分粒度分布曲线、比表面积、微分与积分孔径分布曲线以及连通孔隙的曲折度。本文将该方法引入到CEMHYD3D模型中,结合研究对象的粒度分布曲线与配合比,重构净浆的三维初始体系；此外还开发了“简化型Bentz分相规则”,勿需耗时长、步骤复杂的实验,直接结合体视学原理与图像处理技术即可划分四种熟料矿物相。通过与实验数据(各组分含量、孔隙率、水化放热信息)进行对比,验证完善后的净浆水化模型有较高的模拟精度。接着,本文根据多尺度过渡理论将水泥基复合材料划分成四个尺度,分别建立相应尺度的结构模型。尺度Ⅰ：综合“硬芯软壳模型”与“纤维分支生长模型”的优势,建立更为完善的“状态导向重构模型”,由该模型重构的低密度C.S-H凝胶结构与原子力显微成像图片吻合良好。尺度Ⅱ：由完善后的净浆水化模型获取不同龄期的硬化体微结构,将微结构中的水化产物进一步划分成高密度与低密度的C-S-H凝胶。尺度Ⅲ：建立细集料(砂)与净浆两相复合的砂浆结构模型,其中细集料(砂)符合实际筛分曲线；尺度Ⅳ：建立粗骨料(碎石)、砂浆与界面过渡区三相复合的混凝土微结构模型,粗骨料由自行开发的不规则颗粒算法重构,并利用特定半径的球形颗粒沿着粗骨料的边缘扫描,将扫过的粗骨料外部的区域视为界面过渡区。最后,基于四个尺度的结构模型,本文进一步模拟了饱和状态下氯离子在各个尺度微结构中的稳态与非稳态传输过程。开发了“格构网格传输法”求解稳态传输状态下时空内氯离子浓度分布,用于模拟稳态电迁移实验,获取各个尺度氯离子稳态扩散系数。由数值模拟结果发现：细骨料会降低砂浆的稳态扩散系数,其体积含量是影响砂浆扩散系数的关键因素,而细度模数的影响较小；界面过渡区导致混凝土的扩散系数变大,粗骨料则降低混凝土的扩散系数,而后者的影响更加明显；粗骨料等体积掺量时,平均粒径越小混凝土的扩散系数越大。通过“古典显格式中心差分法”模拟了饱和状态下氯离子在微结构中的非稳态传输过程。由模拟结果可知：氯离子在水泥基材料中早期的传输深度较大,后期的传输速率变慢；骨料的存在使氯离子的传输通道变窄、传输路径变曲折,从而导致氯离子很难向内部传输；由于界面过渡区的传输系数较大,会加速氯离子的非稳态传输过程；裂纹(尤其是连通至表面的裂纹)会使氯离子的扩散深度大幅度增加。
[Abstract]:In this paper , the process of hydration and microstructure evolution of cement - based composites is determined by selecting appropriate feature value vector control . In this paper , the steady - state and non - steady state transport process of chloridion under steady state is studied by means of multi - scale transition theory . The results show that fine aggregate can reduce the steady state diffusion coefficient of mortar .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ172.1;TB33

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