多元水泥基材料微结构演变与传输性能的数值模拟

发布时间：2017-10-27 20:14

  本文关键词：多元水泥基材料微结构演变与传输性能的数值模拟

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【摘要】：随着“一带一路”和发展海洋强国等国家战略的实施,大量基础设施得到兴建,如桥梁、港口、高铁等,致使混凝土材料的消耗量日益增加。在海洋、盐湖等严酷环境下,结构混凝土材料的耐久性问题已成为重大挑战。随着现代混凝土技术的发展,大量的矿物掺合料被引入到混凝土材料的制备中,从而使现代水泥基材料具有材料组分复杂、活性低、变异性大,微结构发展复杂等特点,致使耐久性研究难度增加。计算机技术的发展为研究现代水泥基材料提供了有力的工具。本文基于数字图像的水泥水化模型建模机理,自行编写和调试程序,建立了多元水泥基材料水化模型；用该模型预测了不同配合比下水泥基材料水化性能和微结构演变过程；自行编写了用于求解氯离子扩散系数的程序,并结合多尺度理论,利用有限差分法,预测了多元水泥基材料在不同尺度下氯离子扩散系数随微结构演变规律,进而研究了氯离子在完整混凝土中的传输行为；在考虑裂缝宽度影响氯离子在混凝土中传输的基础上,提出了氯离子在裂缝中扩散系数数学公式,利用有限差分法和修正双重孔隙介质理论,研究了不同裂缝属性对混凝土传输性能的影响。本文取得了如下创新成果：(1)建立了多元水泥基材料水化模型基于原始CEMHYD3D模型建模机理,即初始微结构的建立-分相-水化规则三个过程,在元胞自动机控制下的“溶解-扩散-反应／成核”的水化规则的基础上,自行开发了包含粉煤灰、矿渣和硅灰的二元、三元以及多元水泥基材料水化模型,获取了水泥颗粒、水化产物、孔等三维空间分布、数目和演变过程,揭示了矿物掺合料与水泥和矿物掺合料之间的交互作用规律,自行编写了表征三维孔结构程序,进而连续观测了孔结构的变化规律。(2)基于微结构,研究了完整混凝土的传输行为基于多尺度理论,利用代表性体积单元法,构建了水泥基材料多尺度结构；结合Fick第一定律和有限差分法,开发了求解氯离子扩散系数的方法—网格传输法；在此基础上,结合多元水泥基水化模型,提出了预测多元水泥基材料不同尺度下的氯离子扩散系数的方法,同时通过Fick第二定律和质量守恒定律,利用中心差分法研究了完整混凝土的传输行为,在钢筋锈蚀临界氯离子浓度的基础上,提出了混凝土结构寿命预测的方法。(3)基于裂缝属性,研究了开裂混凝土的传输行为依据氯离子在不同裂缝宽度中的扩散规律,提出了不同裂缝宽度下裂缝内氯离子扩散系数的数学公式,结合修正双重孔隙介质理论,得到了裂缝对混凝土传输性能的影响规律；研究了不同裂缝属性(外部和内部裂缝、宽度、深度、数目以及取向)对混凝土传输性能的影响,可视化地获取了氯离子在混凝土内的浓度分布。
【关键词】：水泥基材料 多元 微结构 裂缝 多尺度 传输性能 数值模拟
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU528;TQ172.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 国内外研究现状14-27
• 1.2.1 水化模型14-19
• 1.2.1.1 HYMOSTRUC3D模型14-15
• 1.2.1.2 μic模型15
• 1.2.1.3 DuCOM模型(部分)15-17
• 1.2.1.4 CEMHYD3D模型17-18
• 1.2.1.5 THAMES模型18-19
• 1.2.2 矿物掺合料特性研究19-21
• 1.2.2.1 粉煤灰19-20
• 1.2.2.2 粒化高炉矿渣20-21
• 1.2.2.3 硅灰21
• 1.2.3 水泥基材料的多尺度理论21-25
• 1.2.3.1 纳米尺度23-24
• 1.2.3.2 微观尺度24
• 1.2.3.3 微观尺度24
• 1.2.3.4 介观尺度24
• 1.2.3.5 宏观尺度24-25
• 1.2.4 氯离子扩散系数的数值模拟25-27
• 1.2.4.1 电模拟法25-26
• 1.2.4.2 随机行走法26-27
• 1.3 存在问题的研究动态27
• 1.4 研究目的与研究内容27-30
• 第二章 多元水泥基材料的水化性能和微结构演变30-66
• 2.1 实验原材料及实验方法30-34
• 2.1.1 实验原材料30-31
• 2.1.2 XRD定量分析31-34
• 2.1.2.1 XRD-Rietveld定量分析法31-32
• 2.1.2.2 粉煤灰定量分析32-33
• 2.1.2.3 矿渣定量分析33
• 2.1.2.4 硅灰定量分析33-34
• 2.2 水化模型的建立34-55
• 2.2.1 CEMHYD3D建模机理34-46
• 2.2.1.1 水泥中矿物相信息的确定34-40
• 2.2.1.2 水泥浆体微结构的三维重构40-46
• 2.2.2 多元水泥基材料水化模型的建模机理46-55
• 2.2.2.1 矿物掺合料水化机理46-47
• 2.2.2.2 CEMHYD3D模型的扩展47-50
• 2.2.2.3 模型验证50-52
• 2.2.2.4 孔结构参数52-55
• 2.3 水泥基材料水化进程的预测55-64
• 2.4 本章小结64-66
• 第三章 多尺度预测水泥基材料的氯离子扩散系数66-83
• 3.1 水泥基复合材料多尺度的建立66-74
• 3.1.1 亚微观尺度的建立66-68
• 3.1.2 微观尺度的建立68-72
• 3.1.2.1 水泥净浆基体68-69
• 3.1.2.2 界面过渡区(ITZ)69-72
• 3.1.3 介观砂浆尺度的建立72-73
• 3.1.4 介观混凝土尺度的建立73-74
• 3.2 氯离子扩散系数的预测74-81
• 3.2.1 网格传输法74-75
• 3.2.2 HD与LD C-S-H的扩散系数75-76
• 3.2.3 净浆的扩散系数76-78
• 3.2.4 界面过渡区(ITZ)的扩散系数78-80
• 3.2.5 砂浆的扩散系数80-81
• 3.2.6 混凝土的扩散系数81
• 3.3 本章小结81-83
• 第四章 完整混凝土传输行为的研究83-95
• 4.1 质量守恒定律与Fick第二定律83-84
• 4.2 Fick第二定律的数值解法84-86
• 4.3 氯离子扩散系数的时变性86-87
• 4.4 混凝土传输模型的建立87-94
• 4.4.1 砂浆尺度87-91
• 4.4.2 混凝土尺度91-94
• 4.5 本章小结94-95
• 第五章 开裂混凝土传输行为的研究95-114
• 5.1 引言95-96
• 5.2 开裂混凝土传输行为的研究方法96-99
• 5.2.1 氯离子在裂缝中的扩散系数96-98
• 5.2.2 修正双重孔隙介质理论98
• 5.2.3 开裂混凝土传输控制方程98-99
• 5.3 开裂混凝土传输行为研究方法的应用99-113
• 5.3.1 裂缝宽度100-103
• 5.3.2 裂缝深度103-104
• 5.3.3 裂缝数目104
• 5.3.4 裂缝角度104-107
• 5.3.5 内部裂缝107-111
• 5.3.5.1 长度的影响107-109
• 5.3.5.2 取向的影响109-111
• 5.3.6 骨料的影响111-113
• 5.4 本章小结113-114
• 第六章 全文结论114-117
• 6.1 全文结论114-115
• 6.2 本文创新点115
• 6.3 研究展望115-117
• 附表1：各物相物理参数117-119
• 参考文献119-127
• 发表论文与参与科研项目127-128
• 发表学术论文127
• 参与科研项目127-128
• 致谢128-129

【参考文献】

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1 郑晓霞;郑锡涛;缑林虎;;多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展[J];力学进展;2010年01期

2 曹礼群;材料物性的多尺度关联与数值模拟[J];世界科技研究与发展;2002年06期

3 余红发,孙伟,麻海燕,鄢良慧;盐湖地区钢筋混凝土结构使用寿命的预测模型及其应用[J];东南大学学报(自然科学版);2002年04期

4 王佩玲，屠恒勇，贾迎新，陈建新;利用Rietveld方法的多相粉末定量分析[J];无机材料学报;1995年04期

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本文编号：1105028