【摘要】：水泥是建筑行業(yè)的基本材料,在道路,橋梁,大樓和其他建筑設施中的應用甚廣,被視為該產(chǎn)業(yè)的重要食糧。近年來,我國的水泥生產(chǎn)總量一直保持世界第一。但是,目前水泥行業(yè)仍存在著生產(chǎn)成本高,勞動力低下,高性能水泥產(chǎn)量低和新型材料發(fā)展欠缺等問題,這在很大程度上制約著水泥產(chǎn)業(yè)的進階發(fā)展。因此,需要對水泥有更深入的了解和更深層次的研究,進而提高水泥的性能。然而,水泥不僅組成成分復雜,其水化過程也相當復雜,其中的物理變化和化學反應至今無人完全參透,這增加了人們理解其機制的難度。水泥微觀結(jié)構(gòu)演化的模擬和建模在理解水泥水化,微觀結(jié)構(gòu)演化和指導新型材料的開發(fā)中有著重要的作用。為了更好地了解水泥水化和微觀結(jié)構(gòu)的演化過程,本研究利用計算機進行建模并模擬水泥的微觀結(jié)構(gòu)演化。自從計算機技術應用于該領域以來,水泥微結(jié)構(gòu)演化建模得到了很好的發(fā)展。目前,水泥微觀結(jié)構(gòu)的模擬研究主要包含兩種類型。一種是基于單顆粒水化模型,另一種則是基于數(shù)字圖像的水化模型。然而,這兩種模型都沒有較為真實的水泥初始微觀結(jié)構(gòu)。演化機制是也人為推導的,而且包含大量的簡化和假設。因此模擬的結(jié)構(gòu)與真實結(jié)構(gòu)之間存在很大差異。針對目前水泥微結(jié)構(gòu)演化建模存在的問題,該研究致力于產(chǎn)生更真實的微觀結(jié)構(gòu)和構(gòu)建更逼真的微觀結(jié)構(gòu)演化模擬模型,并對水泥性能進行預估和分析。本文中的主要研究內(nèi)容涵蓋以下幾個方面:(1)水泥初始微觀結(jié)構(gòu)的生成本文中目前所研究的紋理合成主要聚焦于水泥微觀結(jié)構(gòu)圖像的二維斷層截面。針對基于樣圖的紋理合成方法中時間消耗問題,本研究首次采用基因表達式編程實現(xiàn)了水泥初始微觀結(jié)構(gòu)的快速合成。實驗證明,該方法確實提高了水泥微觀圖像生成速度。鑒于第一次研究存在合成紋理瑣碎的缺點,第二次研究中進行了灰度重映射并加入了紋理整體的統(tǒng)計特征。實驗證明,改進的方法能夠形成水泥微觀結(jié)構(gòu)中的物相,如小的水泥顆粒、氣泡和空隙。此外,為了產(chǎn)生更逼真的初始微觀結(jié)構(gòu),本文突破性嘗試使用生成對抗網(wǎng)絡生成水泥微結(jié)構(gòu)。通過模型優(yōu)化過程中保存的生成圖像中可以看出,該模型確實在不斷優(yōu)化生成效果,并且通過與真實圖像對比,可得知該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠生成與真實圖像混淆的水泥微觀結(jié)構(gòu)。(2)水泥微觀結(jié)構(gòu)演化建模本研究采用細胞自動機作為演化模型,初次使用深度學習方法從真實水泥微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中直接萃取水泥演化規(guī)則推動細胞自動機的演化過程。該研究解決了以往模型中簡化與假設導致的不真實的問題,避免了人為推導機制對模擬結(jié)果的影響。實驗結(jié)果表明該過程能夠真實地反映出水泥微觀結(jié)構(gòu)的變化,并且在不同配比的水泥樣本中表現(xiàn)出了良好的泛化能力。實驗中對四種不同配比水泥中的三種物相的演化過程進行了分析。此外,本研究還提出了一種可變?nèi)萘康膭討B(tài)分層抽樣方法,以提高樣本抽取的代表性。通過在多個標準數(shù)據(jù)和水泥數(shù)據(jù)的實驗,可以判定該方法能夠提高樣本的代表性。(3)水泥性能的預測與分析本研究利用寬度學習方法構(gòu)建了水泥凝結(jié)時間預測模型。該模型表示了水泥化學成分、物理性質(zhì)與初凝時間和終凝時間之間的潛在關系。通過與其它方法的對比,證明該方法是高效的;通過與實際測試數(shù)據(jù)的比較,證明該方法在不同樣本上的泛化能力;通過與之前研究的對比,證明了該模型的有效性。該研究實現(xiàn)了從水泥初始微觀結(jié)構(gòu)的生成到微觀結(jié)構(gòu)演化建模,再到水泥的性能預測的一系列模擬和分析。該研究能夠節(jié)省大量的人力資源,對高性能水泥的生產(chǎn),新型材料的研發(fā)有重要的指導價值。
【圖文】：

圖 1.1 兩種基于單粒子的水化模型由于單粒子模型沒有考慮多個水泥顆粒之間的相互作用，并且不能準確地描述具有各種粒徑的顆粒群的整體動力學。因此，考慮到空間填充和粒子與粒子相互作用的成核和生長模型被提出了。該模型將每個階段模擬為一個簡單的過程，并能從一個過程轉(zhuǎn)換到另一個過程。Tenatousse 和 De Donder 是第一個將 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）成核和生長方程應用于 C3S 數(shù)據(jù)水化的模擬中[29]。然而，該模型中的水化速率一直保持在最大值，這與水化不同時期具有不同速率的理論是相矛盾的。Garrault 和Nonat 開發(fā)了一個數(shù)值模型，模擬 C3S 表面 C-S-H 核的生長以了解不同濃度的稀石灰溶液中 C3S 的水化速率[30]。在該模型中，核能平行且垂直于表面生長，并且當垂直生長速率高于平行生長速率時，模型顯示出卓越的性能。此外，Cahn 開發(fā)了邊界成核和生長（BNG）模型[31]，該模型已成功應用于 C3S 數(shù)據(jù)[32]。在 BNG 模型中，核只在平面邊界上形成，并且在所有線性方向的成核區(qū)域和未轉(zhuǎn)化邊界的每單位面積具有不同的恒定成核速率。

圖 1.2 水泥微觀結(jié)構(gòu)演化建模及性能評估總體框架本研究致力于建立從生成初始微觀結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)演化再到水泥性能評估的一系列模型，實現(xiàn)水泥微觀結(jié)構(gòu)從無到有，演化過程模擬，再到水泥最終性能預測的過程。圖 1.2 展示了整個研究的總體框架。研究首先根據(jù)真實微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)或者化學組成和物理條件，用智能算法實現(xiàn)初始微觀結(jié)構(gòu)生成；其次，，根據(jù)已有的微觀結(jié)構(gòu)演化數(shù)據(jù)建立水泥微觀結(jié)構(gòu)演化模型，最后根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)圖像或者化學組成和物理條件對水泥的性能進行評估，主要是水泥的凝結(jié)時間和抗壓強度。下面將具體描述該研究方法的每一個方案細節(jié)。1.3.1 初始微觀結(jié)構(gòu)生成水泥初始微觀結(jié)構(gòu)對于微觀結(jié)構(gòu)演化的建模和模擬實現(xiàn)有著極為重要的作用。如果模型初始微觀結(jié)構(gòu)不理想甚至沒有，談及微觀結(jié)構(gòu)演化建模就是空中樓閣。因此，能夠
【學位授予單位】：濟南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ172.1;TP18;TP301.1

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