本文關(guān)鍵詞：基于不規(guī)則顆粒的水泥基材料水化進(jìn)程及其傳輸性能的數(shù)值模擬　出處：《東南大學(xué)》2015年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：水泥基復(fù)合材料水化形成微結(jié)構(gòu)中的物相組成與空間分布決定了試件的各項(xiàng)宏觀性能,而水化進(jìn)程是一個(gè)多相、多組分在不同時(shí)空尺度發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程,特別是現(xiàn)代水泥基材料使用大量功能外加劑和礦物摻合料,使得水化進(jìn)程與微結(jié)構(gòu)演變過(guò)程更加復(fù)雜。近幾十年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得借助計(jì)算機(jī)來(lái)模擬水泥基材料的水化進(jìn)程與微結(jié)構(gòu)演變過(guò)程成為可能。而國(guó)內(nèi)外較為成熟的凈漿水化模型,譬如HymoStruc模型、μic模型、CEMHYD3D模型與HydratiCA模型,均是將模擬對(duì)象近似成球形顆粒,制約了模型自身的水化精度、限制了其應(yīng)用范圍。實(shí)際上,水泥基復(fù)合材料是由不規(guī)則形狀的顆粒按照一定的行為堆積而成。因此,本文致力于開(kāi)發(fā)一種二維與三維不規(guī)則顆粒的重構(gòu)方法,并將該方法引入到CEMHYD3D模型中,建立更為完善的水化模型；此外根據(jù)多尺度過(guò)渡理論將水泥基復(fù)合材料劃分成四個(gè)尺度,分別建立相應(yīng)尺度的微結(jié)構(gòu)模型,模擬飽和狀態(tài)下各個(gè)尺度微結(jié)構(gòu)中的氯離子穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程。取得的成果如下：首先,基于元胞自動(dòng)機(jī)原理開(kāi)發(fā)了一種二維與三維不規(guī)則顆粒的重構(gòu)規(guī)則,通過(guò)選取合適的特征值向量控制生成一類(lèi)形狀近似的不規(guī)則顆粒；該方法有較好的可重復(fù)性、非嚴(yán)格一致性、適用于不同尺寸的顆粒。由該方法重構(gòu)的凈漿初始體系更加接近真實(shí)體系,吻合各項(xiàng)指標(biāo),包括水泥顆粒區(qū)間、積分粒度分布曲線、比表面積、微分與積分孔徑分布曲線以及連通孔隙的曲折度。本文將該方法引入到CEMHYD3D模型中,結(jié)合研究對(duì)象的粒度分布曲線與配合比,重構(gòu)凈漿的三維初始體系；此外還開(kāi)發(fā)了“簡(jiǎn)化型Bentz分相規(guī)則”,勿需耗時(shí)長(zhǎng)、步驟復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),直接結(jié)合體視學(xué)原理與圖像處理技術(shù)即可劃分四種熟料礦物相。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(各組分含量、孔隙率、水化放熱信息)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證完善后的凈漿水化模型有較高的模擬精度。接著,本文根據(jù)多尺度過(guò)渡理論將水泥基復(fù)合材料劃分成四個(gè)尺度,分別建立相應(yīng)尺度的結(jié)構(gòu)模型。尺度Ⅰ：綜合“硬芯軟殼模型”與“纖維分支生長(zhǎng)模型”的優(yōu)勢(shì),建立更為完善的“狀態(tài)導(dǎo)向重構(gòu)模型”,由該模型重構(gòu)的低密度C.S-H凝膠結(jié)構(gòu)與原子力顯微成像圖片吻合良好。尺度Ⅱ：由完善后的凈漿水化模型獲取不同齡期的硬化體微結(jié)構(gòu),將微結(jié)構(gòu)中的水化產(chǎn)物進(jìn)一步劃分成高密度與低密度的C-S-H凝膠。尺度Ⅲ：建立細(xì)集料(砂)與凈漿兩相復(fù)合的砂漿結(jié)構(gòu)模型,其中細(xì)集料(砂)符合實(shí)際篩分曲線；尺度Ⅳ：建立粗骨料(碎石)、砂漿與界面過(guò)渡區(qū)三相復(fù)合的混凝土微結(jié)構(gòu)模型,粗骨料由自行開(kāi)發(fā)的不規(guī)則顆粒算法重構(gòu),并利用特定半徑的球形顆粒沿著粗骨料的邊緣掃描,將掃過(guò)的粗骨料外部的區(qū)域視為界面過(guò)渡區(qū)。最后,基于四個(gè)尺度的結(jié)構(gòu)模型,本文進(jìn)一步模擬了飽和狀態(tài)下氯離子在各個(gè)尺度微結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程。開(kāi)發(fā)了“格構(gòu)網(wǎng)格傳輸法”求解穩(wěn)態(tài)傳輸狀態(tài)下時(shí)空內(nèi)氯離子濃度分布,用于模擬穩(wěn)態(tài)電遷移實(shí)驗(yàn),獲取各個(gè)尺度氯離子穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)。由數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：細(xì)骨料會(huì)降低砂漿的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散系數(shù),其體積含量是影響砂漿擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)鍵因素,而細(xì)度模數(shù)的影響較小；界面過(guò)渡區(qū)導(dǎo)致混凝土的擴(kuò)散系數(shù)變大,粗骨料則降低混凝土的擴(kuò)散系數(shù),而后者的影響更加明顯；粗骨料等體積摻量時(shí),平均粒徑越小混凝土的擴(kuò)散系數(shù)越大。通過(guò)“古典顯格式中心差分法”模擬了飽和狀態(tài)下氯離子在微結(jié)構(gòu)中的非穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程。由模擬結(jié)果可知：氯離子在水泥基材料中早期的傳輸深度較大,后期的傳輸速率變慢；骨料的存在使氯離子的傳輸通道變窄、傳輸路徑變曲折,從而導(dǎo)致氯離子很難向內(nèi)部傳輸；由于界面過(guò)渡區(qū)的傳輸系數(shù)較大,會(huì)加速氯離子的非穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程；裂紋(尤其是連通至表面的裂紋)會(huì)使氯離子的擴(kuò)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 .

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ172.1;TB33

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