基于非球形顆粒堆積的水泥基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及擴散性能的數(shù)值建模.pdf

1、由于混凝土自身組分復(fù)雜、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化因素多，很難利用常規(guī)的試驗手段定量地表征其微觀結(jié)構(gòu)特征對混凝土擴散行為的影響。如何開發(fā)有效的表征技術(shù)定量分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)對其擴散性能的影響機制，已經(jīng)成為當前混凝土科學迫切期待解決的研究問題。混凝土作為典型的顆粒增強復(fù)合材料，在微觀尺度上可以看成由滿足一定尺寸分布的復(fù)雜幾何形狀的顆粒（水泥顆粒、集料顆粒、混合材等）隨機堆積而成，這些顆粒的隨機堆積行為很大程度上決定了混凝土微觀結(jié)構(gòu)的演化，進而決定

2、了其擴散行為的演變。在早期的研究中，顆粒堆積模型主要針對球形粒子。但是實際混凝土內(nèi)部的顆粒大多數(shù)呈現(xiàn)非球形幾何形狀。因此，研究和表征不同粒子形狀對究混凝土微觀結(jié)構(gòu)及其擴散性能的影響具有重要的意義。
　　本文首先開發(fā)了一套新的檢測橢圓、橢球形顆粒重疊的算法，模擬生成了橢圓、橢球顆粒的堆積結(jié)構(gòu);隨后利用球諧函數(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜非凸形顆粒的構(gòu)造、并開發(fā)了非凸形顆粒間的重疊檢測算法、模擬生成了復(fù)雜非凸形顆粒的隨機堆積結(jié)構(gòu);為從三維堆積結(jié)構(gòu)中獲取

3、二維截面信息，進一步開發(fā)了適用于任意形狀的截面分析算法。其次，基于Minkowski求和的方法，實現(xiàn)了正多邊形和橢圓形、五種正多面體和橢球形粒子周圍均勻等厚度界面過渡區(qū)(Interfacial transition zone，ITZ)的完美構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)線采樣（Systematic line sampling,SLS）和法線采樣(Normal line sampling，NLS)兩種算法以獲得表觀ITZ厚度的統(tǒng)計值，通過

4、對單粒徑的正多邊形和正多面體集料粒子界而表觀厚度的研究發(fā)現(xiàn)，集料形狀對表觀ITZ厚度有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在ITZ厚度的過高估計程度t'/t會隨集料粒子形狀的特征參數(shù):圓形度或球形度的增加而減小;此時，我們并不能確定球形度是否是唯一影響表觀ITZ厚度的參數(shù)，為此，考察圓形度或球形度相同條件下，形狀不同的集料粒子帶來的影響。本文選擇橢圓和橢球形粒子作為研究對象，結(jié)果表明:相同圓形度或球形度條件下，不同形狀粒子的ITZ厚度過高估計程度并不

5、相同，主要表現(xiàn)為:在SLS算法中，正多邊形粒子＞橢圓形粒子，正多面體粒子＞扁橢球粒子＞長橢球粒子;在NLS算法中，扁橢球粒子＞球形粒子＞長橢球粒子，而正多面體粒子與回轉(zhuǎn)橢球粒子之間并沒有明顯的規(guī)律可循。這說明集料形狀的表征參數(shù)圓形度和球形度并不是唯一影響ITZ表觀厚度的參數(shù)。盡管如此，為便于應(yīng)用，給出了集料粒子形狀對ITZ厚度過高估計影響的歸一化公式。除此之外，對多粒徑集料體系而言，揭示了統(tǒng)計平均表觀ITZ厚度的過高估計程度會隨集料細度

6、的增加而減小的規(guī)律。隨后，提出并驗證了非球形集料周圍ITZ面積分數(shù)和ITZ體積分數(shù)的歸一化公式，并指出ITZ面積分數(shù)和ITZ體積分數(shù)的過高估計程度均會隨集料體積分數(shù)、集料細度和真實ITZ厚度的增加而減小。再者，在兩相顆粒增強復(fù)合材料的微分有效介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上，引入上述ITZ微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合微分有效介質(zhì)理論評估了非球形集料周圍ITZ微結(jié)構(gòu)特征對混凝土擴散系數(shù)的過高估計程度，分析了集料幾何形狀、集料細度、集料體積分數(shù)、ITZ真實厚度以及I

7、TZ與水泥漿體擴散系數(shù)對混凝土擴散性能的影響規(guī)律?；炷翑U散系數(shù)過高估計程度呈現(xiàn)出隨集料體積分數(shù)的增加先增大后減小的趨勢。當集料體積分數(shù)小于0.74時，混凝土擴散系數(shù)的過高估計程度隨球形度的增加而減小。當正多面體粒子與橢球形粒子球形度相同時，在SLS算法中，混凝土擴散系數(shù)的過高估計程度呈現(xiàn)的規(guī)律為:正多面體粒子＞扁橢球粒子＞長橢球粒子;而在NLS算法中，對于球形度為0.671和0.806的粒子，扁橢球粒子＞正四面體或正六面體粒子＞長橢球

8、粒;對于球形度為0.939的粒子，所呈現(xiàn)的規(guī)律是:扁橢球粒子＞長橢球粒子＞正二十面體粒子。最后，基于五種正多面體的顆粒堆積結(jié)構(gòu)和HYMOSTRUC模型，建立了正多面體形水泥顆粒隨水化進程向內(nèi)收縮和向外膨脹的理論模型，實現(xiàn)了非球形水泥顆粒的水化反應(yīng)行為建模，揭示了水泥顆粒形狀對水泥水化及其微結(jié)構(gòu)的演化具有顯著的影響，體現(xiàn)為相同水灰比、相同時間內(nèi)，水泥顆粒的水化程度隨其球形度的減小而呈現(xiàn)出遞增的趨勢。同時闡明了水泥漿體中孔隙率隨水泥顆粒球形