軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，在已知水泥凈漿微觀(guān)模型和各類(lèi)水化物材料性能的基礎(chǔ)上，為計(jì)算軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量提供一種概念直觀(guān)，易于掌握使用有限元分析方法。基于已知水泥凈漿微觀(guān)模型和各類(lèi)水化物材料性能的基礎(chǔ)上，借助有限單元仿真技術(shù)，計(jì)算軸心受力狀態(tài)下微觀(guān)模型各單元平均應(yīng)變，并結(jié)合彈性模量基本定義計(jì)算水泥漿體微觀(guān)模型的平均彈性模量，是水泥基材料微觀(guān)力學(xué)理論和有限元技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)新和擴(kuò)展應(yīng)用。本發(fā)明可得到水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量發(fā)展規(guī)律并為分析水泥水化產(chǎn)物組成、分布以及孔隙率、孔徑分布對(duì)水泥凈漿宏觀(guān)彈性模量的影響奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明算法簡(jiǎn)單、概念清晰、易于使用者掌握和擴(kuò)展。
【專(zhuān)利說(shuō)明】軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水泥基材料早期力學(xué)性能仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于水泥凈漿微觀(guān)模型和有限元仿真技術(shù)的早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]研究表明水泥基材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀(guān)行為有著決定性作用，對(duì)于某一種水泥基材料，其強(qiáng)度、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)等宏觀(guān)性能的發(fā)展與其內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系。因此只有從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)水泥基材料，理解水泥水化過(guò)程中材料內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的組成、分布及其對(duì)宏觀(guān)性能的作用等一套完整的知識(shí)體系，才能控制水泥基材料的性能，進(jìn)而開(kāi)發(fā)高性能材料、綠色環(huán)保材料及基于性能設(shè)計(jì)的材料，為工程應(yīng)用服務(wù)。
[0003]將微觀(guān)力學(xué)引入水泥漿體、水泥砂漿和混凝土等水泥基復(fù)合材料的研究是對(duì)水泥基材料性能研究的重大突破。微觀(guān)力學(xué)(micromechanics)理論基于各相幾何和物理特性來(lái)研究復(fù)合材料的物理性能。其中，預(yù)測(cè)彈性模量的微觀(guān)力學(xué)模型常采用解析法，包括Mor1-Tanaka理論、Hashin-Shtrikman上下限理論、自洽法和改進(jìn)直接法。解析法的應(yīng)用使從結(jié)構(gòu)組成出發(fā)預(yù)測(cè)多相多尺度水泥基材料的宏觀(guān)彈性模量成為現(xiàn)實(shí)。但目前另一種常用分析方法——有限元理論在水泥基材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用較少。而有限元理論具有解析法所不具備的概念直觀(guān)，易于掌握使用的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]因此探討有限元理論在水泥基材料微觀(guān)力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，通過(guò)有限單元法預(yù)測(cè)水泥基材料宏觀(guān)力學(xué)性能，是一種新方法的嘗試。對(duì)于開(kāi)展水泥基材料早期宏觀(guān)性能發(fā)展機(jī)理研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，在已知水泥凈漿微觀(guān)模型和各類(lèi)水化物材料性能的基礎(chǔ)上，為計(jì)算軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量提供一種概念直觀(guān)，易于掌握使用有限元分析方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，基于已知水泥凈漿微觀(guān)模型和各類(lèi)水化物材料性能的基礎(chǔ)上，借助有限單元仿真技術(shù)，計(jì)算軸心受力狀態(tài)下微觀(guān)模型各單元平均應(yīng)變，并結(jié)合彈性模量基本定義計(jì)算水泥漿體微觀(guān)模型的平均彈性模量。
[0008]具體在水泥水化各階段中，提取含有水泥凈漿內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)組成和分布信息的水泥凈漿微觀(guān)模型，于模型頂面施加微小均布荷載，通過(guò)有限元基本理論，計(jì)算模型各單元應(yīng)變值，得到模型的平均應(yīng)變；最后根據(jù)彈性模量的基本定義求解各水化階段水泥凈漿彈性模量，分析水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量發(fā)展規(guī)律。
[0009]水泥凈漿微觀(guān)模型包括低密度C-S-H單元、高密度C-S-H單元、CH單元、水化硫鋁酸鈣單元、毛細(xì)孔單元、自由水單元以及未水化水泥顆粒單元，全面考慮水泥凈漿水化過(guò)程中微觀(guān)結(jié)構(gòu)的組成和分布。
[0010]以下針對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步說(shuō)明，具體內(nèi)容如下:
[0011]一、水泥凈漿微觀(guān)結(jié)構(gòu)
[0012]水泥凈漿微觀(guān)結(jié)構(gòu)組成可以分為:水化產(chǎn)物、孔、水和未水化的水泥顆粒。
[0013](I)水化產(chǎn)物:主要包括水化硅酸鈣凝膠C-S-H、CH和水化硫鋁酸鈣。
[0014]其中水化硅酸鈣凝膠C-S-H為最主要的水化產(chǎn)物，占水化水泥漿體體積的50-60%，是水泥漿體中決定硬化水泥漿體物理結(jié)構(gòu)和性能的主要成分。根據(jù)C-S-H中凝膠孔隙率大小，C-S-H可分為低密度C-S-H (LD C-S-H，凝膠孔隙率為37%)和高密度C_S_H (HDC-S-H，凝膠孔隙率為24%)，低密度C-S-H和高密度C-S-H的彈性模量略有不同。
[0015]氫氧化鈣CH是水泥凈漿的第二大水化產(chǎn)物，最新的研究表明氫氧化鈣占水化水泥漿體體積的15%。
[0016]水化硫鋁酸鈣是水泥漿體的次要組成成分，占水化水泥漿體體積的10-15%。
[0017](2)孔:孔隙是水泥漿體的主要組成成分之一，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)水泥漿體的物理力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響。孔隙分類(lèi)兩類(lèi):毛細(xì)孔和凝膠孔，毛細(xì)孔對(duì)水泥漿體的強(qiáng)度、滲透性有一定影響。凝膠孔被認(rèn)為是C-S-H的一部分，位于C-S-H所占的體積內(nèi)部。通常認(rèn)為孔隙率是決定強(qiáng)度的最為重要的單因素。
[0018](3) 一般情況下水泥漿體中的水分為三種狀態(tài):化學(xué)結(jié)合水、物理吸附水和自由水。其中化學(xué)結(jié)合水是水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物的一部分；物理吸附水是指存在于凝膠中的物理水，和化學(xué)結(jié)合水一樣，都屬于水化硅酸鈣凝膠C-S-H的一部分，對(duì)漿體結(jié)構(gòu)和性能無(wú)直接影響；自由水是水泥漿體中尚未參與水化反應(yīng)或反應(yīng)后多余的水，宏觀(guān)性能的產(chǎn)生、發(fā)展和變化具有重要的作用。
[0019](4)殘留未水化水泥顆粒:水泥顆粒的粒徑普遍在0.1-100 μ m范圍內(nèi)，平均粒徑約為10-15 μ m，其中較大的水泥顆粒很難完全水化，因此在水化過(guò)程中水泥漿體內(nèi)不可避免地含有一定量殘留的未水化水泥顆粒。
[0020]基于水泥凈漿微觀(guān)結(jié)構(gòu)的組成，本發(fā)明涉及水泥凈漿微觀(guān)有限元模型中包括低密度C-S-H單元、高密度C-S-H單元、CH單元、水化硫鋁酸鈣單元、毛細(xì)孔單元、自由水單元以及未水化水泥顆粒單元。
[0021]二、有限元基本理論
[0022]本發(fā)明涉及有限元模型中單元采用空間8節(jié)點(diǎn)六面體單元，如附圖1所示。
[0023]有限單元法根據(jù)虛功原理建立的非線(xiàn)性有限元平衡方程為:
[0024][K] { δ } = {P} (I)
[0025]式中，[K]為結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣；{ δ }為節(jié)點(diǎn)位移列陣；{P}為節(jié)點(diǎn)荷載列陣。
[0026]求解方程(I)可得模型各節(jié)點(diǎn)位移矩陣{ δ }，然后進(jìn)行單元分析，即根據(jù)單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣{ δ}e確定單元的位移分量列陣{f}、應(yīng)變分量列陣{ ε }。
[0027]空間8節(jié)點(diǎn)等參單元的位移模式和坐標(biāo)變換式分別為
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，其特征在于:基于已知水泥凈漿微觀(guān)模型和各類(lèi)水化物材料性能的基礎(chǔ)上，借助有限單元仿真技術(shù)，計(jì)算軸心受力狀態(tài)下微觀(guān)模型各單元平均應(yīng)變，并結(jié)合彈性模量基本定義計(jì)算水泥漿體微觀(guān)模型的平均彈性模量。
2.如權(quán)利要求1所述的軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，其特征在于:具體在水泥水化各階段中，提取含有水泥凈漿內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)組成和分布信息的水泥凈漿微觀(guān)模型，于模型頂面施加微小均布荷載，通過(guò)有限元基本理論，計(jì)算模型各單元應(yīng)變值，得到模型的平均應(yīng)變；最后根據(jù)彈性模量的基本定義求解各水化階段水泥凈漿彈性模量，分析水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量發(fā)展規(guī)律。
3.如權(quán)利要求2所述的軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，其特征在于:軸心受力構(gòu)件彈性模量計(jì)算方法如下: 在宏觀(guān)層次上，水泥凈漿可視為均質(zhì)材料，在軸心受力狀態(tài)下，根據(jù)材料力學(xué)中彈性模量的定義: Ε=σ / ε (7) 式中，σ為試件 的平均應(yīng)力，MPa ; ε為試件的平均應(yīng)變。 本發(fā)明提及的水泥凈漿有限元微觀(guān)模型由低密度C-S-H單元、高密度C-S-H單元、CH單元、水化硫鋁酸鈣單元、毛細(xì)孔單元、自由水單元以及未水化水泥顆粒單元組成，各類(lèi)單元彈性模量不同；因此在軸心荷載作用下，各單元的應(yīng)變不同。 為計(jì)算整個(gè)試件的平均應(yīng)變，可取試件1/4高度處截面、1/2高度處截面、3/4高度處截面以及頂面各單元的應(yīng)變進(jìn)行加權(quán)平均，得到各截面處平均應(yīng)變
4.如權(quán)利要求3所述的軸心受力狀態(tài)下水泥凈漿早期宏觀(guān)彈性模量計(jì)算方法，其特征在于:具體采用以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟I，輸入計(jì)算起始、終止時(shí)間和計(jì)算步長(zhǎng)，計(jì)算總次數(shù)η=(終止時(shí)間-起始時(shí)間)/計(jì)算步長(zhǎng)；步驟2，輸入第一計(jì)算步當(dāng)前時(shí)刻的水泥凈漿微觀(guān)模型，模型中已將各單元?jiǎng)澐殖傻兔芏菴-S-H單元、高密度C-S-H單元、CH單元、水化硫鋁酸鈣單元、毛細(xì)孔單元、自由水單元以及未水化水泥顆粒單元； 步驟3，輸入低密度C-S-H單元、高密度C-S-H單元、CH單元、水化硫鋁酸鈣單元自由水單元以及未水化水泥顆粒單元的彈性模量，將毛細(xì)孔單元單元彈性模量設(shè)為I ; 步驟4，模型頂面施加一微小均布荷載，底部施加豎向約束； 步驟5，通過(guò)常用有限元分析軟件進(jìn)行位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)求解，得到模型各單元的平均應(yīng)變值； 步驟6，輸出試件1/4高度處截面各單元的應(yīng)變值，根據(jù)式
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK103439177SQ201310401803
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】王潘繡, 趙海濤, 宣衛(wèi)紅 申請(qǐng)人:金陵科技學(xué)院