[發(fā)明專利]一種計(jì)算凸形多面體粒子堆積體系孔徑分布的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410307872.2
• 申請(qǐng)日: 2014-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN104089864A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉琳;趙曉光;沈德建
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N15/08
• 分類號(hào): G01N15/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李曉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到一種計(jì)算凸形多面體粒子堆積體系孔徑分布的方法。

背景技術(shù)

水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)是關(guān)系到土木工程材料的滲透性，強(qiáng)度和耐久性的關(guān)鍵因素。當(dāng)材料受到外部荷載，凍融循環(huán)和各種鹽類侵蝕時(shí)，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變化。為了提高材料的各項(xiàng)性能，使材料在受到損傷時(shí)具有足夠的抵抗能力，需要對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定深入的了解，孔徑分布是材料結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一。

通過(guò)壓汞法，氮?dú)馕摳椒ǎ⒂^掃描電鏡和熱孔計(jì)法等試驗(yàn)可以得到水泥漿體內(nèi)部的孔徑分布情況，但是這些試驗(yàn)結(jié)果往往受制于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)手段，且試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)水泥漿體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)有破壞作用。為把人力和資源從大量試驗(yàn)中解脫出來(lái)，從本質(zhì)上把握材料的結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律，用于模擬材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型研究成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。水泥水化后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包含大量未水化的水泥顆粒，內(nèi)部和外部的水化產(chǎn)物。這些固體之間相互交錯(cuò)連接，中間形成大量的孔隙。為了研究這些孔隙的大小，需要將固體或孔隙進(jìn)行簡(jiǎn)化，即將水泥漿體簡(jiǎn)化為規(guī)則的三維立體體系，而這些固體簡(jiǎn)化為凸多面體粒子，雜亂無(wú)序的排列在三維體系中，而凸多面體粒子間隙即為所要研究的孔相，其大小即為孔徑。基于凸多面體粒子的蒙特卡羅法堆積及相應(yīng)的水化反應(yīng)，得到混凝土的模擬微觀及細(xì)觀結(jié)構(gòu)【van?Breugel?K.Simulation?of?hydration?and?formation?of?structure?in?hardening?cement-based?materials.Ph.D?thesis,Delft?University?of?Technology,Delft,The?Netherlands,1991.】【Xu?W.X.,Chen?H.S.,Lv?Z.An?overlapping?detection?algorithm?for?random?sequential?packing?of?elliptical?particles.Physica?A,390(2011)2452-67.】。對(duì)于孔徑分布的模型分析，已提出的有丟球算法，通過(guò)向模擬結(jié)構(gòu)中依次丟入由大到小的球體，判斷球體是否能夠放入來(lái)計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)的孔徑分布【Ye?G.Experimental?study?and?numerical?simulation?of?the?development?of?the?microstructure?and?permeability?of?cementitious?materials,PhD?thesis,Delft?University?of?Technology,Delft,2003.】。丟球法僅適用于球形粒子堆積模擬的微觀結(jié)構(gòu)，且計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是丟入較小粒徑的球體時(shí)。本發(fā)明的計(jì)算方法不僅可以計(jì)算凸多面體粒子堆積的孔徑分布，且適用于凸多面體粒子堆積的模擬微觀結(jié)構(gòu)，而且相對(duì)已提出的算法而言，計(jì)算時(shí)間大大縮短，提高了計(jì)算效率。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服了原有孔徑分布計(jì)算算法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，效率低，適用性窄等問(wèn)題，而且大大提高了計(jì)算孔徑的效率，能夠合理的計(jì)算出水泥漿體的孔徑分布情況。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出一種計(jì)算凸形多面體粒子堆積體系孔徑分布的方法，通過(guò)將混合相單元格不斷地進(jìn)行劃分最后計(jì)算求得孔徑，包括以下步驟：

步驟1、將水泥漿體假定為三維凸形多面體粒子堆積體系，其微觀結(jié)構(gòu)是由固相和毛細(xì)孔相組成的兩相結(jié)構(gòu)體系；

步驟2、在所述三維凸形多面體粒子堆積體系中確定每一個(gè)凸形多面體的頂點(diǎn)坐標(biāo)和每一個(gè)面的空間方程；

步驟3、在整體坐標(biāo)系中，將三維凸形多面體粒子堆積體系按照邊長(zhǎng)d₁進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑⑶掖_定出每一個(gè)單元格的n個(gè)合適點(diǎn)的坐標(biāo)；d₁＝L/N，N取大于等于2的整數(shù)，L為所述三維凸形多面體粒子堆積體系的邊長(zhǎng)，且d₁≤2μm，2μm為水泥凈漿的最大孔徑；

步驟4、利用單元格n個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)、凸形多面體的頂點(diǎn)坐標(biāo)和每個(gè)平面的空間方程，判斷該單元格與凸形多面體粒子的關(guān)系，從而得出單元格的種類；

步驟5、將其中的混合相單元格按照邊長(zhǎng)d₂進(jìn)行劃分，d₂＝d₁/N’，N’取大于等于2的整數(shù)，不斷將這個(gè)三維連續(xù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行劃分，最終可得出全部孔隙的直徑。

作為優(yōu)選，所述微觀結(jié)構(gòu)的固相為凸形多面體粒子，所述凸形多面體粒子包括正四面體粒子、正六面體粒子、正八面體粒子、正十二面體粒子和正二十面體粒子。