[發明專利]一種硬化水泥砂漿熱膨脹系數的多尺度預測方法

有效

• 申請號: 202010317379.4
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111462839B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 曹秀麗;高健;杜文學;吳倩;趙夢雅;張優格;胡麗曉;黃詩如
• 申請（專利權）人: 浙江水利水電學院
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/20;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種硬化水泥砂漿熱膨脹系數的多尺度預測方法，該方法首先對硬化水泥砂漿進行多相多尺度劃分；計算不同尺度上各組成相的相對體積含量；從最小尺度開始逐步向大尺度均勻化各尺度的彈性模量參數和溫度應力系數；計算最大尺度的硬化水泥砂漿的熱膨脹系數。本發明根據水泥砂漿的微觀結構組成及各組成相的彈性性能及熱學性能，包括水泥砂漿的配合比、水泥化學組成、砂的種類，采用多尺度方法確定熱膨脹系數，為水泥基材料力學、變形性能研究、數值仿真分析以及結構設計提供準確參數；建立硬化水泥砂漿熱膨脹系數的多尺度預測模型，實現基于微觀結構對水泥砂漿宏觀性能的預測，解決水泥砂漿熱膨脹系數影響因素眾多的問題。

技術領域

本發明屬于水泥基材料的多尺度計算分析領域，尤其涉及一種硬化水泥砂漿熱膨脹系數的多尺度預測方法。

背景技術

熱膨脹系數是水泥基材料最基本和最重要的熱物理特性參數之一，熱膨脹系數直接決定了溫度變形的大小。國內外對水泥砂漿熱膨脹系數的研究集中于宏觀試驗方法，由于原材料、配合比、環境條件、測試設備及測試方法以及試驗人員操作技術等原因，給出的熱膨脹系數離散性較大。

復合材料的總體性能取決于組成材料的性能、幾何形態以及拓撲結構。水泥砂漿是一種復雜的非均勻多孔介質材料，其組成物質繁多，固、液、氣三相共存，并且無序分布，這些物質分布的尺度范圍廣，從納米到微米、毫米都有分布，而且其組成結構在水化過程發生較大變化。多尺度方法可以考慮不同尺度上的組成材料特征，實現從微觀-細觀-宏觀的材料性能模擬，建立材料組成成分性能、微觀結構與宏觀性能之間的關系，并從根本上解釋材料宏觀性能的變化機理，這對于促進材料研究具有重大意義。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種硬化水泥砂漿熱膨脹系數的多尺度預測方法。本發明根據水泥砂漿的配合比、水泥化學組成、砂的種類等參數，采用多尺度方法即可確定熱膨脹系數，從而為水泥基材料力學、變形性能研究、數值仿真分析以及結構設計提供準確參數。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種硬化水泥砂漿熱膨脹系數的多尺度預測方法，包括以下步驟：

(1)將水泥砂漿按照微觀結構組成劃分為不同尺度，不同尺度包含不同物相。

(2)分別獲得步驟(1)劃分的不同尺度中不同物相的體積百分含量。

(3)從最小尺度開始向上逐步采用均勻化方法，根據步驟(2)得到的不同尺度中不同物相的體積百分含量計算各尺度的體積模量

其中，k_r、f_r分別為尺度X第r個物相的體積模量、體積分數等；k₀為尺度X參考介質的體積模量，g₀為尺度X參考介質的剪切模量；最終得到水泥砂漿的體積模量

(4)從最小尺度開始向上逐步采用均勻化方法，根據步驟(2)得到的不同尺度中不同物相的體積百分含量計算各尺度的溫度應力系數

其中，κ_r為尺度X第r個物相的溫度應力系數；最終得到水泥砂漿的溫度應力系數

(5)根據步驟(3)和步驟(4)得到的水泥砂漿的體積模量和溫度應力系數計算水泥砂漿的熱膨脹系數α_M：

進一步地，所述步驟(1)具體為：將水泥砂漿按照微觀結構組成從小到大依次劃分為尺度Ⅰ、尺度Ⅱ、尺度Ⅲ、尺度Ⅳ、尺度Ⅴ等五個尺度；所述尺度Ⅰ包括水化硅酸鈣基本塊和納米孔；所述尺度Ⅱ包括尺度Ⅰ均勻化后的水化硅酸鈣固相和凝膠孔；所述尺度Ⅲ包括尺度Ⅱ均勻化后的高密度水化硅酸鈣和尺度Ⅱ均勻化后的低密度水化硅酸鈣；所述尺度Ⅳ包括尺度Ⅲ均勻化后的水化硅酸鈣、氫氧化鈣、未水化的水泥顆粒、鋁酸鹽和毛細孔；所述尺度Ⅴ包括尺度Ⅳ均勻化后的水泥凈漿和砂。