[发明专利]一种计算凸形多面体粒子堆积体系孔径分布的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种计算凸形多面体粒子堆积体系孔径分布的方法。

背景技术

水泥浆体的孔隙结构是关系到土木工程材料的渗透性，强度和耐久性的关键因素。当材料受到外部荷载，冻融循环和各种盐类侵蚀时，材料的内部结构会发生严重变化。为了提高材料的各项性能，使材料在受到损伤时具有足够的抵抗能力，需要对材料的内部结构有一定深入的了解，孔径分布是材料结构的重要参数之一。

通过压汞法，氮气吸脱附法，微观扫描电镜和热孔计法等试验可以得到水泥浆体内部的孔径分布情况，但是这些试验结果往往受制于试验条件和试验手段，且试验过程中会对水泥浆体内部的孔隙结构有破坏作用。为把人力和资源从大量试验中解脱出来，从本质上把握材料的结构性能变化规律，用于模拟材料微细观结构的计算机模型研究成为当前的一个研究热点。水泥水化后，内部结构非常复杂，包含大量未水化的水泥颗粒，内部和外部的水化产物。这些固体之间相互交错连接，中间形成大量的孔隙。为了研究这些孔隙的大小，需要将固体或孔隙进行简化，即将水泥浆体简化为规则的三维立体体系，而这些固体简化为凸多面体粒子，杂乱无序的排列在三维体系中，而凸多面体粒子间隙即为所要研究的孔相，其大小即为孔径。基于凸多面体粒子的蒙特卡罗法堆积及相应的水化反应，得到混凝土的模拟微观及细观结构【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.】。对于孔径分布的模型分析，已提出的有丢球算法，通过向模拟结构中依次丢入由大到小的球体，判断球体是否能够放入来计算模拟结构的孔径分布【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.】。丢球法仅适用于球形粒子堆积模拟的微观结构，且计算量大，计算时间较长，尤其是丢入较小粒径的球体时。本发明的计算方法不仅可以计算凸多面体粒子堆积的孔径分布，且适用于凸多面体粒子堆积的模拟微观结构，而且相对已提出的算法而言，计算时间大大缩短，提高了计算效率。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题在于克服了原有孔径分布计算算法计算时间长，效率低，适用性窄等问题，而且大大提高了计算孔径的效率，能够合理的计算出水泥浆体的孔径分布情况。

技术方案：本发明提出一种计算凸形多面体粒子堆积体系孔径分布的方法，通过将混合相单元格不断地进行划分最后计算求得孔径，包括以下步骤：

步骤1、将水泥浆体假定为三维凸形多面体粒子堆积体系，其微观结构是由固相和毛细孔相组成的两相结构体系；

步骤2、在所述三维凸形多面体粒子堆积体系中确定每一个凸形多面体的顶点坐标和每一个面的空间方程；

步骤3、在整体坐标系中，将三维凸形多面体粒子堆积体系按照边长d₁进行单元划分，并且确定出每一个单元格的n个合适点的坐标；d₁＝L/N，N取大于等于2的整数，L为所述三维凸形多面体粒子堆积体系的边长，且d₁≤2μm，2μm为水泥净浆的最大孔径；

步骤4、利用单元格n个点的坐标、凸形多面体的顶点坐标和每个平面的空间方程，判断该单元格与凸形多面体粒子的关系，从而得出单元格的种类；

步骤5、将其中的混合相单元格按照边长d₂进行划分，d₂＝d₁/N’，N’取大于等于2的整数，不断将这个三维连续结构体系进行划分，最终可得出全部孔隙的直径。

作为优选，所述微观结构的固相为凸形多面体粒子，所述凸形多面体粒子包括正四面体粒子、正六面体粒子、正八面体粒子、正十二面体粒子和正二十面体粒子。