[发明专利]一种构建胶凝材料多孔结构的方法

说明书

本发明公开了一种构建胶凝材料多孔结构的方法，包括以下步骤：1)获取胶凝材料样品，对其进行冷冻干燥；2)取干燥后的样品开展压汞实验，逐步施加压力，计算施加压力与孔隙直径之间的关系；3)将累计孔隙率转换成相对密实度，在双对数坐标系中表示相对密实度与孔隙直径；4)确定相对密实度与孔隙直径呈线性相关的区域，应用最小二乘法计算相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率；5)根据线性相关的范围与斜率确定构建多孔结构的迭代参数，并实现多孔结构可视化；本发明解决了现有技术中基于水化动力学方法存在的假设条件不合理、参数难以测量问题，从而高效构建胶凝材料的多孔结构。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料分析与表征技术领域，尤其涉及一种基于压汞实验数据构建胶凝材料多孔结构的方法。

背景技术

胶凝材料(如水泥)作为一种基础材料，在土木工程建设中占据极其重要的地位。从材料角度来看，胶凝材料本质上具有复杂的多孔结构，并且该多孔结构在很大程度上决定其物理(如传输)、力学(如弹模)性能。换言之，通过构建相应的多孔结构，结合必要的物理(如菲克定律)、力学(如胡克定律)定律，便可合理预测胶凝材料的物理、力学性能，减少性能测试所耗费的大量人力、物力成本；对此，其关键点在于如何构建胶凝材料多孔结构。

当前，国内外研究人员主要基于胶凝材料的水化动力学构建其多孔结构，以荷兰代尔夫特理工大学van Breugel教授提出的HYMOSTRUC3D、美国国家标准与技术研究院Bentz博士提出的CEMHYD3D为代表。该类方法糅合多粒子随机堆积(Particle Packing)与胶凝材料计量化学(Stoichiometry)等理论，在描述胶凝材料的水化历程、构建胶凝材料的多孔结构及预测胶凝材料的综合性能等研究领域取得了巨大的成功。

值得注意的是，该类方法通常存在假设条件不合理、参数难以测量问题。例如，HYMOSTRUC3D假设胶凝材料颗粒为理想的球体，水化时胶凝材料颗粒均匀膨胀；CEMHYD3D胶凝材料水化程度随时间演化方程含有不可测参数；由于假设条件以及参数选择不具有统一的标准，导致不同人员研究结果的横向对比性存在不足；另外，基于水化动力学的方法尚不适用于新型胶凝体系(碱激发胶凝材料)；因此，开发多孔结构的高效构建方法对于胶凝材料研究具有重要意义。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种解决了现有技术中假设条件不合理、参数难以测量的问题，从而达到高效构建胶凝材料的多孔结构模型的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种构建胶凝材料多孔结构的方法，该方法包括如下步骤：

1)按要求制作胶凝材料样品，冷冻干燥后样品待用；

2)将步骤1)得到的样品进行压汞实验，逐步施加压力P，获取累计孔隙率f，计算施加压力P与孔隙直径d之间的关系；

3)将样品的累计孔隙率f转换成相对密实度χ，在双对数坐标系中表示相对密实度χ与孔隙直径d；

4)确定相对密实度χ与孔隙直径d呈线性相关的区域(d₁～d₂)，d₁dd₂，其中d₁表示线性相关的直径下限，d₂表示线性相关的直径上限，应用最小二乘法计算相对密实度χ与孔隙直径d线性相关区域的斜率A；

5)根据线性相关的范围(d₁～d₂)与斜率A确定构建多孔结构的迭代参数(n，i，b)，n表示迭代元在一维方向上的孔隙相和固体相的总数目，i表示迭代次数，b表示迭代元中固体相数目，构建胶凝材料多孔结构的迭代参数的模型图，基于MATLAB软件实现多孔结构可视化。

本发明所述步骤2)的操作过程中，将胶凝材料孔隙视为直径不同的圆柱形，施加压力P与孔隙直径d之间的计算公式如下：其中，γ_s表示汞的表面张力，θ表示汞与孔隙表面的接触角。