一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，包括以下步骤：获取水泥基材料样品，取干燥后的样品开展压汞实验，计算累计孔隙率与孔隙直径之间的关系，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，确定相对密实度与孔隙直径呈线性相关的区域，得出相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率，根据线性相关的范围与斜率确定水泥基材料多孔结构的特征参数，基于等效介质理论，通过迭代计算获得水泥基材料的弹性模量；本发明专利技术解决了基于水化动力学和细观力学预测水泥基材料弹性模量存在的参数设置过多问题，从而建立由水泥基材料多孔结构的特征参数预测弹性模量的简单解析方法。

A method for predicting elastic modulus of cement-based materials based on mercury intrusion test

The invention discloses a method for predicting the elastic modulus of cement-based materials based on the mercury pressure test, including the following steps: obtaining the sample of the cement-based material, taking the dried samples to carry out the mercury pressure test, calculating the relationship between the cumulative porosity and the pore diameter, changing the cumulative porosity to the relative density, and in the double logarithmic coordinates. The relative density and pore diameter are expressed in the system, and the relative density is linearly related to the pore diameter. The slope of the relative density and the pore diameter is obtained. The characteristic parameter of the porous structure of the cement based material is determined according to the range and slope of the linear correlation. The elastic modulus of cement based materials is obtained by generation calculation; the invention solves the problem of excessive parameter setting based on the hydrodynamic and meso mechanics prediction of the elastic modulus of the cement based material, thus establishing a simple analytical method for predicting the modulus of elasticity by the characteristic parameters of the porous structure of the cement-based material.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法
本专利技术涉及无机非金属材料分析与表征
，尤其涉及一种基于压汞实验分析与表征水泥基材料性能指标的方法。
技术介绍
对于水泥基材料而言，其弹性模量(杨氏模量、体变模量、剪切模量)在结构设计与分析中占有重要的地位。鉴于弹性模量的重要性，水泥基材料的已有研究成果提出了多种预测方法。总体来说，当前预测方法可以分为两大类：解析方法及数值方法。解析法基于水泥基材料的几何、物理特征建立合适的细观力学方法；相较于解析方法，数值方法直接求解基本的刚性方程、依赖于计算机的强大计算能力。大量研究结果表明，各种预测方法的精度主要取决于对水泥基材料多孔结构表征的精度。水泥基材料多孔结构表现出极其复杂的非均质特征，通常跨越从纳米至微米多个尺度。在纳米尺度上，大约5纳米大小的基本单元堆积成多孔结构的水化硅酸钙凝胶；在微米尺度上，水化产物(水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、钙矾石)和未水化熟料的无序堆积形成毛细孔结构。因此，对于水泥基材料，精确地表征多孔结构以及预测弹性模量需要从根本上解决多尺度问题。例如，两尺度均匀化方法是常用的一种方法，该方法对纳米尺度的水化硅酸钙凝胶和微观尺度的水泥浆体分别使用Mori-Tanaka方法和自洽理论。值得注意的是，多尺度方法在从纳米尺度到微米尺度进行跨尺度描述时需要设置大量的参数，而相当的参数在实验中难以直接测量。另外，多尺度方法存在效率较低、可操作性不好等问题，特别是对于掺有矿物掺合料的水泥基复合材料。近年来，研究人员发现水泥基材料多孔结构存在着显著的自相似特征，进而发展出一种几何方法来描述及构建胶凝材料的多孔结构。该种几何方法解决了多尺度方法存在的效率较低、可操作性不好等问题，从而高效构建胶凝材料的多孔结构。由此，结合细观力学方法(如等效介质理论)，基于该种几何方法构建的水泥基材料多孔结构也为预测水泥基材料的弹性模量提供了一种可行性。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术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，从而建立水泥基材料弹性模量的简单解析方法。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，该方法包括如下步骤：1)按要求制作水泥基材料样品，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，计算累计孔隙率f与孔隙d直径之间的关系；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)，d1<d<d2，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数学参数(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；6)基于等效介质理论，由多孔结构特征参数(n，i，b)及固体相弹性模量(剪切模量G0，体变模量K0)通过迭代计算获得水泥基材料的弹性模量。本专利技术所述步骤2)的操作过程中，将水泥基材料孔隙视为直径不同的圆柱形，样品累计孔隙率f与孔隙d直径之间的计算公式如下：其中，γs表示汞的表面张力，θ表示汞与孔隙表面的接触角。本专利技术所述步骤3)的操作过程中，将样品的累计孔隙率f转换成相对密实度χ的计算公式如下：χ＝1-f。本专利技术所述步骤4)的操作过程中，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的计算公式如下：其中，∑表示求和，S表示样本数量。本专利技术所述步骤5)的操作过程中，所述的n，i，b均为正整数。本专利技术所述骤5)的操作过程中，构建多孔结构的数学参数n与i的计算方法如下：本专利技术所述步骤5)的操作过程中，构建多孔结构的数学参数b的计算方法如下：(b＝n3-A)。本专利技术的步骤6)的操作过程中，由纳米压痕测试实验获取固体相剪切模量为G0，测得固体体变模量为K0。本专利技术的步骤6)的操作过程中，所述的基于等效介质理论，将固体相视为基体相，将孔隙相视为分布相，孔隙相的体积分数c＝1-b/n3。经过一次迭代后，迭代相的弹性模量计算公式如下：其中G1，K1为经过1次迭代后迭代相的剪切模量与体变模量。基于等效介质理论，将迭代相视为基体相，将孔隙相视为分布相，孔隙相的体积分数c＝1-b/n3。经过i次迭代后，迭代相的弹性模量计算公式如下：其中Gi，Ki为经过i次迭代后迭代相的剪切模量与体变模量；Gi-1，Ki-1为经过i-1次迭代后迭代相的剪切模量与体变模量。经过i次迭代后，迭代相即代表所研究的水泥基材料多孔结构的整体构造，由此水泥基材料整体的剪切模量和体变模量分别为Gi，Ki。本专利技术的优点在于：本专利技术相比于现有技术中基于水化动力学和细观力学方法存在的参数设置过多问题，在高效构建水泥基材料多孔结构的基础上建立预测弹性模量的解析方法。本专利技术的方法应用的压汞实验是水泥基材料研究中一种通用的技术手段，根据该压汞实验测得的实验数据，通过对数据的处理，最终得出水泥基材料弹性模量的理论数据，通过该数据与最终测定的测试值进行对比，本专利技术的水泥基材料弹性模量的理论数据与最终的测定的数据基本相同，大大减少了最终测定的工作量，本专利技术的方法是高效的，适用于不同人员研究结果之间的横向对比。本专利技术的方法中整体流程中采用统一的数学公式开展迭代计算，不含有任何不合理的假设条件或难以测量的实验参数，对开发多孔结构的高效构建方法、建立弹性模量的简单解析方法对于水泥基材料性能研究具有重要意义。附图说明图1为本专利技术实例中水泥矿渣浆体压汞实验数据图；图2为本专利技术实例中水泥矿渣浆体压汞实验的数据分析图；图3为本专利技术实例中构建水泥矿渣浆体多孔结构的数学参数示意图；图4为本专利技术实例中构建水泥矿渣浆体多孔结构的模型图；图5为本专利技术实例中预测水泥矿渣浆体弹性模量的迭代示意图；图6为本专利技术实例中水泥矿渣浆体弹性模量预测值与超声波测试值的比较。具体实施方式下面结合附图说明和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的描述。本专利技术的实施例中提及的水泥基材料主要由水泥及矿物掺合料(如粒化高炉矿渣)加水拌合配制。养护硬化后的水泥基材料多孔结构包含有凝胶孔及毛细孔。水泥基材料的孔隙体现为复杂的几何形貌与随机的空间分布。压汞实验由于原理及设备较为简单，被广泛运用于水泥基材料的孔隙分布表征，是水泥基材料研究领域的一种常规测试手段。实施例1：如图1、2、3和4所示的一种构建水泥基材料多孔结构的方法，包括如下：1)获取水泥基材料样品，对其进行冷冻干燥：将水泥、矿渣粉与水拌合，在标准养护室内养护28天。取养护后的水泥矿渣浆体小块(约0.5cm3)若干，将其置于液氮气氛中冷冻(约2～3min)，然后再置于真空干燥箱内抽真空，每24h记录水分丢失的重量，直至达到0.01％/天，整个干燥过程持续约1周。2)取干燥后的样品开展压汞实验，逐步施加压力，计算累计孔隙率与孔隙直径之间的关系：取干燥后的样品开展压汞实验，外加压力P范围为0～206MPa，获取累计孔隙率f，即f(P)；将水泥基材料孔隙视为直径不同的圆柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，制作水泥基材样品，得出样品多孔结构的特征参数，其特征在于，由水泥基材样品多孔结构的特征参数(n，i，b)及固体相弹性模量(G0，K0)通过迭代计算，获得水泥基材料的弹性模量；其中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，G0和K0均由纳米压痕测试实验获取，G0表示剪切模量，K0表示体变模量。

【技术特征摘要】
1.一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，制作水泥基材样品，得出样品多孔结构的特征参数，其特征在于，由水泥基材样品多孔结构的特征参数(n，i，b)及固体相弹性模量(G0，K0)通过迭代计算，获得水泥基材料的弹性模量；其中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，G0和K0均由纳米压痕测试实验获取，G0表示剪切模量，K0表示体变模量。2.如权利要求1所述的基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：1)按要求制作水泥基材料样品，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，计算累计孔隙率f与孔隙d直径之间的关系；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)，d1<d<d2，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确定水泥基材料多孔结构的特征参数(n，i，b)；6)基于等效介质理论，由多孔结构特征参数(n，i，b)及固体相弹性模量(G0，K0)通过迭代计算获得水泥基材料的弹性模量。3.如权利要求2所述的基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，其特征在于，所述步骤2)的操作过程中，将水泥基材料孔隙视为直径不同的圆柱形，样品累计孔隙率f与孔隙d直径之间的计算公式如下：其中，γs表示汞的表面张力，θ表示汞与孔隙表面的接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32