一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法技术

一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法。现有孔径分布评估算法主要通过对水泥基多孔材料三维模型执行不同类型的像素化处理来实施孔径分布的计算，受分辨率的限制，基于像素化处理的孔径分布评估算法无法兼备高计算精度与高运行效率。本发明专利技术首先建立球体颗粒堆积几何模型，其次对球心点集执行Delaunay四面体剖分以把堆积模型划分为由多个四面体组成的集合，然后逐一确定集合中四面体的孔隙孔径和孔隙体积，最后进行信息统计并作计算分析，从而获取颗粒堆积模型孔隙结构的孔径分布信息。信息。信息。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法


[0001]本专利技术涉及一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，属于多孔材料孔径分布分析


技术介绍

[0002]水泥基材料是多相、多种粒径尺寸颗粒堆积、内部含有多种孔隙尺寸的不均匀分散体系。如混凝土中骨料要求具有良好的颗粒级配，使堆积孔隙率降低来减少水泥的用量，水泥体系的颗粒紧密堆积效应对新拌浆体的流变性能及硬化浆体强度发展是至关重要，因此，研究水泥基材料颗粒堆积体系的密实度(孔隙率及孔径分布)提高方法一直是本领域的研究热点。现有的确定颗粒堆积多孔材料体系孔径分布的方法有：实验法和数值模拟法。
[0003]传统实验法中常用的方法有压汞法和气体吸附法：该类方法耗费时间的缺陷明显，所需样品尺寸小，代表性差，一次实验要数个小时；此外受试验原理的限制，只能分析指定孔径范围内的孔隙信息，例如压汞法的孔分析范围仅为440微米至3.6纳米，无法全面表征微观三维孔隙结构全部信息。
[0004]得益于迅速发展的数字建模技术，多孔介质材料内部的微观三维孔隙结构得以模拟表征。新兴数值模拟法现在主要依赖于计算机图像分析技术，该技术通过对多孔材料的三维模型进行像素化处理，即将模型划分为若干全等立方体像素，像素的中心点为固体则视该像素为固体，像素的中心点为孔隙则视该像素为孔隙，然后对处理后的多孔材料三维模型进行后续的孔径分布计算。数值模拟法的三维模型是根据扫描电镜结构重构或根据材料结构重新建立的。
[0005]像素化处理后的材料模型所能识别的最小孔隙与选定像素的大小有关：选定的像素越小，所能分析的最小孔隙也越小，建立的多孔材料三维模型也越精细，但与此同时，材料模型的总像素量增加，后续进行孔径分布计算时需要处理的内容越多，整体运算效率下降；选定的像素越大，所能分析的最小孔隙也越大，建立的多孔材料三维模型越粗糙，虽然运算速度快，但是会忽略一些更细孔隙的分布信息，也难以全面且准确地表征微观三维孔隙结构全部信息。
[0006]总之，现有孔径分布评估算法主要通过对颗粒堆积多孔材料三维模型执行不同类型的像素化处理来实施孔径分布的计算，受分辨率的限制，基于像素化处理的孔径分布评估算法无法兼备高计算精度与高运行效率。对具有特殊几何结构的球体堆积体系，采取基于像素化处理的孔径分布分析方法无法同时满足计算结果高精准和运算过程高效率要求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法。
[0008]本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0009]一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，所述球体堆积体系孔径分布计算方法为首先建立球体颗粒堆积几何模型，其次对球心点集执行Delaunay四面体剖分以把
堆积模型划分为由多个四面体组成的集合，然后逐一获取集合中四面体的孔隙孔径和孔隙体积，最后进行信息统计并作计算分析进而获取整体孔隙结构的孔径分布信息。
[0010]作为优选方案：建立球体颗粒堆积几何模型的过程为：
[0011]对于指定球体颗粒粒径分布和孔隙率的体系，首先确定立方体填充空间的尺寸大小，然后把球体颗粒按尺寸从大到小依次投入立方体填充空间中，每个球体颗粒的坐标由蒙特卡洛法随机生成，直至所有颗粒全部投放完毕，形成球体颗粒堆积几何模型。
[0012]作为优选方案：在球体颗粒堆积几何模型的建立过程中，当为不允许颗粒重叠的堆积体系时，则需要执行球体相交检测，即投入第i个球体时，需要对任意小于i的j都满足公式一：
[0013]|(X
i
,Y
i
,Z
i
)
–
(X
j
,Y
j
,Z
j
)|>R
i
+R
j
(1)
[0014]上式中(Xi,Yi,Zi)为第i个投入球体的笛卡尔坐标，(Xj,Yj,Zj)为第j个投入球体的笛卡尔坐标，Ri为第i个投入球体的半径，Rj为第j个投入球体的半径；
[0015]当为允许颗粒重叠的堆积体系时，则无需检测球体相交，直接把所有球体颗粒随机投放到区域内即可。
[0016]作为优选方案：当球体颗粒堆积几何模型为低孔隙率无重叠球体堆积体系时，采取压缩移动策略确保所有球体颗粒在立方体填充空间内处于无重叠容纳状态，从而满足公式一的计算要求，压缩移动策略的操作过程为：
[0017]首先把球体颗粒投入到膨胀的立方体空间中，立方体空间的膨胀可通过放大立方体边长至两倍实现，此时的立方体空间的体积为原来立方体空间体积的八倍，在投入球体颗粒不变的情况下膨胀立方体空间中的填充密度仅为目标填充密度的八分之一，将所有球体颗粒投入到膨胀立方空间中后，再随机移动球体颗粒，确保移动时避免每个被移动的颗粒与其它颗粒发生碰撞；然后，确定所有颗粒两两相互之间的最短表面距离，并用该表面距离除以两个最近颗粒的中心距离，作为压缩率，再按压缩率压缩立方体填充区域，压缩时所有球体颗粒的半径不变，坐标等量缩小；最后，重复执行球体颗粒移动和填充空间压缩两步骤，直至膨胀的立方体空间被压缩至其初始设定大小，至此，完成了目标低孔隙率无重叠球体堆积模型建立过程。
[0018]作为优选方案：基于球体颗粒堆积几何模型，对球心点集执行Delaunay四面体剖分的操作过程为：
[0019]根据球体颗粒堆积几何模型信息，把所有球体中心的坐标进行整理形成二维矩阵，二维矩阵有三列，分别为球心的横坐标、纵坐标和列坐标，矩阵中每一行代表一个球体的球体坐标，采用MATLAB中的Delaunay Triangulation函数作用该二维矩阵，即实现对球心点集的Delaunay四面体剖分；在二维情况下，矩阵只有两列，分别为圆的横坐标集和列坐标集，对矩阵作用Delaunay Triangulation函数以执行对圆心点集的Delaunay三角剖分；
[0020]作为优选方案：对球心点集执行Delaunay四面体剖分后，堆积模型被划分为由多个四面体组成的集合，逐个确定集合中四面体的孔隙孔径和孔隙体积的过程为：
[0021]经Delaunay四面体剖分后的颗粒堆积体系由相互独立、互不重叠的多个四面体组成，其中每个四面体由顶角球体颗粒占据的固相以及孔隙相组成，孔隙相即为四面体减去四个顶角球体颗粒所占据固相的余相，四面体的孔隙相即为四面体孔隙，孔隙相对应的体积即为该四面体的孔隙体积；
[0022]四面体具有四个三角形表面，每个三角形表面由固相和孔隙相组成，其中表面固相为三个角点颗粒在表面上截交的扇形区域总和，表面孔隙相即为该四面体表面减去相应固相的余相；表面孔隙相是连接该四面体孔隙与其临近四面体孔隙的通道最窄处的横截面，即为咽喉横截面；咽喉横截面对应内切圆的尺寸即为四面体孔隙的吼径，因一个四面体有四个表面，即一个四面体孔隙对应有四个咽喉横截面和与四个咽喉横截面一一对应的四个吼径；当把四面体内部孔隙视为一个球形整体时，该球形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，其特征在于：所述球体堆积体系孔径分布计算方法为首先建立球体颗粒堆积几何模型，其次对球心点集执行Delaunay四面体剖分以把堆积模型划分为由多个四面体组成的集合，然后逐一获取集合中四面体的孔隙孔径和孔隙体积，最后进行信息统计并作计算分析，从而获取堆积体系孔隙结构孔径分布信息的过程。2.根据权利要求1所述的一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，其特征在于：建立球体颗粒堆积几何模型的过程为：对于指定球体颗粒粒径分布和孔隙率的体系，首先确定立方体填充空间的尺寸大小，然后把球体颗粒按尺寸从大到小依次投入立方体填充空间中，每个球体颗粒的坐标由蒙特卡洛法随机生成，直至所有颗粒全部投放完毕，形成球体颗粒堆积几何模型。3.根据权利要求2所述的一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，其特征在于：在球体颗粒堆积几何模型的建立过程中，当堆积体系不允许颗粒重叠情况存在时，则需要执行球体相交检测，即投入第i个球体时，需要对任意小于i的j都满足公式一：|(X
i
,Y
i
,Z
i
)
–
(X
j
,Y
j
,Z
j
)|>R
i
+R
j
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(1)上式中(Xi,Yi,Zi)为第i个投入球体的笛卡尔坐标，(Xj,Yj,Zj)为第j个投入球体的笛卡尔坐标，Ri为第i个投入球体的半径，Rj为第j个投入球体的半径；当堆积体系允许颗粒重叠情况存在时，则无需检测球体相交，直接把所有球体颗粒随机投放到区域内即可。4.根据权利要求3所述的一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，其特征在于：当球体颗粒堆积几何模型为低孔隙率无重叠球体堆积体系时，采取压缩移动策略确保所有球体颗粒在立方体填充空间内处于无重叠容纳状态，从而满足公式一的计算要求，压缩移动策略的操作过程为：首先把球体颗粒投入到膨胀的立方体空间中，立方体空间的膨胀可通过放大立方体边长至两倍实现，此时的立方体空间的体积为原来立方体空间体积的八倍，在投入球体颗粒不变的情况下膨胀立方体空间中的填充密度仅为目标填充密度的八分之一，将所有球体颗粒投入到膨胀立方空间中后，再随机移动球体颗粒，并确保移动时避免每个被移动的颗粒与其它颗粒发生碰撞；然后，确定所有颗粒两两相互之间的最短表面距离，并用该表面距离除以两个最近颗粒的中心距离，作为压缩率，再按压缩率压缩立方体填充区域，压缩时所有球体颗粒的半径不变，坐标等量缩小；最后，重复执行球体颗粒移动和填充空间压缩两步骤，直至膨胀的立方体空间被压缩至其初始设定大小，至此，完成了目标低孔隙率无重叠球体堆积模型建立过程。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种水泥基材料颗粒堆积体系孔径分布计算方法，其特征在于：基于球体颗粒堆积几何模型，对球心点集执行Delaunay四面体剖分的操作过程为：根据球体颗粒堆积几何模型信息，把所有球体中心的坐标进行整理形成二维矩阵，二维矩阵有三列，分别为球心的横坐标、纵坐标和列坐标，矩阵中每一行代表一个球体的球体坐标，采用MATLAB中的Delaunay Triangulation函数作用该二维矩阵，即实现对球心点集的Delaunay四面体剖分；在二维情况下，矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建明，李事力，祝基，宋健民，高小建，应伟超，
申请(专利权)人：浙江广天构件集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：