一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法技术

本发明专利技术公开了一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，该预测计算方法包括(1)根据材料组成与代表性体积单元(RVE)尺寸，确定求解对象的结构类型；(2)根据求解对象的结构类型，将RVE单元内部组分划分为基质相与夹杂相；(3)根据基质相的体积含量、弹性参数以及夹杂相的形貌、弹性参数、体积含量，计算所有夹杂相的局部应变集中张量；(4)根据所有夹杂相的局部应变集中张量，利用平均场理论计算RVE的弹性参数。相比常规试验方式如经验公式方法、有限元计算法，该方法不仅更适用于多种掺杂的超高性能混凝土复合材料，而且还能提高对不同尺度下混凝土弹性参数计算效率。对不同尺度下混凝土弹性参数计算效率。对不同尺度下混凝土弹性参数计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法


[0001]本专利技术涉及一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，属于建筑材料领域。

技术介绍

[0002]将混凝土材料运用与工程中时，为保证结构安全需要对材料的力学性能有充分把握，其中尤其弹性性能对于结构变形有重要影响。由于混凝土弹性性能是不同尺度下材料性能贡献的宏观表现，因此其弹性性能难以把握。尤其加入纤维后所形成的超高性能混凝土来说，弹性性能预测计算较为困难。
[0003]传统超高性能混凝土弹性模量预测是建立在经验公式上进行的，但这种方法一方面对构件尺寸有要求，难以深入把握混凝土内部微结构对力学性能演化规律的影响；另一方面也会耗费大量的试验成本，依托数据累积所形成的材料设计
‑
弹性模量量化关系对混凝土的弹性性能预测缺乏足够的可靠度。为此，亟需开发预测精度高的超高性能混凝土复合材料的多尺度弹性模量预测计算框架，从而可为基于材料配比的混凝土力学性能设计的实现提供技术支撑。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的：本专利技术的目的是提供一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，解决现有经验公式试验成本高、量化精度低的问题。
[0005]技术方案：本专利技术所述一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，包括如下步骤：
[0006](1)根据超高性能混凝土的组分及代表性体积(RVE)单元的尺寸区间确定求解对象的结构类型，所述求解对象的结构类型为四个尺度：纳观尺寸水化硅酸钙(C
‑
S
‑
H)结构、微观水泥石结构、细观砂浆结构、宏观超高性能混凝土结构；
[0007](2)根据求解对象的结构类型，将RVE单元内部组分划分为基质相与夹杂相；
[0008](3)根据基质相的体积含量、弹性参数以及夹杂相的形貌、弹性参数、体积含量，计算所有夹杂相的局部应变集中张量；
[0009](4)根据所有夹杂相的局部应变集中张量，利用平均场理论计算RVE的弹性参数。
[0010]其中，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为高密C
‑
S
‑
H和低密C
‑
S
‑
H，RVE单元尺寸区间为0.001～0.1μm时，求解对象的结构类型为纳观尺寸C
‑
S
‑
H结构。
[0011]其中，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为C
‑
S
‑
H、未水化颗粒、细砂，RVE单元尺寸区间为0.1μm～0.1mm时，求解对象的结构类型为微观水泥石结构。
[0012]其中，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为水泥石、细骨料，RVE单元尺寸区间为0.1mm～10mm时，求解对象的结构类型为细砂浆结构。
[0013]其中，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为砂浆、纤维，RVE单元尺寸区间为>10mm时，求解对象的结构类型为宏观超高性能混凝土结构。
[0014]其中，步骤(2)中，对于求解对象为纳观尺寸C
‑
S
‑
H结构时，RVE单元内部的基质相为高密C
‑
S
‑
H，夹杂相为低密C
‑
S
‑
H。
[0015]其中，步骤(2)中，对于求解对象为微观水泥石结构时，RVE单元内部的基质相为C
‑
S
‑
H，夹杂相为未水化颗粒、细砂和孔隙。
[0016]其中，步骤(2)中，对于求解对象为细砂浆结构时，RVE单元内部的基质相为水泥石，夹杂相为细骨料、骨料
‑
水泥石ITZ过渡区和空气孔隙。
[0017]其中，步骤(2)中，对于求解对象为宏观超高性能混凝土结构时，RVE单元内部的基质相为砂浆，夹杂相为纤维。
[0018]其中，步骤(3)中，基质相和夹杂相的弹性参数均包括弹性模量和泊松比；基质相和夹杂相的体积含量均是各相体积与该结构时RVE单元下的总相体积之比。
[0019]其中，步骤(3)中，夹杂相的形貌通过对其三维形状进行近似化处理，夹杂形貌对构件的影响通过Eshelby张量在局部应变集中张量T
r
中体现。
[0020]其中，低密C
‑
S
‑
H、孔隙、未水化颗粒、细骨料、细砂等以圆形夹杂形式考虑其对代表性体积单元的影响，纤维则根据长径比以长椭球形夹杂形式考虑其对代表性体积单元的影响。
[0021]其中，步骤(3)中，夹杂相的形貌通过对其三维形状进行近似化处理，夹杂形貌对构件的影响通过Eshelby张量在局部应变集中张量T
r
中体现：
[0022]当夹杂相为球形夹杂时，局部应变集中张量T
r
公式如式(1)：
[0023][0024]式中，S
r
为Eshelby张量，L
r
为夹杂相的刚度张量，L0为基体相的刚度张量，I为单位张量矩阵。
[0025]当夹杂相为椭球形夹杂时，局部应变集中张量T
r
需进行平均化后得到，如式(2)：
[0026]T
r
＝[(1
‑
α)(T
lo
)
‑1+α(T
up
)
‑1]‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0027]式中，为夹杂局部应变集中张量下限，为夹杂局部应变集中张量下限，为夹杂局部应变集中张量上限，α＝x
r
(1+c
r
)/2为平滑系数，其中，x
r
为夹杂相的体积含量，S
r
为夹杂相的椭球形Eshelby张量，L
r
为夹杂相的刚度张量，L0为基体相的刚度张量，I为单位张量矩阵。
[0028]其中，步骤(4)中，将夹杂相局部应变集中张量带入平均场中，通过式(3)计算RVE的弹性参数：
[0029][0030]式中，c
r
为RVE单元内各相(基质相或各夹杂相)的体积含量；L
r
为RVE单元内各相(基质相或各夹杂相)的刚度张量，T
r
为RVE单元内各相(基质相或各夹杂相)的局部应变集中张量，c
n
为RVE单元内各相(基质相或各夹杂相)的体积含量，T
n
为RVE单元内各相(基质相或各夹杂相)的局部应变集中张量。其中，当基质相的局部应变集中张量为T0，则T0＝I。
[0031]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：
[0032]本专利技术可以基于原料配比对不同尺度下混凝土结构的弹性模量进行预测，充分考
虑了材料配比与力学性能对构件的影响。相比常规试验方式如经验公式方法、有限元计算法，不仅更适用于多种掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据超高性能混凝土的组分及RVE单元的尺寸区间确定求解对象的结构类型，所述求解对象的结构类型为四个尺度：纳观尺寸C
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S
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H结构、微观水泥石结构、细观砂浆结构、宏观超高性能混凝土结构；(2)根据求解对象的结构类型，将RVE单元内部组分划分为基质相与夹杂相；(3)根据基质相的体积含量、弹性参数以及夹杂相的形貌、弹性参数、体积含量，计算所有夹杂相的局部应变集中张量；(4)根据所有夹杂相的局部应变集中张量，利用平均场理论计算RVE的弹性参数。2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，其特征在于，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为高密C
‑
S
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H和低密C
‑
S
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H，RVE单元尺寸区间为0.001～0.1μm时，求解对象的结构类型为纳观尺寸C
‑
S
‑
H结构。3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，其特征在于，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为C
‑
S
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H、未水化颗粒、细砂，RVE单元尺寸区间为0.1μm～0.1mm时，求解对象的结构类型为微观水泥石结构。4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，其特征在于，步骤(1)中，当超高性能混凝土的组分为水泥石、细骨料，RVE单元尺寸区间为0.1mm～10mm时，求解对象的结构类型为细砂浆结构，当超高性能混凝土的组分为砂浆、纤维，RVE单元尺寸区间为>10mm时，求解对象的结构类型为宏观超高性能混凝土结构。5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，其特征在于，步骤(2)中，对于求解对象为纳观尺寸C
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S
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H结构时，RVE单元内部的基质相为高密C
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S
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H，夹杂相为低密C
‑
S
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H。6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土多尺度下的弹性模量预测计算方法，其特征在于，步骤(2)中，对于求解对象为微观水泥石结构时，RVE单元内部的基质相为C
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S
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H，夹杂相为未水化颗粒、细砂和孔隙。7.根据权利要求1所述的超高性能混凝土多...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋金洋，罗齐，苏伟，陈兆毅，魏峰，王凤娟，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司中国铁路设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：