基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法技术

本发明专利技术涉及基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，包括以下具体步骤：步骤1：对混凝土进行多尺度划分；步骤2：分别计算不同尺度上各物相的结构参数；步骤3：分别计算不同尺度上各物相的弹性模量E；步骤4：基于所述混凝土结构，根据多尺度模型计算超高性能混凝土弹性模量E

【技术实现步骤摘要】
基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法


[0001]本专利技术涉及水泥基材料
，具体涉及基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法
。

技术介绍

[0002]弹性模量作为混凝土结构设计的重要参数，可以反映材料抵抗弹性变形的能力
。
然而，在材料满足设计强度条件时，较低弹性模量会导致混凝土构件刚度偏低，增大荷载作用下的变形而致使构件不能正常使用
。
混凝土弹性模量通常随抗压强度的增加而增大
。
以超高强度
、
高韧性和优异耐久性著称的超高性能混凝土
(Ultra
‑
high performance concrete
，简称
UHPC)
作为一种新型复合水泥基材料，其抗压强度超过
120MPa
，是普通混凝土和高强混凝土的
1.5
倍以上
。
而
UHPC
弹性模量多为
40
‑
55GPa
，仅比普通混凝土高
20
％左右，其增长幅度明显小于抗压强度的增长幅度，给
UHPC
工程应用带来更多的困难
。
为了提高
UHPC
与钢筋的协同工作能力，采用加入添加剂或粗骨料的方法提高其弹性模量
。
[0003]申请公布号为
CN 112897954 A
的专利申请书披露了一项名为“一种高弹性模量超高性能混凝土及制备方法”的专利技术专利，该专利采用纳米
CaCO3制备超高性能混凝土，其最低强度和弹性模量分别为
156.3MPa
和为
50.3GPa
，比现有技术提高了
11
％，具有高弹性模量
。
申请公布号为
CN106517957A
的专利申请书披露了一项名为“一种普通强度高弹性模量混凝土及其制备方法”的专利技术专利，该专利采用石英砂
、
金刚砂
、
玄武岩
、
花岗岩以及刚玉等硬度较高骨料制备普通强度高弹性模量混凝土，混凝土强度等级为
C40
‑
C50
，弹性模量可达
50GPa
以上
。
[0004]当前针对混凝土弹性模量的研究，大多采用宏观试验方法，或采用经验公式根据实测的抗压强度来预测弹性模量
。
由于原材料
、
配合比
、
环境条件
、
测试设备及测试方法，以及操作人员技术等原因，经验公式虽然可以定量估计混凝土弹性模量，但给出的弹性模量结果离散性较大，重复性较低
。
同时，与普通混凝土相比，
UHPC
具有低水胶比和胶凝组分用量高的特点
。
胶凝组分变化必然会导致水泥浆体组成的变化，在计算时不仅要考虑原材料含量的影响，还要考虑微
、
细观参数对微观结构的影响，否则无法描述微
、
细观组分对弹性模量的影响，也不能反映微观结构的复杂性
。
[0005]混凝土是一种非均质的多孔的各向异性材料，其微观组分分布跨越了纳米
、
微米
、
毫米等尺度，其物理和力学性能的预测，本质上可以归结为多个尺度的影响
。
多尺度方法能够考虑不同尺度的结构特征，实现基于微观结构信息获得宏观有效性能的目的
。
将多尺度方法引入到混凝土弹性模量研究中，对于预测与控制混凝土结构的弹性模量
、
评价弹性变形具有重要意义
。CN103105484B
公开硬化普通水泥净浆弹性模量多尺度预测方法，该专利采用多尺度方法预测普通水泥净浆弹性模量，但该方法仅适用于水泥净浆，胶凝材料
、
纤维和界面过渡区物相组分并未予以考虑
。

技术实现思路

[0006](
一
)
解决的技术问题
[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了提供一种基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其根据混凝土微
、
细观结构参数，以及配合比
、
原材料参数，采用多尺度方法即可确定超高性能混凝土弹性模量，所得弹性模量预测值与试验值一致，计算方法简单易实施
。
[0008](
二
)
技术方案
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，包括以下具体步骤：
[0010]S1
：将混凝土按照微观和细观结构组成划分为不同尺度，确定各尺度包含的物相；
[0011]S2
：分别获得
S1
划分的不同尺度中各物相的体积分数；
[0012]S3
：分别获得
S1
划分的不同尺度中各物相的弹性模量；
[0013]S4
：从最小尺度开始向上逐步采用均匀化方法，根据
S2
得到的不同尺度中各物相的体积分数，和
S3
得到的不同尺度中各物相的弹性模量，计算各尺度的弹性模量
E
m
；
[0014][0015]式中：
E
m
为当前尺度的弹性模量
(GPa)
；
K
m
、G
m
分别为体积模量和剪切模量
(GPa)
，分别按下述公式计算
:
[0016][0017][0018]式中：
j
表示为第
j
相；
f
j
为第
j
相的体积分数；下标为0的参数表示为基体的性质；
α
j
和
β
j
为计算参数，可通过下式计算；
[0019][0020][0021]优选的：所述
S1
中混凝土按照微观和细观结构组成划分为不同尺度其具体为从小到大依此划分为尺度Ⅰ、
尺度Ⅱ、
尺度Ⅲ。
[0022]优选的：所述尺度Ⅰ(10
‑6‑
10
‑4m)
包括水化硅酸钙
、
未水化水泥颗粒和毛细孔；
[0023]所述尺度
II(10
‑4‑
10
‑2m)
包括由尺度Ⅰ均匀化后的水泥浆体
、
细骨料
、
纤维和界面过渡区；
[0024]所述尺度
III(10
‑2‑
10
‑1m)
包括由尺度Ⅱ均匀化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1
：将混凝土按照微观和细观结构组成划分为不同尺度，确定各尺度包含的物相；
S2
：分别获得
S1
划分的不同尺度中各物相的体积分数；
S3
：分别获得
S1
划分的不同尺度中各物相的弹性模量；
S4
：从最小尺度开始向上逐步采用均匀化方法，根据
S2
得到的不同尺度中各物相的体积分数，
S3
得到的不同尺度各物相的弹性模量，计算各尺度的弹性模量
E
m
；式中：
E
m
为当前尺度的弹性模量
(GPa)
；
K
m
、G
m
分别为体积模量和剪切模量
(GPa)
，分别按下述公式计算
::
式中：
j
表示为第
j
相；
f
j
为第
j
相的体积分数；下标为0的参数表示为基体的性质；
α
j
和
β
j
为计算参数，可通过下式计算；为计算参数，可通过下式计算；
2.
根据权利要求1所述的基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其特征在于：所述
S1
中混凝土按照微观和细观结构组成划分为不同尺度其具体为从小到大依此划分为尺度Ⅰ、
尺度Ⅱ、
尺度Ⅲ。3.
根据权利要求2所述的基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其特征在于：所述尺度Ⅰ(10
‑6‑
10
‑4m)
包括：水化硅酸钙
、
未水化水泥颗粒和毛细孔；所述尺度
II(10
‑4‑
10
‑2m)
包括由尺度Ⅰ均匀化后的水泥浆体
、
细骨料
、
纤维和界面过渡区；所述尺度
III(10
‑2‑
10
‑1m)
包括由尺度Ⅱ均匀化后的水泥砂浆
、
粗骨料及界面过渡区
。4.
根据权利要求1所述的基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其特征在于：所述
S2
不同尺度中各物相的体积分数包括微观结构的参数和细观结构的参数；所述微观结构的参数包括低密度水化硅酸钙
(LD C
‑
S
‑
H)
的体积分数
f
LD
、
高密度水化硅酸钙
(HD C
‑
S
‑
H)
的体积分数
f
HD
、
水化产物的体积分数
f
hyd
、
未水化水泥熟料的体积分数
f
unhyd
和毛细孔体积分数
f
pore
；所述细观结构的参数包括纤维体积分数
f
sf
、
骨料体积分数
f
agg
、
界面过渡区体积分数
f
ITZ
。5.
根据权利要求4所述的基于微
、
细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其特征在于：所述尺度Ⅰ水泥浆体中
LD C
‑
S
‑
H
的体积分数与混凝土配合比有关，受水灰比
(
水泥与水含量比值
)、
硅灰含量
、
矿粉含量影响；由
Jennings
‑
Tennis
修正模型计算得到公式
(6)
，根据公式
(6)
和
(7)
分别求取
LD C
‑
S
‑
H
和
HD C
‑
S
‑
H
体积分数：
f
LD
＝
1.644w/c
‑
0.057s
f
/c+0.007s
slag
/c
‑
0.149
ꢀꢀꢀ
[R2＝
0.91]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)f
HD
/f
CSH
＝1‑
f
LD
/f
CSH
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
式中：
f
LD
是
LD C
‑
S
‑
H
的体积分数
(
％
)
；
f
HD
是
HD C
‑
S
‑
H
的体积分...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳雪，史才军，黄勇，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：