【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水泥材料的计算机模拟领域，特别是涉及一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变的数值模型表征方法。
技术介绍
1、随着双碳战略的提出，国家对于煤炭等资源的开发逐年减少，未来粉煤灰等传统矿物掺合料的产量将无法满足混凝土材料的需求，因而现阶段急需开发一系列新型低碳胶凝材料。以煅烧粘土-石灰石粉-水泥(lc3)体系为代表的硅铝酸盐胶凝体系成为一个新的研究热点，lc3体系通过引入活性铝相与碳酸钙相部分取代硅酸盐水泥体系中的水泥熟料，可以实现50％左右的水泥替代率，从而大大减少水泥基材料的co2排放，同时保持甚至提升水泥基材料的性能。但由于lc3体系组成复杂，其微结构的演变规律难以用试验方法表征，从而限制了这一体系的深入研究。
2、基于计算机数值模拟预测水泥基材料微结构的演变对于混凝土材料的研究具有十分重要的意义。在已有的微结构演变模型中，cemhyd3d是一种基于胶凝材料的颗粒特征与物相组成对水泥基材料微结构进行重构、基于元胞自动机原理模拟水泥水化反应的微结构模型。使用cemhyd3d获得的水化结果被离散为若干体积元可以直接用于水泥基材料传输性能和力学性能的研究。然而当前的微结构数字模型仅考虑了水泥、粉煤灰、矿渣与硅灰的复合胶凝体系，受限于胶凝材料的种类，不能有效地表征硅铝酸盐胶凝体系的水化进程与微结构时空演变过程。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变的数值模型表征方法，将富铝相与碳酸钙相胶凝材料的多组分物相与
2、技术方案：一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，包括以下步骤：
3、步骤1，基于硅铝酸盐胶凝体系的水胶比、胶凝材料的配比与原材料的物理特征，确定微结构中各胶凝材料的理论像素数；对低碳胶凝体系中原材料水泥、富铝相、碳酸钙相、石膏相进行激光粒度测试，基于各胶凝材料的颗粒尺寸、粒径分布、累积分布的激光粒度分析(psd)数据得到微结构样本空间中各胶凝材料待投颗粒的理论尺寸、像素数与数量；
4、基于胶凝材料的微观形貌，判断各原材料形状为球形或非规则形状，选择颗粒重构模式；根据上述计算得到的胶凝材料待投颗粒的理论值，基于胶凝材料颗粒的凸度、长宽比、球形度的形貌特征，在中心像素周围设置特征向量，引导不规则颗粒生长；
5、步骤2，检测步骤1中构建好的待投颗粒的像素信息与理论值的差异，生成单像素颗粒修饰误差；将不规则颗粒随机旋转一定角度，按照颗粒大小顺序降序排列，基于周期性边界规则依次投入三维样本空间；
6、步骤3，对原材料进行xrf、tga定量分析，得到各胶凝材料的矿物组成与化学组成；基于质量守恒定律，对步骤2中于样本空间重构的富铝相颗粒与碳酸钙相颗粒进行活性相与惰性相的物相随机划分；其中，富铝相颗粒采用颗粒内像素按照物相比例划分的方式，分为偏高岭土相(as2)与惰性相；碳酸钙相颗粒采用整个颗粒的像素为同一物相的方式，分为碳酸钙相(caco3)颗粒与惰性相颗粒；
7、步骤4，基于水泥中石膏的含量，随机将部分水泥颗粒转换为石膏颗粒；根据水泥的化学组成通过改进的bogue算法得到水泥矿物组成，基于显微测试得到的水泥颗粒物相分布计算水泥各熟料相的自相关函数，对步骤3中所得富铝相与碳酸钙相已完成分相的微结构中的水泥颗粒进行熟料相划分，得到微结构分相的最终结果；
8、步骤5，基于溶解度定律，对微结构中新增反应物相偏高岭土与碳酸钙添加对应的溶解相；设置新增物相的溶解概率，修改水化模型中物相的溶解-扩散转变过程；基于元胞自动机规则，在水化模型中增加硅铝酸盐胶凝体系中新增物相富铝相、碳酸钙相参与的反应；
9、步骤6，输入时间转换因子、水化起始温度、水化环境温度等水化循环参数，运行步骤5中溶解与水化程序，得到硅铝酸盐胶凝体系微结构的全过程水化结果；基于水化结果，运行可视化程序，得到微结构三维水化结果图，运行性能评估程序，得到微结构的孔隙结构参数、物相时空分布和水化热累积值。
10、由于cemhyd3d微结构模型是将水泥基材料离散为若干体积元，步骤4中基于改进的bogue算法，根据水泥化学组成求得矿物组成的体积分数，改进的bogue算法的具体计算过程如公式(1)所示；
11、
12、其中cao、sio2、al2o3、fe2o3、so3为水泥熟料化学组成的质量分数，vt_c3s、vt_c2s、vt_c3a、vt_c4af、vt_caso4为水泥熟料矿物相的体积分数。
13、步骤5中新增的扩散物相包括：偏高岭土(as2)溶解相、碳酸钙(caco3)溶解相、水化硅铝酸钙(c-a-s-h)溶解相、半碳型水化铝酸钙溶解相、单硫型水化铝酸钙溶解相与水化黄长石(c2ash8)溶解相。
14、步骤5中新增物相富铝相、碳酸钙相参与的反应，具体反应方程式如式(2)～(7)所示，包括：偏高岭土的火山灰反应、偏高岭土与碳酸钙的反应、偏高岭土与石膏的反应、半碳型水化铝酸钙生成单碳型水化铝酸钙的反应与抑制钙矾石转换的反应；
15、as2+3.58ch+6.82h→1.4c1.7a0.3sh4+0.6c2ash8 (2)
16、
17、
18、
19、
20、
21、步骤6中时间转换因子为联系水化程序循环次数与实际水化时长的关键参数，具体转换公式如式(8)所示；
22、
23、其中，tcur为当前实际水化反应累积时间，ncyc为当前运行水化程序的循环次数，βt为时间转换因子，khyd为由范特霍夫方程求得水化反应在不同温度下的平衡常数，具体公式如式(9)所示；
24、
25、其中，eact＝40kj/mol，为水泥水化的表观活化能，tcur为当前胶凝体系的摄氏温度。
26、有益效果：
27、本专利技术将富铝相与碳酸钙相引入cemhyd3d水化微结构模型中，拓展了微结构模型的水化反应机制，建立了硅铝酸盐胶凝体系微结构时空演变数值模型，加深了对硅铝酸盐胶凝体系水化过程的理解，解决了微结构水化模型与低碳胶凝体系不适配的问题，为低碳胶凝材料的研究提供了参考。
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1.一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于：由于CEMHYD3D微结构模型是将水泥基材料离散为若干体积元，因此步骤4中基于改进的Bogue算法，根据水泥化学组成求得矿物组成的体积分数，改进的Bogue算法的具体计算过程如公式(1)所示；
3.根据权利要求1所述的一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于：步骤5中新增的扩散物相包括：偏高岭土(AS2)溶解相、碳酸钙(CaCO3)溶解相、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)溶解相、半碳型水化铝酸钙溶解相、单硫型水化铝酸钙溶解相与水化黄长石(C2ASH8)溶解相。
4.根据权利要求1所述的一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于：步骤5中新增物相富铝相、碳酸钙相参与的反应，具体反应方程式如式(2)～(7)所示，包括：偏高岭土的火山灰反应、偏高岭土与碳酸钙的反应、偏高岭土与石膏的反应、半碳型水化铝酸钙生成单碳型水化铝酸钙的反
5.根据权利要求1所述的一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于：步骤6中时间转换因子为联系水化程序循环次数与实际水化时长的关键参数，具体转换公式如式(8)所示；
...【技术特征摘要】
1.一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于：由于cemhyd3d微结构模型是将水泥基材料离散为若干体积元，因此步骤4中基于改进的bogue算法，根据水泥化学组成求得矿物组成的体积分数，改进的bogue算法的具体计算过程如公式(1)所示；
3.根据权利要求1所述的一种硅铝酸盐低碳胶凝体系微结构时空演变数值模型表征方法，其特征在于：步骤5中新增的扩散物相包括：偏高岭土(as2)溶解相、碳酸钙(caco3)溶解相、水化硅铝酸钙(c-a-s-h)溶解相、半...
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