轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法技术

本发明专利技术提供了一种轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法，在已知水泥净浆微观模型和各类水化物材料性能的基础上，为计算轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量提供一种概念直观，易于掌握使用有限元分析方法。基于已知水泥净浆微观模型和各类水化物材料性能的基础上，借助有限单元仿真技术，计算轴心受力状态下微观模型各单元平均应变，并结合弹性模量基本定义计算水泥浆体微观模型的平均弹性模量，是水泥基材料微观力学理论和有限元技术的结合创新和扩展应用。本发明专利技术可得到水泥净浆早期宏观弹性模量发展规律并为分析水泥水化产物组成、分布以及孔隙率、孔径分布对水泥净浆宏观弹性模量的影响奠定基础。本发明专利技术算法简单、概念清晰、易于使用者掌握和扩展。

【技术实现步骤摘要】
轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法
本专利技术属于水泥基材料早期力学性能仿真
，具体为一种基于水泥净浆微观模型和有限元仿真技术的早期宏观弹性模量计算方法。
技术介绍
研究表明水泥基材料的微观结构对其宏观行为有着决定性作用，对于某一种水泥基材料，其强度、弹性模量、导热系数等宏观性能的发展与其内部微观结构密切联系。因此只有从本质上认识水泥基材料，理解水泥水化过程中材料内部微观结构的组成、分布及其对宏观性能的作用等一套完整的知识体系，才能控制水泥基材料的性能，进而开发高性能材料、绿色环保材料及基于性能设计的材料，为工程应用服务。将微观力学引入水泥浆体、水泥砂浆和混凝土等水泥基复合材料的研究是对水泥基材料性能研究的重大突破。微观力学(micromechanics)理论基于各相几何和物理特性来研究复合材料的物理性能。其中，预测弹性模量的微观力学模型常采用解析法，包括Mori-Tanaka理论、Hashin-Shtrikman上下限理论、自洽法和改进直接法。解析法的应用使从结构组成出发预测多相多尺度水泥基材料的宏观弹性模量成为现实。但目前另一种常用分析方法——有限元理论在水泥基材料微观结构分析中应用较少。而有限元理论具有解析法所不具备的概念直观，易于掌握使用的优点。因此探讨有限元理论在水泥基材料微观力学领域的应用，通过有限单元法预测水泥基材料宏观力学性能，是一种新方法的尝试。对于开展水泥基材料早期宏观性能发展机理研究具有十分重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法，在已知水泥净浆微观模型和各类水化物材料性能的基础上，为计算轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量提供一种概念直观，易于掌握使用有限元分析方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法，基于已知水泥净浆微观模型和各类水化物材料性能的基础上，借助有限单元仿真技术，计算轴心受力状态下微观模型各单元平均应变，并结合弹性模量基本定义计算水泥浆体微观模型的平均弹性模量。具体在水泥水化各阶段中，提取含有水泥净浆内部微观结构组成和分布信息的水泥净浆微观模型，于模型顶面施加微小均布荷载，通过有限元基本理论，计算模型各单元应变值，得到模型的平均应变；最后根据弹性模量的基本定义求解各水化阶段水泥净浆弹性模量，分析水泥净浆早期宏观弹性模量发展规律。水泥净浆微观模型包括低密度C-S-H单元、高密度C-S-H单元、CH单元、水化硫铝酸钙单元、毛细孔单元、自由水单元以及未水化水泥颗粒单元，全面考虑水泥净浆水化过程中微观结构的组成和分布。以下针对本专利技术方法做进一步说明，具体内容如下：一、水泥净浆微观结构水泥净浆微观结构组成可以分为：水化产物、孔、水和未水化的水泥颗粒。(1)水化产物：主要包括水化硅酸钙凝胶C-S-H、CH和水化硫铝酸钙。其中水化硅酸钙凝胶C-S-H为最主要的水化产物，占水化水泥浆体体积的50～60％，是水泥浆体中决定硬化水泥浆体物理结构和性能的主要成分。根据C-S-H中凝胶孔隙率大小，C-S-H可分为低密度C-S-H(LDC-S-H，凝胶孔隙率为37％)和高密度C-S-H(HDC-S-H，凝胶孔隙率为24％)，低密度C-S-H和高密度C-S-H的弹性模量略有不同。氢氧化钙CH是水泥净浆的第二大水化产物，最新的研究表明氢氧化钙占水化水泥浆体体积的15％。水化硫铝酸钙是水泥浆体的次要组成成分，占水化水泥浆体体积的10～15％。(2)孔：孔隙是水泥浆体的主要组成成分之一，其微观结构对水泥浆体的物理力学性能产生重要的影响。孔隙分类两类：毛细孔和凝胶孔，毛细孔对水泥浆体的强度、渗透性有一定影响。凝胶孔被认为是C-S-H的一部分，位于C-S-H所占的体积内部。通常认为孔隙率是决定强度的最为重要的单因素。(3)一般情况下水泥浆体中的水分为三种状态：化学结合水、物理吸附水和自由水。其中化学结合水是水化反应形成的水化产物的一部分；物理吸附水是指存在于凝胶中的物理水，和化学结合水一样，都属于水化硅酸钙凝胶C-S-H的一部分，对浆体结构和性能无直接影响；自由水是水泥浆体中尚未参与水化反应或反应后多余的水，宏观性能的产生、发展和变化具有重要的作用。(4)残留未水化水泥颗粒：水泥颗粒的粒径普遍在0.1～100μm范围内，平均粒径约为10～15μm，其中较大的水泥颗粒很难完全水化，因此在水化过程中水泥浆体内不可避免地含有一定量残留的未水化水泥颗粒。基于水泥净浆微观结构的组成，本专利技术涉及水泥净浆微观有限元模型中包括低密度C-S-H单元、高密度C-S-H单元、CH单元、水化硫铝酸钙单元、毛细孔单元、自由水单元以及未水化水泥颗粒单元。二、有限元基本理论本专利技术涉及有限元模型中单元采用空间8节点六面体单元，如附图1所示。有限单元法根据虚功原理建立的非线性有限元平衡方程为：[K]{δ}＝{P}(1)式中，[K]为结构整体刚度矩阵；{δ}为节点位移列阵；{P}为节点荷载列阵。求解方程(1)可得模型各节点位移矩阵{δ}，然后进行单元分析，即根据单元的节点位移列阵{δ}e确定单元的位移分量列阵{f}、应变分量列阵{ε}。空间8节点等参单元的位移模式和坐标变换式分别为以及式中，ui、vi、wi以及xi、yi、zi(i＝1,2,…,8)分别为8个节点的节点位移分量与节点整体坐标分量，Ni为形函数，采用单元的局部坐标ξ、η、ζ表示，即得将式(4)代入式(2)得根据弹性力学的几何方程，应变的计算公式如下{ε}＝[B]{δ}e(6)式中，[B]为应变矩阵。三、轴心受力构件弹性模量计算在宏观层次上，水泥净浆视为均质材料，在轴心受力状态下，根据材料力学中弹性模量的定义：E＝σ/ε(7)式中，σ为试件的平均应力，MPa；ε为试件的平均应变。本专利技术提及的水泥净浆有限元微观模型由低密度C-S-H单元、高密度C-S-H单元、CH单元、水化硫铝酸钙单元、毛细孔单元、自由水单元以及未水化水泥颗粒单元组成，各类单元弹性模量不同；因此在轴心荷载作用下，各单元的应变不同；为计算整个试件的平均应变，取试件1/4高度处截面、1/2高度处截面、3/4高度处截面以及顶面各单元的应变进行加权平均，得到各截面处平均应变...

【技术保护点】
一种轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法，其特征在于：基于已知水泥净浆微观模型和各类水化物材料性能的基础上，借助有限单元仿真技术，计算轴心受力状态下微观模型各单元平均应变，并结合弹性模量基本定义计算水泥浆体微观模型的平均弹性模量。

【技术特征摘要】
1.一种轴心受力状态下水泥净浆早期宏观弹性模量计算方法，其特征在于：基于已知水泥净浆微观模型和各类水化物材料性能的基础上，借助有限单元仿真技术，在水泥净浆有限元微观模型上选...

【专利技术属性】
技术研发人员：王潘绣，赵海涛，宣卫红，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：