水泥石弹性模量预测的数值模拟方法

论文摘要

计算机技术已被广泛应用于水泥基材料的微观结构模拟中，通过计算机模拟来研究水泥石微观结构的发展及其主要影响因素以提高水泥基材料的整体性能已成为重要的研究课题。水泥石宏观物理力学性能取决于它的微观结构，如孔结构、界面过渡区、组分等，是水泥基材料优化设计的重要参数。本文提出了水泥水化二维模拟算法。通过引入周期性边界条件，获得了正方形单元上水泥颗粒的初始分布。在水化模拟中，假设水泥表面各点的反应速率相等，每个水泥颗粒用三个同心圆表示。随着水泥水化的进行，引入三个参数量化相邻水泥颗粒之间的相互干涉效应，建立各相组分增量之间的关系。通过与文献中的试验结果比较，验证了本文数值方法的有效性，分析了最大水泥颗粒直径、水灰比和温度对水化度的影响。作为初步应用，定量评价了毛细孔、未水化水泥和水化产物面积百分数、毛细孔两点概率函数和单位面积毛细孔周长随时间的演变规律。基于模拟所得的水泥石微观结构，应用格构模型提出了水泥石弹性模量预测的数值方法。应用传递矩阵法，导出非均匀梁单元刚度矩阵的解析表达式。通过与文献中的试验结果比较，该数值方法的有效性得到证实。基于数值结果，分析了水化度、温度、水灰比和最大水泥颗粒直径对水泥石弹性模量的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水泥颗粒的初始分布
• 1.1.1 水泥石的模拟组成
• 1.1.2 水泥颗粒的分布
• 1.2 水泥水化模型建立
• 1.2.1 数字图像基模型
• 1.2.2 连续基模型
• 1.3 格构模型的分析
• 1.3.1 格构模型的核心
• 1.3.2 材料非匀质性的实现
• 1.4 水化度、孔结构、弹性模量
• 1.4.1 水化度
• 1.4.2 孔结构
• 1.4.3 弹性模量
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 二维水泥水化模拟和微观结构分析
• 2.1 水泥颗粒的初始分布
• 2.1.1 水泥颗粒产生
• 2.1.2 水泥颗粒的初始分布
• 2.2 水泥水化过程
• 2.2.1 水化动力学原理
• 2.2.2 水泥水化过程
• 2.2.3 水化度的影响因素分析
• 2.3 水泥石微观结构初步分析
• 2.3.1 水化产物百分比
• 2.3.2 两点概率系数
• 2.3.3 单位面积毛细孔周长
• 2.4 本章总结
• 第三章 水泥石弹性模量预测的数值方法
• 3.1 概述
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 水泥水化的细观力学模型
• 3.2.2 硬化水泥石的化学组成及其弹性模量
• 3.2.3 格构模型的建立
• 3.2.4 有限元模型的建立和弹性模量计算
• 3.3 程序的实现过程
• 3.4 数值方法的验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 水泥石弹性模量影响因素分析
• 4.1 水化度影响
• 4.2 水灰比影响
• 4.3 温度影响
• 4.4 最大水泥颗粒影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文