[发明专利]一种混凝土非均质各向异性集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土非均质各向异性集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法，属于混凝土微细观数值试验前处理技术领域。

背景技术

水泥颗粒在堆积过程中由于受到硬化集料表面制约，通常在硬化集料表面周围形成带有一定厚度的相对高孔隙区域，该区域即为界面过渡区，而且大量的试验和数值观测已经证实了界面过渡区结构特征对混凝土的力学和传输性能起着至关重要的作用。但是高浓度条件下的集料周围界面过渡区实际上是一个复杂的网络结构，这导致了当前无法直接通过常规的试验手段测量界面过渡区的结构特征。正因如此，国内外学者尝试着利用理论或数值的方法来定量地获取界面结构特征，通过理论或数值的方法分析界面结构特征的前提是必须要输入混凝土的三维结构信息，因此，如何确定混凝土三维结构信息是分析界面过渡区结构特征的关键所在。

目前国际上主要是将混凝土在微细观尺度上看成是由多分散集料颗粒随机分布在均质水泥浆体中，并且每个集料周围附着一层等厚度的软界面层如此组成的三相复合材料，也就是著名的hard core-soft shell结构。若要构造带有如此特征的混凝土结构，首先得模拟满足混凝土自身几何特征的集料随机分布，这个操作过程国内外已经有相当的研究成果和方法，如：随机有序增加模型、分子动力学模型、离散元模型、力学收缩模型等。其次，要实现集料周围等厚度的界面拓扑结构，常用的界面拓扑结构识别方法有内切球半径增大机制，即以颗粒的内切球半径增加等厚度的形式确定界面几何拓扑结构，该机制的实施保证了界面形态与之对应的颗粒形态一致，这对于球形集料颗粒并无异议，而且也便于后续的数值模拟试验。但混凝土内的集料颗粒并非是由完美的球形粒子组成，代替它们的可能是带有一定的棱、面、角等复杂的几何形态颗粒，而且对于如此复杂的几何颗粒，利用内切球半径增大的识别方法并不能真正地构造出颗粒周围等厚度的界面拓扑结构，因为复杂几何颗粒周围的界面真实拓扑结构不可能保证与该颗粒保持形态一致，尤其对于那些具有棱和角的几何颗粒，而且这也最终会导致界面过渡区结构特征的数值模拟结果不可靠。因此，如何构建复杂几何集料颗粒周围等厚度的界面拓扑结构是实现混凝土三维几何结构的关键及难点问题。

因此，开发一种概念清晰、操作简单、易识别与模拟、可推广应用至真实混凝土集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法，对推广和发展混凝土微细观数值试验具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种概念清晰、理论简单、便于实施的非均质各向异性集料周围界面过渡区拓扑结构的构造方法。

为了实现上述技术目的，本发明的具体技术方案是：

一种混凝土非均质各向异性集料周围界面过渡区几何拓扑结构的构造方法，具体步骤如下：

步骤1：确定集料颗粒的几何模型表达方式；对于那些无法直接给出代数表达式的复杂几何形态的颗粒，通过四面体单元剖分方式将复杂颗粒转化成由多个简单的四面体单元组成的集合，获取集合中每个四面体单元的各个顶点信息；

步骤2：根据步骤1确定的颗粒顶点信息，几何实现组成颗粒的每个顶点对应的界面拓扑区域；具体是设定一个扩展球体，其半径等于界面层厚度t，球心位于待考察颗粒中每个四面体的一个顶点位置，则扩展球表露在颗粒外围的区域即为该顶点对应的界面拓扑区域；依次类推，一旦确定颗粒中每个四面体单元的一个顶点位置，那么每个四面体单元的一个顶点对应的界面拓扑区域即完成几何实现；

步骤3：根据步骤2确定的每两个邻近顶点组成的棱边信息，几何实现组成颗粒的每条棱边对应的界面拓扑区域；具体是设定一个扩展球体，其半径等于界面层厚度t，球心位于待考察颗粒中每个四面体棱边的一个顶点位置，扩展球体以该顶点位置为出发点，沿着棱边滚动至球心位于邻近顶点位置，滚动的轨迹构成一个圆柱体，圆柱体的上、下顶点分别对应于该棱边的两个顶点，则该圆柱体表露在颗粒外围的区域即为棱边对应的界面拓扑区域；依次类推，颗粒含有n条棱边即对应于n个圆柱体，则n个圆柱体表露在颗粒外围的区域即为该颗粒中所有棱边对应的界面拓扑区域；