[发明专利]一种水泥基材料三维颗粒分组均匀化投放方法

说明书

本发明公开了一种水泥基材料三维颗粒分组均匀化投放方法，包括以下步骤：根据拟定的水灰比与真实的水泥颗粒粒径分布建立待投放的水泥颗粒库，主要参数为水泥颗粒的粒径范围为N组与对应的颗粒个数n；计算该水泥颗粒库的颗粒粒径分布特征值A，确定水泥颗粒粒径分布特征值范围为Z；然后根据水泥颗粒粒度分布范围Z将所有水泥颗粒随机分组后在投放区域内投放；水泥三维颗粒投放区域内颗粒分布情况分析。该方法能够实现水泥颗粒在投放区域中的连续均匀投放，克服了传统投放方法中水泥颗粒半径按从大到小投放所造成的较大半径颗粒在投放区域中某些区域过于密实的情况，使水泥颗粒在整个投放区域内分布均匀。

技术领域

本发明涉及一种水泥基材料颗粒随机投放的数值模拟方法，具体是一种水泥基材料三维颗粒分组均匀化投放方法。

背景技术

水泥基材料是土木工程中应用最为广泛的材料之一。然而，由于水泥基材料是一种非均质的多相多尺度的复合材料，其微观结构具有随机性和复杂性，试验技术一般只能定性地表征水泥基材料微观结构变化且试验结果往往受制于仪器精度和人为误差。另外，理论研究通常需要较多简化条件才能较好地计算相应水泥基材料模型的等效力学性能，如水泥颗粒含量较少等限制条件。因此，通过计算机数值模拟水泥基材料的复杂微观结构正成为国际上研究的热点，而构建合理的水泥基材料颗粒模型是准确实现水泥基材料微观数值模拟的前提，也是开展开展真实水泥颗粒粒径分布条件下水泥基材料宏观性能研究的基础。随机投放过程和结果的合理性会影响数值模拟过程中水泥基材料微观结构模型的合理性，从而影响水泥基材料宏观性能的数值分析结果的可靠性。

传统的水泥基材料颗粒投放方法在二维尺度比较成熟，真实的三维水泥基材料颗粒投放方法还有待研究。目前大部分三维水泥基材料颗粒投放是按所有颗粒按半径从大到小，在整个投放区域产生伪随机数随机生成颗粒球心位置，每次投放前检查颗粒当前位置是否与之前的颗粒位置重叠的方法。这种方法具有投放速度快，较大粒径的颗粒可以全部投放的优点。但是，该方法存在的问题是选择颗粒粒径按从大到小投放，当投放区域不变时，半径较大的水泥颗粒易集中在某些区域，导致整个投放区域内颗粒分布不均匀且不符合实际。而水泥颗粒位置的拓扑结构会影响水泥系统水化后的抗压强度。

因此，针对水泥基材料三维颗粒分组投放问题开展研究，提出合理的三维颗粒随机投放方法，建立颗粒分布均匀合理的水泥基材料三维空间模型，对实现水泥基材料微观数值模拟试验，开展水泥基材料宏观性能机理研究，建立水泥基材料微观结构与宏观性能之间的定量关系奠定基础，具有十分重要的学术意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥基材料三维颗粒分组均匀化投放方法，可以实现不同水灰比条件的水泥系统的三维颗粒投放，并且使三维颗粒在整个投放区域中分布均匀，从而构建分布符合实际情况的水泥基材料三维空间模型。

本发明通过下述技术方案实现上述目的：

一种水泥基材料三维颗粒分组均匀化投放方法，包括以下步骤：

步骤1、水泥系统待投放水泥颗粒库的生成

确定水泥颗粒形状为球形，获取水泥颗粒的真实粒径分布PSD(Particle SizeDistribution)，假定水灰比w/c，水泥密度为ρ_c，固定整个投放区域体积为v，则水泥体积为1/(1+ρ_c(w/c))×v。进而根据PSD，就可以确定每种不同粒径的水泥颗粒的真实个数，生成待投放水泥颗粒库。

步骤2、水泥颗粒粒径分布特征值A及特征值范围Z的获取

根据上述步骤1获取的水泥颗粒信息，将水泥颗粒按半径大小分为半径大于等于1um、4um、8um的三组颗粒，按公式(1)计算可求得粒径分布特征值A：