[发明专利]一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法

说明书

本发明公开了一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，包括以下步骤：获取水泥基材料样品，取干燥后的样品开展压汞实验，计算累计孔隙率与孔隙直径之间的关系，将累计孔隙率转换成相对密实度，在双对数坐标系中表示相对密实度与孔隙直径，确定相对密实度与孔隙直径呈线性相关的区域，得出相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率，根据线性相关的范围与斜率确定水泥基材料多孔结构的特征参数，基于等效介质理论，通过迭代计算获得水泥基材料的弹性模量；本发明解决了基于水化动力学和细观力学预测水泥基材料弹性模量存在的参数设置过多问题，从而建立由水泥基材料多孔结构的特征参数预测弹性模量的简单解析方法。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料分析与表征技术领域，尤其涉及一种基于压汞实验分析与表征水泥基材料性能指标的方法。

背景技术

对于水泥基材料而言，其弹性模量(杨氏模量、体变模量、剪切模量)在结构设计与分析中占有重要的地位。鉴于弹性模量的重要性，水泥基材料的已有研究成果提出了多种预测方法。总体来说，当前预测方法可以分为两大类：解析方法及数值方法。解析法基于水泥基材料的几何、物理特征建立合适的细观力学方法；相较于解析方法，数值方法直接求解基本的刚性方程、依赖于计算机的强大计算能力。大量研究结果表明，各种预测方法的精度主要取决于对水泥基材料多孔结构表征的精度。

水泥基材料多孔结构表现出极其复杂的非均质特征，通常跨越从纳米至微米多个尺度。在纳米尺度上，大约5纳米大小的基本单元堆积成多孔结构的水化硅酸钙凝胶；在微米尺度上，水化产物(水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、钙矾石)和未水化熟料的无序堆积形成毛细孔结构。因此，对于水泥基材料，精确地表征多孔结构以及预测弹性模量需要从根本上解决多尺度问题。例如，两尺度均匀化方法是常用的一种方法，该方法对纳米尺度的水化硅酸钙凝胶和微观尺度的水泥浆体分别使用Mori-Tanaka方法和自洽理论。值得注意的是，多尺度方法在从纳米尺度到微米尺度进行跨尺度描述时需要设置大量的参数，而相当的参数在实验中难以直接测量。另外，多尺度方法存在效率较低、可操作性不好等问题，特别是对于掺有矿物掺合料的水泥基复合材料。

近年来，研究人员发现水泥基材料多孔结构存在着显著的自相似特征，进而发展出一种几何方法来描述及构建胶凝材料的多孔结构。该种几何方法解决了多尺度方法存在的效率较低、可操作性不好等问题，从而高效构建胶凝材料的多孔结构。由此，结合细观力学方法(如等效介质理论)，基于该种几何方法构建的水泥基材料多孔结构也为预测水泥基材料的弹性模量提供了一种可行性。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种解决了现有技术中假设条件不合理、参数难以测量的问题，从而建立水泥基材料弹性模量的简单解析方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于压汞实验预测水泥基材料弹性模量的方法，该方法包括如下步骤：

1)按要求制作水泥基材料样品，冷冻干燥后样品待用；

2)将步骤1)得到的样品进行压汞实验，逐步施加压力P，获取累计孔隙率f，计算累计孔隙率f与孔隙d直径之间的关系；

3)将样品的累计孔隙率f转换成相对密实度χ，在双对数坐标系中表示相对密实度χ与孔隙直径d；

4)确定相对密实度χ与孔隙直径d呈线性相关的区域(d₁～d₂)，d₁dd₂，其中d₁表示线性相关的直径下限，d₂表示线性相关的直径上限，应用最小二乘法计算相对密实度χ与孔隙直径d线性相关区域的斜率A；

5)根据线性相关的范围(d₁～d₂)与斜率A确定构建多孔结构的数学参数(n，i，b)，n表示迭代元在一维方向上的孔隙相和固体相的总数目，i表示迭代次数，b表示迭代元中固体相数目；