CN108153935A - 一种构建胶凝材料多孔结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构建胶凝材料多孔结构的方法，包括以下步骤：1）获取胶凝材料样品，对其进行冷冻干燥；2）取干燥后的样品开展压汞实验，逐步施加压力，计算累计孔隙率与孔隙直径之间的关系；3）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；4）确定相对密实度与孔隙直径呈线性相关的区域，应用最小二乘法计算相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率；5）根据线性相关的范围与斜率确定构建多孔结构的数学参数，并实现多孔结构可视化；本发明解决了现有技术中基于水化动力学方法存在的假设条件不合理、参数难以测量问题，从而高效构建胶凝材料的多孔结构。

Description

一种构建胶凝材料多孔结构的方法
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数据构建胶凝材料多孔结构的方法。
背景技术
胶凝材料(如水泥)作为一种基础材料，在土木工程建设中占据极其重要的地位。从材料角度来看，胶凝材料本质上具有复杂的多孔结构，并且该多孔结构在很大程度上决定其物理(如传输)、力学(如弹模)性能。换言之，通过构建相应的多孔结构，结合必要的物理(如菲克定律)、力学(如胡克定律)定律，便可合理预测胶凝材料的物理、力学性能，减少性能测试所耗费的大量人力、物力成本；对此，其关键点在于如何构建胶凝材料多孔结构。
当前，国内外研究人员主要基于胶凝材料的水化动力学构建其多孔结构，以荷兰代尔夫特理工大学van Breugel教授提出的HYMOSTRUC3D、美国国家标准与技术研究院Bentz博士提出的CEMHYD3D为代表。该类方法糅合多粒子随机堆积(Particle Packing)与胶凝材料计量化学(Stoichiometry)等理论，在描述胶凝材料的水化历程、构建胶凝材料的多孔结构及预测胶凝材料的综合性能等研究领域取得了巨大的成功。
值得注意的是，该类方法通常存在假设条件不合理、参数难以测量问题。例如，HYMOSTRUC3D假设胶凝材料颗粒为理想的球体，水化时胶凝材料颗粒均匀膨胀；CEMHYD3D胶凝材料水化程度随时间演化方程含有不可测参数；由于假设条件以及参数选择不具有统一的标准，导致不同人员研究结果的横向对比性存在不足；另外，基于水化动力学的方法尚不适用于新型胶凝体系(碱激发胶凝材料)；因此，开发多孔结构的高效构建方法对于胶凝材料研究具有重要意义。
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，从而达到高效构建胶凝材料的多孔结构模型的方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种构建胶凝材料多孔结构的方法，该方法包括如下步骤：
1)按要求制作胶凝材料样品，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)，d1<d<d2，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，构建胶凝材料多孔结构的数学参数的模型图，基于MATLAB软件实现多孔结构可视化。
本发明所述步骤2)的操作过程中，将胶凝材料孔隙视为直径不同的圆柱形，样品累计孔隙率f与孔隙d直径之间的计算公式如下：其中，γs表示汞的表面张力，θ表示汞与孔隙表面的接触角。
本发明所述步骤3)的操作过程中，将样品的累计孔隙率f转换成相对密实度χ的计算公式如下：χ＝1-f。
本发明所述步骤4)的操作过程中，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的计算公式如下：
其中，∑表示求和，S表示样本数量。
本发明所述步骤5)的操作过程中，所述的n，i，b均为正整数。
本发明所述骤5)的操作过程中，构建多孔结构的数学参数n与i的计算方法如下：
本发明所述骤5)的操作过程中，构建多孔结构的数学参数b的计算方法如下：(b＝n3-A)。
本发明的优点在于：本发明的构建胶凝材料多孔结构的方法，其本身是基于通用的压汞实验数据，方法整体流程中不含有任何不合理的假设条件或难以测量的实验参数，而且相关构建参数由统一的数学公式确定，适用于不同人员研究结果之间的横向对比。
附图说明
图1为本发明实例中水泥矿渣浆体压汞数据图；
图2为本发明实例中水泥矿渣浆体的数据分析图；
图3为本发明实例中构建水泥矿渣浆体的数学参数示意图；
图4为本发明实例中构建的水泥矿渣浆体多孔结构的模型图。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
本发明的实施例中提及的胶凝材料主要由水泥及矿物掺合料(如粒化高炉矿渣)加水拌合配制。养护硬化后的胶凝材料多孔结构包含有凝胶孔及毛细孔。胶凝材料的孔隙体现为复杂的几何形貌与随机的空间分布。压汞实验由于原理及设备较为简单，被广泛运用于胶凝材料的孔隙分布表征，是胶凝材料研究领域的一种常规测试手段。
实施例1：如图1、2、3和4所示的一种构建胶凝材料多孔结构的方法，包括如下：
1)获取胶凝材料样品，对其进行冷冻干燥：
将普通硅酸盐水泥：粒化高炉矿渣：去离子水按照4：1：2质量比拌合，在标准养护室内养护28天。取养护后的水泥矿渣浆体小块(约0.5cm3)若干，将其置于液氮气氛中冷冻(约2～3min)，然后再置于真空干燥箱内抽真空，每24h记录水分丢失的重量，直至达到0.01％/天，整个干燥过程持续约1周。
2)取干燥后的样品开展压汞实验，逐步施加压力，计算累计孔隙率与孔隙直径之间的关系：
取干燥后的样品开展压汞实验，外加压力P范围为0～206MPa，获取累计孔隙率f，即f(P)；将胶凝材料孔隙视为直径不同的圆柱形，计算样品的累计孔隙率f与孔隙直径d之间的关系，即f(d)，计算方法如下：
其中γs＝0.48N/m表示汞的表面张力，θ＝140°表示汞与孔隙表面的接触角。
得到图1所示测得的水泥矿渣浆体样品的压汞数据(累计孔隙率与孔隙直径)。
3)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：
将样品的累计孔隙率f转换成相对密实度χ，即χ＝1-f。在双对数坐标系中表示相对密实度χ与孔隙直径d。
4)确定相对密实度与孔隙直径呈线性相关的区域，应用最小二乘法计算相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率：
确定相对密实度与孔隙直径呈线性相关的区域(d1～d2)，即logχ＝Alogd+B，d1<d<d2，其中d1表示线性相关的直径下限(d1＝5nm)，d2表示线性相关的直径上限(d2＝320nm)，如图2所示。应用最小二乘法计算相对密实度与孔隙直径线性相关区域(d1～d2)的斜率A，计算方法如下：
计算得出：A＝0.0665。
5)根据线性相关范围(d1～d2)与斜率A确定构建多孔结构的数学参数(n，i，b)，其中正整数n表示迭代元(由孔隙相和固体相组成)在一维方向上的相(包括孔隙相和固体相)数目，正整数i表示迭代次数，正整数b表示迭代元中固体相数目，如图3所示。
(6)确定构建多孔结构的数学参数n与i，计算方法如下：
其中d1＝5nm表示线性相关的直径下限，d2＝320nm表示线性相关的直径上限，A＝0.0665表示相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率。计算结果为：n＝4，i＝3。
(7)确定构建多孔结构的数学参数b，计算方法如下：
(b＝n3-A)
其中A＝0.0665表示相对密实度与孔隙直径线性相关区域的斜率；计算结果为：b＝59；基于MATLAB软件实现多孔结构可视化，如图4所示。
本实施例表明，本发明由通用于胶凝材料多孔结构表征的压汞实验的数据出发，整体方法中不需要额外的假设条件，构建多孔结构的数学参数全部可由压汞实验数据推导。
相比于现有技术中基于水化动力学方法存在的假设条件不合理、参数难以测量问题，本发明的方法得以高效构建胶凝材料的多孔结构。
需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
1)按要求制作胶凝材料样品，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)，d1<d<d2，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，构建胶凝材料多孔结构的数学参数的模型图，实现多孔结构可视化。
2.如权利要求1所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述步骤2)的操作过程中，将胶凝材料孔隙视为直径不同的圆柱形，样品累计孔隙率f与孔隙d直径之间的计算公式如下：
其中，γs表示汞的表面张力，θ表示汞与孔隙表面的接触角。
3.如权利要求1所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述步骤3)的操作过程中，将样品的累计孔隙率f转换成相对密实度χ的计算公式如下：χ＝1-f。
4.如权利要求1所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述步骤4)的操作过程中，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的计算公式如下：
其中，∑表示求和，S表示样本数量。
5.如权利要求1所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述步骤5)的操作过程中，所述的n，i，b均为正整数。
6.如权利要求1或5所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述骤5)的操作过程中，构建多孔结构的数学参数n与i的计算方法如下：
7.如权利要求1或5所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述骤5)的操作过程中，构建多孔结构的数学参数b的计算方法如下：
(b＝n3-A)。
8.如权利要求1所述的构建胶凝材料多孔结构的方法，其特征在于，所述骤5)的操作过程中，利用MATLAB软件构建胶凝材料多孔结构的数学参数的模型图，实现多孔结构可视化。
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