CN110414076A - 一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，将混凝土拆分为三相材料，利用混凝土骨料随机投放程序进行骨料随机投放。将建立好的几何模型，生成相应的网格单元。通过随机骨料投放程序确定骨料的粒径大小，依据粒径大小确定界面过渡区的厚度，并依据骨料的形式判定周边水囊的形状函数。通过形状函数判定单元属于何种材料。ITZ单元强度依据其距骨料表面的距离与骨料的粒径判定其分布函数的形式。依据相应的随机分布参数确定分布函数形式，对ITZ和砂浆单元随机赋予相应的材料属性，得到可计算的有限元模型，本发明结合实际，建立了综合考虑多种因素的混凝土细观模型，对微泌水效应的研究和随机力学特性模型的拓展具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料力学性能仿真模拟领域，具体涉及一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法。
背景技术
混凝土是一种常见的工程材料，而常常将其视为均质材料，由于微泌水效应骨料阻隔水分的上升，导致骨料下方存在着水囊，同时水囊的存在将造成混凝土中骨料下方的水灰比升高，这使得混凝土凝固之后混凝土强度降低。水囊厚度越大，强度下降越大，但水囊厚度存在着一定的随机性，具体数值与实际因素存在着一定关系。但在特定混凝土试件中，水囊的厚度会随着骨料粒径的增加而增大。同时，骨料未凝固之前，骨料周边有一定的水膜，是形成ITZ(骨料周边界面过渡区)的主要原因，可将水囊视为ITZ一部分，如果不考虑水囊对建模的影响，会与实际值产生一定偏差。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，克服现用混凝土细观模型中较少考虑到实际施工的缺陷，提供了一种强度、均质度等材料属性在界面过渡区纵向函数变化、在界面过渡区横向随机分布的混凝土细观模型，所述的界面过渡区厚度会在骨料周边因水囊厚度变化而变化。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，包括以下步骤：
将混凝土拆分为砂浆基质、界面过渡区、骨料三相材料，利用混凝土骨料随机投放程序进行骨料随机投放；
将建立好的几何模型，利用合理的网格划分方法，生成相应的网格单元；
通过随机骨料投放程序确定骨料的粒径大小，依据粒径大小确定界面过渡区的厚度，界面过渡区拆分为多层(分层可以使得模型更加精确，使得界面过渡区建模更精细)，确定每层的材料属性与均质程度，并依据骨料的形式判定周边水囊的形状函数；
通过形状函数判定单元属于界面过渡区还是砂浆；
认为骨料周边的界面过渡区材料、砂浆基质材料强度服从Weibull分布；其中砂浆基质单元强度服从特定参数的Weibull分布，界面过渡区强度依据其距骨料表面的距离与骨料的粒径判定其分布函数的形式；
依据相应的随机分布参数确定分布函数形式，依据相应的分布函数形式，对界面过渡区和砂浆单元随机赋予相应的材料属性，得到可计算的有限元模型。
本发明的有益效果是：
本发明结合实验简化实际混凝土中的特定因素，并将实际中存在的影响混凝土的因素纳入模型之中，建立了综合考虑多种因素的混凝土细观模型。所建立的数值模型综合考虑了骨料粒径对ITZ多种影响和微泌水效应，可以量化分析微泌水效应对混凝土强度的影响，也可以合理地阐述界面过渡区中的裂纹萌生及扩展的过程。对微泌水效应的研究和随机力学特性模型的拓展具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的建立有限元模型的流程图；
图2骨料水囊示意图；
图3多层ITZ结构示意图；
图4为本发明的单元随机强度生成的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
本发明是一种依据混凝土实际中混凝土实际情形建立模型，并考虑到混凝土两相材料的随机性。都建立在材料属性均服从Weibull分布的基础之上。这个方法可以模拟出混凝土中两相材料的离散性，也可以模拟出水囊对混凝土对破坏的细观机理。
如图1所示，将混凝土拆分为三相材料，即砂浆基质、ITZ、骨料三种材料。骨料的材料属性是均质的，ITZ和砂浆基质强度均服从Weibull分布。微泌水效应中，骨料的阻隔作用使得水囊的形成与积累，本发明通过骨料表面的切线方向来判定阻隔作用，这符合实际情形。如图2所示，囊厚度和切线方向向量与水平轴余弦值存在着一定函数关系，水囊之内M(x1,y1) 对应的水囊厚度为得到相应的水囊厚度和水囊的形状函数。将水囊视为ITZ的一部分，依据每层ITZ结构厚度是固定，将ITZ拆分为多层结构如图3所示。
混凝土中的界面过渡区孔隙率与距骨料表面距离呈现一种线性关系即靠近骨料表面处的界面过渡区的孔隙率为最大值；同时当距骨料表面的距离达到界面过渡区的厚度时，孔隙率此时最小达到砂浆的孔隙率；均质度与孔隙率呈现相反的规律，即骨料表面处的ITZ均质度为最低，随着距离的增加而逐渐上升为砂浆的均质度。
同时，强度也采用类似方法，同时骨料粒径与强度之间的关系两者之间满足的关系为幂函数形式即σ＝mdn，并认为σ为界面过渡区最内层强度，通过线性插值得到各层界面过渡区的强度，从而得到各层ITZ的随机分布分布函数形式，并根据图4所示的方法进行随机材料属性产生。具体方法为：将骨料周边的ITZ强度区间进行N次等分，通过Weibull分布的分布积累函数分别求得落在每个区间的概率。并分别将数值模型中的砂浆基体与ITZ分别进行随机参数的确定，这样，对于落在某个区间的单元个数Ni为：Npi＝Ni。在对ITZ材料属性进行随机赋予的过程中，对每个ITZ单元在(0,1)的区间内随机生成一个数δ，那么δ所处的区间为：确定出对任意一个ITZ单元材料属性所处于的强度或者材料区间，并依据所落区间修改已定义的单元的材料属性；对于砂浆单元也采用类似的方法，这样可以确定出每个材料的材料属性，这样便可以得到混凝土的随机细观模型。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (5)
1.一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将混凝土拆分为砂浆基质、界面过渡区、骨料三相材料，利用混凝土骨料随机投放程序进行骨料随机投放，将微泌水效应形成的水囊作为界面过渡区的一部分；
（2）将建立好的几何模型，利用合理的网格划分方法，生成相应的网格单元；
（3）通过随机骨料投放程序确定骨料的粒径大小，依据粒径大小确定界面过渡区的厚度，界面过渡区拆分为多层，确定每层的材料属性与均质程度，并依据骨料的形式判定周边水囊的形状函数；
（4）通过形状函数判定单元属于界面过渡区还是砂浆；
（5）骨料周边的界面过渡区材料、砂浆基质材料强度服从Weibull分布；其中砂浆基质单元强度服从Weibull分布，界面过渡区强度依据其距骨料表面的距离与骨料的粒径判定其分布函数的形式；
（6）依据相应的随机分布参数确定分布函数形式，依据相应的分布函数形式，对界面过渡区和砂浆单元随机赋予相应的材料属性，得到可计算的有限元模型。
2.根据权利要求1所述的一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，其特征在于：步骤（1）所述水囊厚度是依据骨料表面的切线方向而定的，即骨料表面的切线方向越接近水平，水囊的厚度越大。
3.根据权利要求1所述的一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，其特征在于：步骤（3）所述界面过渡区拆分为多层且每层界面过渡区的厚度为固定值。
4.根据权利要求1所述的一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，其特征在于：步骤（1）所述界面过渡区孔隙率依据距骨料表面距离线性插值生成，同样，界面过渡区的材料属性随机分布的参数-均质度也依据距骨料表面距离线性插值生成；界面过渡区中的孔隙率是密实程度的一种反映，即孔隙率反映均质度的大小，密实程度在界面过渡区中的分布规律即为均质度的分布规律，孔隙率随着距骨料表面的距离增加而减小。
5.根据权利要求1所述的一种考虑水囊影响的混凝土细观模型的建模方法，其特征在于：逐层考虑强度时，界面过渡区强度为拆分为多层结构的最内层强度的随机分布的期望值；同时，界面过渡区各层的强度会随着距骨料表面距离的增加而增加。
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| CN116952995A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-10-27 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法 |
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