CN113221476A - 一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法。具体步骤为(1)统计砂石骨料的典型形状并测量砂石骨料的比表面积；(2)建立颗粒模型以及选择合适的接触模型；(3)分别建立砂子和石子的比表面积与颗粒之间接触模型关键参数的函数关系；(4)采用EDEM模拟混凝土的流动行为；(5)根据模拟结果来预测混凝土的流动性是否符合预期要求，如果不符合要求，可以改变砂石的比例再重复第四步，直到符合要求为止。本发明通过EDEM模拟混凝土的流动行为，简化了模型参数的校准过程，能够简单方便的预测不同形状骨料混凝土的流动性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土仿真领域，尤其是一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法。
背景技术
近年来，随着环保意识的增强，人们越来越看重可再生资源的开发与利用，其中采用砂石骨料来代替河砂和卵石作为混凝土中的骨料是可持续发展的必然要求。机制砂石与河砂、卵石相比，前者更加经济实惠，并且机制砂石表面粗糙，与水泥粘结性能更好，同等条件下用机制砂石配制的混凝土强度比用卵石和河砂配制的混凝土强度更好；但是，机制砂石棱角突出，导致混凝土的流动性能变差。目前对于机制砂石混凝土流变学的研究还处于起初阶段。开展机制砂石混凝土流动性能的研究对于降低泵送压力和管道磨损具有重要意义。
随着计算机技术的不断发展，各种可用于工程上的软件越来越多，很多在现实中不方便做的实验可以都可以直接在软件中模拟，并且得到比较精确的结果。混凝土是一种含水的颗粒材料，具有流体和固体的双重属性，不能简单作为连续介质来考虑，而离散元方法可以很好的考虑颗粒之间的相互作用，但是表征颗粒之间相互作用的参数需要通过实验来标定，并且骨料形状，大小等发生改变时需要重新标定，耗时耗力。从已报道的文献和专利来看，关于新拌混凝土中骨料形状与颗粒之间相互作用的定量研究，并依据砂石的形状特征改变离散元中颗粒接触模型参数来预测不同骨料的混凝土的流变性能的研究尚未有报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现在技术的不足，提供一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法。
本发明为解决所述的技术问题所采用的方案是：一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)统计砂石骨料的典型形状并测量砂石骨料的比表面积；
(2)建立颗粒模型以及选择合适的接触模型；
(3)分别建立砂子和石子的比表面积与颗粒之间接触模型关键参数的函数关系；
(4)采用EDEM模拟混凝土的流动行为；
(5)根据模拟结果来预测混凝土的流动性是否符合预期要求，如果不符合要求，可以改变砂石的比例再重复第四步，直到符合要求为止。
上述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，步骤(1)中典型形状分为球形、椭球形两种规则颗粒和长条形、三角形、片体形三种不规则颗粒。
上述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，步骤(2)中接触模型采用EDEM中的JKR接触模型。
上述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于所述步骤(3)中函数关系为E＝KS，其中E为JKR接触模型中的表面能参数，S为砂石骨料的比表面积，K为系数。
上述的上述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于所述的流动行为采用坍落度值评价。
本发明与现有技术相比的优点在于：采用EDEM模拟混凝土的流动行为时，简化了JKR接触模型中表面能参数的校准过程，只需测得砂石骨料的比表面积，再通过砂石骨料的比表面积与骨料之间接触模型关键参数的函数关系，就可以得到混凝土中砂石骨料之间的表面能参数。
在配合比设计阶段通过EDEM模拟混凝土的流动行为，与通过实验的手段来测试混凝土的流动性能相比，更加节省人力物力及时间成本，重复性更好。
附图说明
图1为本发明方法的流程图
图2为EDEM中建立的五种典型骨料的颗粒模型图
图3为方案一用EDEM模拟出来的坍落度图
图4为方案二用EDEM模拟出来的坍落度图
图5为方案三用EDEM模拟出来的坍落度图
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。
一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)统计砂石骨料的典型形状并测量砂石骨料的比表面积；
(2)建立颗粒模型以及选择合适的接触模型；
(3)分别建立砂子和石子的比表面积与颗粒之间接触模型关键参数的函数关系；
(4)采用EDEM模拟混凝土的流动行为；
(5)根据模拟结果来预测混凝土的流动性是否符合预期要求，如果不符合要求，可以改变砂石的比例再重复第四步，直到符合要求为止。
具体过程为：
(1)统计砂石骨料的典型形状并测量砂石骨料的比表面积。将卵石和机制石洗净取出表面粉尘和杂质，烘干后备用。分别取2kg的卵石和2kg的机制石，按5种典型形状将卵石和机制石分类，统计每种类型颗粒占比，作为EDEM中每种粗骨料的占比。根据JIS A1218:2009的定水位透水试验测得砂子的比表面积，根据表面浸蜡法测得石子的比表面积。本实施例测得的4种骨料比表面积如下表：
| 砂石类型 | 河砂 | 卵石 | 机制砂 | 机制石 |
| 比表面积cm<sup>2</sup>/g | 43.54 | 5.81 | 49.81 | 7.49 |
(2)建立颗粒模型以及选择合适的接触模型。根据步骤(1)的统计结果在EDEM中建立球形和椭球形两种规则的形状和长条形、锥形、片体形三种不规则形状的颗粒模型，如图2所示。
EDEM中的JKR接触模型是一个凝聚力模型，在颗粒接触时根据表面能参数计算相互作用力，特别适合于混凝土这种具有粘性作用的物质。因此本发明中采用JKR模型作为接触模型。
(3)分别建立砂子和石子的比表面积与颗粒之间接触模型关键参数的函数关系。本发明建立的骨料比表面积和表面能参数的函数关系为：
E＝KS
其中E为JKR接触模型中的表面能参数，单位为J/m3，S为砂石骨料的比表面积，单位为cm2/g，K为系数，具体值为K砂＝0.107，K石＝0.628。
(4)采用EDEM模拟混凝土的流动行为。通过步骤(1)得到砂石骨料的比表面积，以及步骤(3)中建立的函数关系可以得到混凝土中骨料之间的表面能参数，结果如下表：
| 接触类型 | 卵石-卵石 | 河砂-河砂 | 机制石-机制石 | 机制砂-机制砂 |
| 表面能J/m<sup>3</sup> | 3.649 | 4.659 | 4.704 | 5.330 |
本实施例分别模拟了三种不同配方的混凝土坍落度，方案一为河砂加卵石，方案二为机制砂加机制石，方案三为河砂加机制石，此三种方案除砂石骨料不同外，水灰比、减水剂等外加剂用量都相同。
首先根据步骤(1)中统计的各种形状的石子及占比情况，在EDEM中建立好石子的颗粒模型，颗粒尺寸为5-21mm，且符合正态分布，再将石子的颗粒模型等比例缩小，且最大尺寸不超过5mm，按同样的方法生成砂子的颗粒模型。然后在EDEM中建立坍落桶的几何模型及颗粒工厂，并设置颗粒模型和几何模型的各个参数。在颗粒工厂中输入砂石骨料的质量时，需按照配方中相同的比例生成需要的混凝土骨料，本实施例中三个方案的砂石质量比例均为1：1.499。最后根据上表中的数值定义颗粒之间的表面能参数，对于石子与砂子接触时，表面能参数取两者的平均值。
设置石子和砂子的生成速度分别为5.6kg/s、3.6kg/s，颗粒生成完成后，等待一定时间再提桶以保证生成的骨料颗粒能够填满坍落桶。本实施例设置在一秒钟后以0.3m/s的速度向上开始提桶，当坍落度不再变化时，结束模拟。在模拟完成后，在后处理界面中测量混凝土的坍落度，如图3～5所示(图中深色颗粒为石子，浅色颗粒为砂子)。本实施例三种方案的模拟结果汇总如下：
| 方案 | 方案一 | 方案二 | 方案三 |
| 坍落度模拟结果(mm) | 235.97 | 186.60 | 218.91 |
(5)根据模拟结果来预测混凝土的流动性是否符合预期要求，如果不符合要求，可以改变砂石的比例再重复第四步，直到符合要求为止。
以上所述仅为本发明的优选实例方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)统计砂石骨料的典型形状并测量砂石骨料的比表面积；
(2)建立颗粒模型以及选择合适的接触模型；
(3)分别建立砂子和石子的比表面积与颗粒之间接触模型关键参数的函数关系；
(4)采用EDEM模拟混凝土的流动行为；
(5)根据模拟结果来预测混凝土的流动性是否符合预期要求，如果不符合要求，可以改变砂石的比例再重复第四步，直到符合要求为止。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于所述步骤(1)中典型形状分为球形、椭球形两种规则颗粒和长条形、三角形、片体形三种不规则颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于所述步骤(2)中接触模型采用EDEM中的JKR接触模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于所述步骤(3)中函数关系为E＝KS，其中E为JKR接触模型中的表面能参数，S为砂石骨料的比表面积，K为系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于离散元的混凝土流动行为的预测方法，其特征在于所述的流动行为采用坍落度值评价。
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| 李秋来;高崇仁;: "物料特性对落料管接触力的影响", 起重运输机械, no. 12 * |
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