CN117077501B - 一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法 - Google Patents
一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117077501B CN117077501B CN202311337892.XA CN202311337892A CN117077501B CN 117077501 B CN117077501 B CN 117077501B CN 202311337892 A CN202311337892 A CN 202311337892A CN 117077501 B CN117077501 B CN 117077501B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vertex
- steel slag
- aggregate
- concrete
- permeability coefficient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004567 concrete Substances 0.000 title claims abstract description 86
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 81
- 239000002893 slag Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title claims abstract description 57
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000006028 limestone Substances 0.000 claims description 20
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 claims description 19
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 claims description 4
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/25—Design optimisation, verification or simulation using particle-based methods
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，包括步骤：采集骨料中若干代表样本的二维投影图像，将图像二值化后转换为矢量图文件；使用离散元软件PFC 2D生成钢渣混凝土随机骨料模型；通过MATLAB编程实现二维投影图像的多边形近似并建立其顶点坐标数据库；通过MATLAB编程实现混凝土砂浆和ITZ区域建模并建立三相非均质混凝土；建立多孔介质孔隙率与渗透系数关系；赋予非均质钢渣混凝土模型的材料参数和边界条件；对非均质钢渣混凝土模型进行分析，最终获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。本发明有效提高了钢渣混凝土渗透系数的分析评价的准确性，能够为抗渗混凝土的设计施工提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料技术领域，具体涉及一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法。
背景技术
在基础建设和工程领域，混凝土作为一种重要的建筑材料，在不同的应用场景中发挥着关键的作用。然而，由于混凝土的多孔性和非均质性，其渗透性能往往成为影响其使用寿命和耐久性的关键因素之一。钢渣混凝土作为一种改良型混凝土，在混凝土生产中广泛使用钢渣作为替代部分水泥的材料，以提高可持续性和降低环境影响。然而，钢渣混凝土的非均质性质对其渗透性能提出了新的挑战，传统的均质混凝土模型和计算方法已经不能满足对其渗透系数准确评估的需求。
鉴于上述问题的存在，目前业内已有一些方法用于评估传统混凝土的渗透性能，如Darcy定律等。然而，这些方法通常基于均质性假设，无法准确捕捉钢渣混凝土这种复杂非均质结构的特点。因此，寻找一种能够更准确地预测钢渣混凝土渗透性能的方法，对于确保工程结构的耐久性和可靠性至关重要，例如：专利申请号为CN201911044057.0的发明专利申请公开了一种多相复合材料的等效渗透系数细观尺度研究方法，该方法针对复合材料的非均质特性，从细观尺度角度，基于有限元方法建立了数值模型以此估计其等效渗透系数；所建立的数值模型通过Monte Carlo算法进行模拟，得到了细观尺度下具有空间随机性的多相材料结构，结合有限元计算方法和达西定律，对复合材料的等效渗透系数进行评估。该现有技术提出了一种可实现模拟多相复合材料的内部结构非均质性的方法，为分析多相复合材料的渗透特性提供了新思路，但该方法中对预模拟的多相复合材料构建数值模拟模型时，其中的分散相为圆形，而采用圆形对模型进行简化，与实际情况相差较大。
因此，如何使用真实骨料构建骨料模型，提供一种能够提高模拟精确度的非均质钢渣混凝土渗透系数精确度的计算方法，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种使用真实混凝土骨料的二维投影图像近似为多边形并随机投放至混凝土中的非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，包括以下步骤：
S1、先从石灰岩骨料和钢渣骨料的每个粒径尺寸范围内分别选取若干个代表样本，再采集所选取的每个代表样本的二维投影图像，接着对采集到的所有二维投影图像进行二值化处理，然后将二值化后的图像转换为矢量图文件；
S2、使用离散元软件PFC 2D将矢量图文件生成钢渣混凝土随机骨料模型；
S3、通过Matlab对钢渣混凝土随机骨料模型中所有的二维投影图像一一进行多边形近似，并为这些近似多边形的顶点建立坐标数据库；
S4、利用Matlab对混凝土砂浆和ITZ区域进行建模，并建立非均质钢渣混凝土模型；
S5、通过有限元计算方法建立多孔介质孔隙率与渗透系数关系；
S6、对步骤S4中建立的非均质钢渣混凝土模型赋予材料参数和边界条件；
S7、根据达西定律对非均质钢渣混凝土模型进行分析计算，进而获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。
进一步的，所述步骤S2的具体步骤为：
S2.1、确定石灰岩骨料和钢渣骨料的级配数据，所述级配数据包括粒径尺寸范围和每个粒径尺寸范围内的每种骨料所占的比例，并计算每个粒径尺寸范围内所需的每种骨料的个数；
S2.2、在离散元软件PFC 2D中，使用PFC命令流导入石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件；
S2.3、从石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件中随机挑选出所需数量的clump；
S2.4、按照设计要求，将选取的clump随机投放到适当的位置，从而构建出钢渣混凝土随机骨料模型。
进一步的，所述步骤S3的具体步骤为：
S3.1、通过Matlab对钢渣混凝土随机骨料模型进行图像二值化处理，并获取该钢渣混凝土随机骨料模型中所有粗骨料的轮廓；
S3.2、对二值图像进行空洞填充操作；使用bwboundaries函数提取二值图像中所有粗骨料的轮廓；针对提取到的每个粗骨料轮廓，获取轮廓上的点坐标列表；计算每个粗骨料轮廓的总周长，为每个粗骨料轮廓设定其近似多边形的目标边数，根据每个粗骨料轮廓的总周长和近似多边形的目标边数，计算近似多边形的目标边长；
S3.3、从粗骨料轮廓的顶点开始，根据步骤S3.2中计算出的目标边长，在轮廓上逐步添加线段，使得线段长度逐渐接近目标边长，并在顶点列表中记录近似多边形的顶点坐标；
S3.4、在完成近似多边形的构建后，将起始点的坐标再次添加到顶点列表的末尾，以使近似多边形闭合；其中，顶点列表中各点的顺序与轮廓中各点的顺序保持相同，以确保多边形按照轮廓的方向闭合。
进一步的，所述步骤S3.3具体如下：
S3.31、针对每个近似多边形初始化一个空的顶点列表，用于存储近似多边形的顶点坐标；
S3.32、从粗骨料轮廓上任意选取一个顶点作为起始点，并且将该起始点作为当前顶点，同时初始化当前线段长度为0；
S3.33、计算当前顶点与下一个顶点之间的线段长度，然后判断是否需要在当前顶点与下一个顶点之间添加一个新顶点以逼近目标边长；如果当前线段长度加上新线段长度小于目标边长，则将下一个顶点更新为当前顶点，同时更新当前线段长度；如果当前线段长度加上新线段长度大于等于目标边长，则计算新顶点的坐标，以满足预设的目标边长，然后将新顶点添加到顶点列表中；
S3.34、重复步骤S3.33，直到遍历完轮廓上的所有顶点。
进一步的，所述步骤S4具体为：
S4.1、对于近似多边形的每个顶点，先获取该顶点的坐标(x，y)，再获取与该顶点相连的两条线段的法线向量V 1和V 2，并计算对应的平均法线向量；
S4.2、根据步骤S4.1计算得到的平均法线向量与ITZ区域的厚度d，通过平均法线向量扩展该顶点，生成新的扩大后的顶点坐标/>；
S4.3、初始化两个空的顶点列表，分别用于存储近似多边形的原始顶点坐标和扩大后的顶点坐标；
S4.4、遍历近似多边形的顶点列表，依次取出每个原始顶点和对应的扩大后顶点；将原始顶点和扩大后顶点分别连接起来，则形成两条多段线坐标信息；
S4.5、通过fopen函数构建并打开.scr文件进行数据写入操作；对于每条多段线，写入绘制线段的命令，使用fprintf函数，将多段线的起点和终点坐标按照特定格式写入文件；在所有多段线绘制命令写入完成后，使用fclose函数关闭文件。
进一步的，所述步骤S5具体为：
S5.1、使用Matlab，基于需求创建一个矩形的多孔介质区域；
S5.2、在Matlab中随机生成多个圆，并根据需求设定各个圆的尺寸范围与目标孔隙率；将所有的圆投放到步骤S5.1构建的多孔介质区域内，形成模拟的混凝土砂浆和ITZ区域；其余未被圆覆盖的区域即为流体区域；
S5.3、将在Matlab中构建的多孔介质模型导入有限元数值分析软件COMSOL中；
S5.4、在COMSOL中，创建与多孔介质中的流体流动相关的物理模型，并定义流体的性质和边界条件；接着进行数值模拟，利用蠕动流接口来模拟多孔介质中的流体渗透行为；
S5.5、在Matlab中，根据所需的孔隙率变化，对原始多孔介质模型的网格进行调整；重复步骤S5.2至步骤S5.4，分别计算不同孔隙率下的多孔介质的渗透系数；
S5.6、使用Matlab对不同孔隙率下计算所得的渗透系数数据进行分析，通过数据拟合方法找出多孔介质的渗透系数与孔隙率之间的关系；
S5.7、将实验测量的混凝土砂浆与ITZ区域的孔隙率数据代入步骤S5.6中所得的渗透系数与多孔介质的孔隙率关系公式中，计算得到混凝土砂浆与ITZ区域的渗透系数。
进一步的，所述步骤S1中，通过集料图像分析系统AIMS2采集代表样本的二维投影图像。
进一步的，所述步骤S6中的材料参数通过实验获取，所述材料参数包括石灰岩骨料渗透系数、钢渣骨料渗透系数和混凝土砂浆渗透系数。
进一步的，所述步骤S7中，通过在有限元数值分析软件COMSOL中采用稳态渗流模块结合达西定律对非均质钢渣混凝土模型进行分析计算，进而获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明方法通过集料图像分析系统AIMS2批量采集骨料中代表样本的二维投影图像，并对图像进行简化多边形处理，在保证计算精度的情况下，加快后续建模速度。同时考虑石灰岩骨料与钢渣骨料的ITZ厚度的区别，构建符合实际的非均质钢渣混凝土模型，有效提高了非均质钢渣混凝土渗透系数计算的准确性。
(2)、本发明方法通过在有限元数值分析软件COMSOL中采用稳态渗流模块，结合达西定律对钢渣混凝土渗透系数进行有效评估，为工程数值模拟提供可靠保障，对钢渣混凝土的设计提供合理参考。
(3)、本发明建立了一种适用于钢渣混凝土的非均质结构模型，并结合随机骨料模型和图像辅助方法，更准确地描述其复杂的物理特性；通过将该模型导入有限元数值分析软件COMSOL，实现钢渣混凝土渗透性能的数值计算。本发明方法将有助于提高对钢渣混凝土渗透性能的理解，为工程实践中的设计和材料选择提供更精确的依据。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法的流程示意图；
图2是本发明的PFC 2D骨料集合示意图；
图3是本发明中骨料近似多边形数据获取流程示意图；
图4是本发明中骨料ITZ建模流程示意图；
图5是本发明中多孔介质模型示意图；
图6是本发明中孔隙率与渗透系数关系曲线示意图；
图7是本发明中非均质钢渣混凝土模型的结构示意图；
其中，1-石灰岩骨料，2-钢渣骨料，3-混凝土砂浆，4-ITZ区域。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖多种不同方式的实施。
请参见图1，本实施例提供一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，包括以下步骤：
步骤1、首先从石灰岩骨料1和钢渣骨料2的每个粒径尺寸范围内各选取100个代表样本，再通过集料图像分析系统AIMS2采集所选取的每个代表样本的二维投影图像，接着对采集到的所有二维投影图像进行二值化处理，得到二值化图像；然后将这些二值化图像转换为用于生成钢渣混凝土随机骨料模型的矢量图文件。
步骤2、使用离散元软件PFC 2D将矢量图文件生成钢渣混凝土随机骨料模型，如图2所示；具体步骤为：
2.1、确定石灰岩骨料1和钢渣骨料2的级配数据，级配数据包括粒径尺寸范围和每个粒径尺寸范围内的每种骨料所占的比例，并计算每个粒径尺寸范围内所需的每种骨料的个数；例如：生成的钢渣混凝土随机骨料模型的尺寸为10cm×10cm，石灰岩骨料和钢渣骨料的总占比为40%，其中，钢渣骨料替换率为50%。石灰岩骨料1和钢渣骨料2均由5~10mm和10~20mm两种粒径尺寸范围的骨料构成，且每种骨料中5~10mm与10~20mm两种粒径尺寸范围的骨料的占比为3：7。用面积分数代表体积分数，分别计算出石灰岩骨料与钢渣骨料中5~10mm和10~20mm粒径的骨料大致为8个和14个。
2.2、在离散元软件PFC 2D中，通过PFC命令流导入石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件，用于后续骨料投放。
2.3、从石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件中随机挑选出所需数量的clump；也即根据级配数据，从两个粒径尺寸范围内按步骤2.1中所确定的比例选择每种骨料的个数；
2.4、按照设计要求，将选取的clump随机投放到适当的位置，从而构建出钢渣混凝土随机骨料模型。
步骤3、通过Matlab对钢渣混凝土随机骨料模型中所有的二维投影图像一一进行多边形近似，并为这些近似多边形的顶点建立坐标数据库，如图3所示；具体步骤为：
3.1、通过Matlab对钢渣混凝土随机骨料模型进行图像二值化处理，并获取该钢渣混凝土随机骨料模型中所有粗骨料的轮廓；其中，粗骨料是指粒径为5~20mm的骨料。
3.2、使用imfill函数对二值图像进行可能存在的空洞进行填充操作，以获得更准确的轮廓线；使用bwboundarie步骤函数提取二值图像中所有粗骨料的轮廓，具体可以通过设置参数来指定提取不包含空洞的轮廓；针对提取到的每个粗骨料轮廓，获取轮廓上的点坐标列表；并通过计算轮廓上相邻点之间的距离之和来计算处每个粗骨料轮廓的总周长；为每个粗骨料轮廓设定其近似多边形的目标边数，根据每个粗骨料轮廓的总周长和近似多边形的目标边数，计算近似多边形的目标边长，即将每个粗骨料轮廓的总周长均匀分配到近似多边形的每条边上；对于近似多边形，其边数越多，就越能接近于其所近似的真实骨料形状，但计算成本也随之提高。因此，本实施例中优选设置近似多边形边数为30~50个进行简化模拟；更优选的，设置近似多边形边数为40个。
3.3、从粗骨料轮廓的顶点开始，根据步骤3.2中计算出的目标边长，在轮廓上逐步添加线段，使得线段长度逐渐接近目标边长，并在顶点列表中记录近似多边形的顶点坐标；具体步骤如下：
针对每个近似多边形初始化一个空的顶点列表，用于存储近似多边形的顶点坐标；从轮廓上任意选取一个顶点作为起始点，并且将该起始点作为当前顶点，同时初始化当前线段长度为0；计算当前顶点与下一个顶点之间的线段长度，然后判断是否需要在当前顶点与下一个顶点之间添加一个新顶点以逼近目标边长；如果当前线段长度加上新线段长度小于目标边长，则将下一个顶点更新为当前顶点，同时更新当前线段长度；如果当前线段长度加上新线段长度大于等于目标边长，则计算新顶点的坐标，以满足预设的目标边长，然后将新顶点添加到顶点列表中；重复上一个步骤，将每个新顶点依次添加到顶点列表中，直到遍历完轮廓上的所有顶点；在完成近似多边形的构建后，将起始点的坐标再次添加到顶点列表的末尾，以使近似多边形闭合；其中，顶点列表中各点的顺序与轮廓中各点的顺序保持相同，以确保多边形按照轮廓的方向闭合。本发明中，针对每一个多边形都要初始化一个顶点列表，最后会把所有多边形顶点信息汇总到一个总表里。
步骤4、利用Matlab对混凝土砂浆3和ITZ区域4（骨料与砂浆界面过渡区）进行建模并建立非均质钢渣混凝土模型，如图4所示；具体步骤为：
4.1、对于近似多边形的每个顶点，先获取该顶点的坐标(x，y)，再获取与该顶点相连的两条线段的法线向量V 1和V 2，并计算对应的平均法线向量；其中，与该顶点相连的两条线段的法线向量可以通过计算相邻点的差向量得到。
4.2、根据步骤4.1计算得到的平均法线向量与界面过渡区（ITZ）的厚度d，通过平均法线向量扩展该顶点，生成新的扩大后的顶点坐标；根据实验可得d=30μm。
4.3、初始化两个空的顶点列表，分别用于存储近似多边形的原始顶点坐标和扩大后的顶点坐标；
4.4、遍历近似多边形的顶点列表，依次取出每个原始顶点和对应的扩大后顶点；将原始顶点和扩大后顶点分别连接起来，则形成两条多段线坐标信息；
4.5、通过fopen函数构建并打开.scr文件进行数据写入操作；对于每条多段线，写入绘制线段的命令，使用fprintf函数，将多段线的起点和终点坐标按照特定格式写入文件；在所有多段线绘制命令写入完成后，使用fclose函数关闭文件。
步骤5、通过有限元计算方法建立多孔介质孔隙率与渗透系数关系；具体步骤为：
5.1、使用Matlab，基于需求创建一个矩形的多孔介质区域；
5.2、在Matlab中随机生成一系列用于模拟混凝土砂浆与ITZ区域的不可渗透部分的圆，并根据需求设定各个圆的尺寸范围与目标孔隙率。随后，将所有的圆投放到步骤5.1构建的多孔介质区域内，形成模拟的混凝土砂浆与ITZ区域；其余未被圆覆盖的区域即为流体区域；
5.3、将在Matlab中构建的多孔介质模型导入有限元数值分析软件COMSOL中；具体可通过COMSOL的API或接口来实现，以确保几何模型在两个软件之间的转换和尺寸一致。
5.4、在COMSOL中，创建与多孔介质中的流体流动相关的物理模型，并定义流体的性质和边界条件；接着，进行数值模拟，利用蠕动流接口来模拟多孔介质中的流体渗透行为。
5.5、在Matlab中，根据所需的孔隙率变化，对原始多孔介质模型的网格进行调整；重复步骤5.2至步骤5.4，分别计算不同孔隙率下的多孔介质的渗透系数。
5.6、使用Matlab对不同孔隙率下计算所得的渗透系数数据进行分析，通过数据拟合方法找出多孔介质的渗透系数与孔隙率之间的关系；即通过数据拟合可以得到渗透系数随孔隙率变化的公式，为后续的渗透系数预测提供基础。
S5.7、将实验测量的混凝土砂浆与ITZ区域的孔隙率数据代入步骤S5.6中所得的渗透系数与多孔介质的孔隙率关系公式中，计算得到砂浆与ITZ区域的渗透系数。
步骤6、对步骤4中建立的非均质钢渣混凝土模型赋予材料参数和边界条件；其中的材料参数通过实验获取，材料参数包括石灰岩骨料渗透系数、钢渣骨料渗透系数和混凝土砂浆渗透系数。
步骤7、根据达西定律预测非均质钢渣混凝土的渗透系数，如图7所示。该步骤中通过在有限元数值分析软件COMSOL中采用稳态渗流模块结合达西定律对非均质钢渣混凝土模型进行分析计算，进而获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先从石灰岩骨料和钢渣骨料的每个粒径尺寸范围内分别选取若干个代表样本，再采集所选取的每个代表样本的二维投影图像，接着对采集到的所有二维投影图像进行二值化处理，然后将二值化后的图像转换为矢量图文件；
S2、使用离散元软件PFC 2D将矢量图文件生成钢渣混凝土随机骨料模型；
S3、通过Matlab对钢渣混凝土随机骨料模型中所有的二维投影图像一一进行多边形近似，并为这些近似多边形的顶点建立坐标数据库；
S4、利用Matlab对混凝土砂浆和ITZ区域进行建模，并建立非均质钢渣混凝土模型；具体步骤为：
S4.1、对于近似多边形的每个顶点，先获取该顶点的坐标(x，y)，再获取与该顶点相连的两条线段的法线向量V 1和V 2，并计算对应的平均法线向量；
S4.2、根据步骤S4.1计算得到的平均法线向量和ITZ区域的厚度d，通过平均法线向量扩展该顶点，生成新的扩大后的顶点坐标/>；
S4.3、初始化两个空的顶点列表，分别用于存储近似多边形的原始顶点坐标和扩大后的顶点坐标；
S4.4、遍历近似多边形的顶点列表，依次取出每个原始顶点和对应的扩大后顶点；将原始顶点和扩大后顶点分别连接起来，形成两条多段线坐标信息；
S4.5、通过fopen函数构建并打开.scr文件进行数据写入操作；对于每条多段线，写入绘制线段的命令，使用fprintf函数，将多段线的起点和终点坐标按照特定格式写入文件；在所有多段线绘制命令写入完成后，使用fclose函数关闭文件；
S5、通过有限元计算方法建立多孔介质孔隙率与渗透系数关系；具体步骤为：
S5.1、使用Matlab，基于需求创建一个矩形的多孔介质区域；
S5.2、在Matlab中随机生成多个圆，并根据需求设定各个圆的尺寸范围与目标孔隙率；将所有的圆投放到步骤S5.1构建的多孔介质区域内，形成模拟的混凝土砂浆和ITZ区域；其余未被圆覆盖的区域即为流体区域；
S5.3、将在Matlab中构建的多孔介质模型导入有限元数值分析软件COMSOL中；
S5.4、在COMSOL中，创建与多孔介质中的流体流动相关的物理模型，并定义流体的性质和边界条件；接着进行数值模拟，利用蠕动流接口来模拟多孔介质中的流体渗透行为；
S5.5、在Matlab中，根据所需的孔隙率变化，对原始多孔介质模型的网格进行调整；重复步骤S5.2至步骤S5.4，分别计算不同孔隙率下的多孔介质的渗透系数；
S5.6、使用Matlab对不同孔隙率下计算所得的渗透系数数据进行分析，通过数据拟合方法找出多孔介质的渗透系数与孔隙率之间的关系；
S5.7、将实验测量的混凝土砂浆与ITZ区域的孔隙率数据代入步骤S5.6中所得的渗透系数与多孔介质孔隙率关系公式中，计算得到混凝土砂浆与ITZ区域的渗透系数；
S6、对步骤S4中建立的非均质钢渣混凝土模型赋予材料参数和边界条件；
S7、通过在有限元数值分析软件COMSOL中采用稳态渗流模块结合达西定律对非均质钢渣混凝土模型进行分析计算，进而获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：
S2.1、确定石灰岩骨料和钢渣骨料的级配数据，所述级配数据包括粒径尺寸范围和每个粒径尺寸范围内的每种骨料所占的比例，并计算每个粒径尺寸范围内所需的每种骨料的个数；
S2.2、在离散元软件PFC 2D中，使用PFC命令流导入石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件；
S2.3、从石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件中随机挑选出所需数量的clump；
S2.4、按照设计要求，将选取的clump随机投放到适当的位置，从而构建出钢渣混凝土随机骨料模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：
S3.1、通过Matlab对钢渣混凝土随机骨料模型进行图像二值化处理，并获取该钢渣混凝土随机骨料模型中所有粗骨料的轮廓；
S3.2、对二值图像进行空洞填充操作；使用bwboundaries函数提取二值图像中所有粗骨料的轮廓；针对提取到的每个粗骨料轮廓，获取轮廓上的点坐标列表；计算每个粗骨料轮廓的总周长，为每个粗骨料轮廓设定其近似多边形的目标边数，根据每个粗骨料轮廓的总周长和近似多边形的目标边数，计算近似多边形的目标边长；
S3.3、从粗骨料轮廓的顶点开始，根据步骤S3.2中计算出的目标边长，在轮廓上逐步添加线段，使得线段长度逐渐接近目标边长，并在顶点列表中记录近似多边形的顶点坐标；
S3.4、在完成近似多边形的构建后，将起始点的坐标再次添加到顶点列表的末尾，以使近似多边形闭合；其中，顶点列表中各点的顺序与轮廓中各点的顺序保持相同，以确保多边形按照轮廓的方向闭合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3.3具体如下：
S3.31、针对每个近似多边形初始化一个空的顶点列表；
S3.32、从粗骨料轮廓上任意选取一个顶点作为起始点，并且将该起始点作为当前顶点，同时初始化当前线段长度为0；
S3.33、计算当前顶点与下一个顶点之间的线段长度，然后判断是否需要在当前顶点与下一个顶点之间添加一个新顶点以逼近目标边长；如果当前线段长度加上新线段长度小于目标边长，则将下一个顶点更新为当前顶点，同时更新当前线段长度；如果当前线段长度加上新线段长度大于等于目标边长，则计算新顶点的坐标，以满足预设的目标边长，然后将新顶点添加到顶点列表中；
S3.34、重复步骤S3.33，直到遍历完轮廓上的所有顶点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中通过集料图像分析系统AIMS2采集代表样本的二维投影图像。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中的材料参数通过实验获取，所述材料参数包括石灰岩骨料渗透系数、钢渣骨料渗透系数和混凝土砂浆渗透系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311337892.XA CN117077501B (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311337892.XA CN117077501B (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117077501A CN117077501A (zh) | 2023-11-17 |
| CN117077501B true CN117077501B (zh) | 2024-01-09 |
Family
ID=88708399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311337892.XA Active CN117077501B (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117077501B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110147601A (zh) * | 2019-05-14 | 2019-08-20 | 深圳大学 | 一种预测混凝土中有害物质扩散的耦合模拟方法 |
| CN110706352A (zh) * | 2019-10-10 | 2020-01-17 | 重庆交通大学 | 基于多边形随机骨料的混凝土三相细观模型构建及内氯离子侵蚀数值模拟方法 |
| CN113092248A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法 |
| CN113486530A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-10-08 | 南京工业职业技术大学 | 一种氯离子环境下钢筋混凝土使用状态分析的宏细观模型等效方法 |
| WO2022139301A1 (ko) * | 2020-12-21 | 2022-06-30 | 한국건설기술연구원 | 딥러닝 기반 콘크리트 구조물의 열화 평가 시스템 및 그 방법 |
| CN115482891A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-12-16 | 合肥工业大学 | 基于凸多边形的再生混凝土细观随机骨料模型的构建方法 |
| CN115525961A (zh) * | 2022-11-29 | 2022-12-27 | 中南大学 | 非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001266159A (ja) * | 2000-03-17 | 2001-09-28 | Toshiba Corp | 物体領域情報生成方法及び物体領域情報生成装置並びに近似多角形生成方法及び近似多角形生成装置 |
| CN109543350B (zh) * | 2018-12-20 | 2023-03-24 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 基于细观模型重构的透水混凝土性能预测方法及系统 |
| US11703499B2 (en) * | 2021-09-24 | 2023-07-18 | X Development Llc | Method to produce evolving concrete mixture heuristic |
-
2023
- 2023-10-17 CN CN202311337892.XA patent/CN117077501B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110147601A (zh) * | 2019-05-14 | 2019-08-20 | 深圳大学 | 一种预测混凝土中有害物质扩散的耦合模拟方法 |
| CN110706352A (zh) * | 2019-10-10 | 2020-01-17 | 重庆交通大学 | 基于多边形随机骨料的混凝土三相细观模型构建及内氯离子侵蚀数值模拟方法 |
| WO2022139301A1 (ko) * | 2020-12-21 | 2022-06-30 | 한국건설기술연구원 | 딥러닝 기반 콘크리트 구조물의 열화 평가 시스템 및 그 방법 |
| CN113092248A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法 |
| CN113486530A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-10-08 | 南京工业职业技术大学 | 一种氯离子环境下钢筋混凝土使用状态分析的宏细观模型等效方法 |
| CN115482891A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-12-16 | 合肥工业大学 | 基于凸多边形的再生混凝土细观随机骨料模型的构建方法 |
| CN115525961A (zh) * | 2022-11-29 | 2022-12-27 | 中南大学 | 非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于matlab-混凝土二维细观结构数值模拟骨料随机投放;高利甲等;《湖南工程学院学报》;第21卷(第1期);第81-84页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117077501A (zh) | 2023-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110706352B (zh) | 基于多边形随机骨料的混凝土三相细观模型构建及内氯离子侵蚀数值模拟方法 | |
| Zheng et al. | Roundness and sphericity of soil particles in assemblies by computational geometry | |
| Zhou et al. | Quick image analysis of concrete pore structure based on deep learning | |
| CN107393005B (zh) | 一种三维岩石块体系统建模方法 | |
| CN109191561B (zh) | 面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法 | |
| CN102509339B (zh) | 一种带纹理约束的三维模型顶点聚类简化方法 | |
| CN103325137B (zh) | 天然气水合物藏储层孔隙骨骼结构的提取方法 | |
| CN111784840B (zh) | 基于矢量数据自动分割lod层级三维数据单体化方法及系统 | |
| CN110675508A (zh) | 一种bim模型几何图形化简方法 | |
| CN110851972B (zh) | 基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置 | |
| Horna et al. | Consistency constraints and 3D building reconstruction | |
| CN112199758A (zh) | 基于bim技术的基坑工程设计与动态风险分析方法及系统 | |
| CN115311410A (zh) | 沥青混合料三维离散元模型构建方法、存储介质及设备 | |
| CN110990926B (zh) | 一种基于面积修正率的城市地表建筑水动力学仿真方法 | |
| CN110349262B (zh) | 一种基于bim的隧道超前地质预报三维建模方法及系统 | |
| CN117077501B (zh) | 一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法 | |
| Bolognesi et al. | Extraction of primitives and objects from hshapes | |
| CN103995944A (zh) | 一种空间异常极值无偏等值图绘制方法 | |
| CN115050431B (zh) | 一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法 | |
| CN113268906B (zh) | 基于Comsol Multiphysics的三维随机骨料网格映射划分方法 | |
| CN115114706A (zh) | 边坡的设计方法、装置、设备及计算机可读存储介质 | |
| Zhang et al. | Modelling the hydraulic performance of open graded asphalt using the discrete element method and computational fluid dynamics | |
| Dore | Procedural Historic Building Information Modelling (HBIM) for recording and documenting European classical architecture | |
| CN112150628A (zh) | Bim数据在gis平台中构建三维体数据模型的方法 | |
| Adalsteinsson et al. | Accurate and efficient implementation of pore-morphology-based drainage modeling in two-dimensional porous media |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |