CN117373581B - 一种水泥石几何曲折度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，提供一种水泥石几何曲折度预测方法。该方法首先基于水化程度建立水泥石几何曲折度模型；水泥石几何曲折度通过未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达；水泥颗粒的几何曲折度是基于扩散离子在孔隙中的传输有效路径建模得到的，传输有效路径是根据水泥颗粒的形貌特征和排列方式确定的，传输有效路径包括有效长路径和有效短路径；有效长路径为孔隙管道的中心线，有效短路径为孔隙管道中贴近水泥颗粒的最短路径；利用所建立的水泥石几何曲折度模型获取水泥石几何曲折度的模拟值。该方案通过合理确定传输路径，提高水泥石曲折度模拟精度。
Description
技术领域
本申请涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，特别涉及一种水泥石几何曲折度预测方法。
背景技术
孔隙的曲折度是预测侵蚀介质在水泥基复合材料传输特性的关键参数。目前，部分学者通过试验和理论相结合方法尝试给出了水泥基材料孔隙几何曲折度预测模型，然而，由于现有模型的孔隙路径选取问题，导致传输路径不连贯，预测结果偏差较大。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种水泥石几何曲折度预测方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种水泥石几何曲折度预测方法，包括：
基于水化程度建立水泥石几何曲折度模型；
其中，所述水化程度通过水灰比和水化龄期来表征；
水泥石几何曲折度通过未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达；
未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度是基于扩散离子分别在未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒孔隙中的传输有效路径建模得到的，所述传输有效路径是根据未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式确定的，所述传输有效路径包括有效长路径和有效短路径；所述有效长路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道的中心线，所述有效短路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道中贴近水泥颗粒的最短路径；
利用水泥石几何曲折度模型获取水泥石几何曲折度的模拟值。
优选地，所述水泥石几何曲折度模型的表达式为：
，
式中，为水泥石的几何曲折度，为水泥石的水化程度，为水化龄期，为未水化水泥颗粒的几何曲折度，为完全水化水泥颗粒的几何曲折度。
优选地，未水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式，具体为：
所述未水化水泥颗粒的理想形状假定为球形，随机堆积的未水化水泥颗粒以等边三角形的形式排列。
优选地，根据扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效长路径确定未水化水泥颗粒的上限曲折度的表达式，根据扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效短路径确定未水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式，将未水化水泥颗粒的上限曲折度与未水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式称为未水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型，所述未水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型具体如下：
，
式中，、分别为未水化水泥颗粒的上、下限曲折度； 、 分别为扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径的长度；为扩散离子在未水化水泥颗粒中传输路径的最短直线长度；为未水化水泥颗粒的平均粒径；为未水化水泥颗粒之间的平均间隙。
优选地，完全水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式，具体为：
所述完全水化水泥颗粒的理想形状假定为球形、正十二面体、立方体，随机堆积的完全水化水泥颗粒呈均匀分布形式。
根据扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效长路径确定完全水化水泥颗粒的上限曲折度的表达式，根据扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效短路径确定完全水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式，将完全水化水泥颗粒的上限曲折度与完全水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式称为完全水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型，所述完全水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型具体如下：
，
式中，、分别为完全水化水泥颗粒的上、下限曲折度；、分别为扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径的长度；为扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输路径的最短直线长度；为完全水化水泥颗粒的平均粒径；为完全水化水泥颗粒之间的平均间隙。
优选地，根据水泥石的水化龄期确定水泥石的水化程度，的表达式为：
，
式中，为水灰比，表示自然常数为底的指数函数。
优选地，还包括：
根据不规则水泥颗粒与理想形状下水泥颗粒的体积等效原理，引入形状因子修正理想形貌和真实形貌之间的差异，修正后的水泥石几何曲折度模型为：
，
式中，、分别是修正后的水泥石上、下限曲折度；和分别是未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子；是与水灰比有关的影响修正系数。
有益效果：本申请提供的技术方案中，根据水化程度不同，将水泥石视为由未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒（即水化产物颗粒）组成，使用未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达水泥石几何曲折度模型，并利用该水泥石几何曲折度模型获取水泥石几何曲折度的模拟值。其中，水化程度通过水灰比和水化龄期来表征；未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度是基于扩散离子分别在未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒孔隙中的传输有效路径建模得到的，传输有效路径是根据未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式确定的，传输有效路径包括有效长路径和有效短路径；有效长路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道的中心线，有效短路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道中贴近水泥颗粒的最短路径。可见，本方案提供的水泥石几何曲折度模型不仅充分考虑到水泥水化反应过程中时变特征对曲折度的影响，还对传输路径进行了优化，使得其更符合扩散离子在水泥孔隙中运动的规律，进而提高了模型精度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的水泥石几何曲折度预测方法的流程示意图。
图2为未水化水泥颗粒的排列与传输路径示意图，其中，（a）为未水化水泥颗粒排列与传输路径的示意图，（b）为未水化水泥颗粒的代表性单元局部放大后排列的示意图。
图3是侵蚀介质在窄孔隙通道和宽孔隙通道中的有效传输路径示意图，其中，（a）为窄孔隙通道中的有效传输路径的示意图，（b）为宽孔隙通道中的有效传输路径的示意图。
图4为完全水化水泥颗粒的排列与传输路径示意图，其中，（a）为正十二面体颗粒的排列与传输路径的示意图，（b）为立方体颗粒的排列与传输路径的示意图。
图5为代表性单元局部放大后排列的示意图，其中，（a）为正十二面体颗粒的代表性单元局部放大后排列的示意图，（b）为立方体颗粒的代表性单元局部放大后排列的示意图。
图6为不同水灰比的硬化水泥浆体的MIP测试结果的示意图。
图7为本申请的一些实施例提供的水泥石几何曲折度模型的模拟结果与试验结果的对比示意图。
图8为本申请的一些实施例提供的水泥石几何曲折度模型的模拟结果与Luo的试验结果对比示意图。
图9为本申请的一些实施例提供的水泥石几何曲折度模型的模拟结果与Miao的试验结果对比示意图。
具体实施方式
为了理解本实施例的技术方案，下面对相关技术进行说明。
孔隙的曲折度被广泛用作预测岩石、土壤等多孔介质输运特性的关键参数，但与其他微观结构特性不同，曲折度的概念在不同的背景下给出了多种定义和各种评估方法。对结构混凝土而言，孔隙的几何曲折度既是反映了混凝土中孔的弯曲程度，也控制着侵蚀介质在混凝土中传输过程和传输的速率，对其进行准确评估是分析侵蚀介质在结构混凝中传输特性和预测服役寿命的基础。
曲折度的概念最早是由Kozeny基于毛细管实验提出的，由Carman进一步完善。曲折度()通常定义为沿宏观流动方向的有效长度()与直线距离()之比，即：。目前，通用领域常见的孔隙曲折度评估方法有实验测量、理论建模、图像分析和物理仿真。然而，将这些通用领域的测量方法应用到水泥基材料的孔隙曲折度测量却存在一定的局限性，以图像分析和物理仿真方法为例，由于水泥基材料的孔隙是从纳米到微米的多孔结构，而且孔隙随浆体的水化、水泥颗粒形貌影响变化，受到图像分辨率和计算机运算效率的限制，使用图像分析和物理仿真方法不能完全将水泥基材料的多尺度孔隙结构量化，导致对水泥基材料的孔隙几何曲折度解析极其困难。
为此，本申请实施例基于硬化水泥浆体孔结构时变特征，系统地提出了传输路径更为合理的水泥石几何曲折度预测模型。在该模型中，扩散离子的有效传输路径包括有效长路径和有效短路径，并根据不同水泥颗粒的理想形貌特征和排列方式确定分别有效长路径和有效短路径，利用有效长路径和有效短路径构建曲折度模型，使得传输路径的选择更加合理，进而能够提高水泥石几何曲折度预测的准确度。此外，该模型还充分考虑水灰比、水泥颗粒形状因子、水泥水化程度等对孔结构的影响，在建模过程中引入水泥颗粒形状因子对理想形貌与真实形貌之间的差异进行修正，进一步提高模型适用性和可靠性，模拟结果能够为侵蚀介质在水泥基材料多孔材料中的传输和服役寿命预测提供关键指标。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
实施例：
本申请实施例提供一种水泥石几何曲折度预测方法，图1为根据本申请的一些实施例提供的水泥石几何曲折度预测方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括：
步骤S101、基于水化程度建立水泥石几何曲折度模型。
本实施例中，硬化水泥浆体（也称为水泥石）通常由未水化水泥颗粒、水化产物颗粒（也称为完全水化颗粒）、孔隙以及孔隙中的水组成。
水化程度不同，孔隙的数量、尺度大小、分布也受未水泥颗粒和水化产物颗粒相对比例、形貌影响，本实施例中，水化程度通过水灰比（）和水化龄期（）来表征。
基于硬化水泥浆体主要组成包括未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒，故本实施例中，水泥石几何曲折度通过未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达，水化程度决定了二者在模拟结果中所占的比重。
进一步地，分别对未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的几何曲折度进行分别建模。本实施例中，未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度是基于扩散离子分别在未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒孔隙中的传输有效路径建模得到的。
为了最大程度确保传输路径与扩散离子的运动路径相符合，本实施例中，传输有效路径是根据未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式确定的，传输有效路径包括有效长路径和有效短路径；有效长路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道的中心线，有效短路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道中贴近水泥颗粒的最短路径。
步骤S102、利用水泥石几何曲折度模型获取水泥石几何曲折度的模拟值。
综上，本实施例结合水泥基材料的时变特性，基于水化程度构建水泥石几何曲折度模型，该模型通过未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达，在对未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的几何曲折度建模过程中，考虑到扩散离子在水泥颗粒不同形貌特征和排列方向下的运动规律，将传输的有效长路径确定为孔隙管道的中心线，有效短路径确定为孔隙管道贴近水泥颗粒的最短路径，再依据有效长路径、有效短路径分别表示出未水化水泥颗粒、完全水化水泥颗粒的曲折度上、下限，使得曲折度模型预测精度得到有效提升，进而能够为业界研究侵蚀介质在水泥基材料多孔材料中的传输和服役寿命提供关键性指标，推动水泥基材料寿命预测技术的发展。
基于上述实施例，硬化水泥浆体的几何曲折度（即水泥石几何曲折度）通过未水化的水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值来表达，具体表达式如下：
（1）
式中，为水泥石的几何曲折度，为水泥石的水化程度，为水化龄期，为未水化水泥颗粒的几何曲折度，为完全水化水泥颗粒的几何曲折度。
公式（1）中，又称为水泥颗粒在硬化水泥浆体中传输路径的理想曲折度，水化程度与水灰比（）、水化龄期（）之间的关系可表示为：
（2）
式中，为水灰比，表示自然常数为底的指数函数。
水化程度不同，决定了未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒在水泥石总体组成的占比不同，本实施例中，在依据水化程度建立模型的基础上，分别介绍未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的建模过程。
首先，对未水化水泥颗粒的几何曲折度进行建模。
未水化水泥颗粒的几何曲折度是基于扩散离子在未水化水泥颗粒孔隙中的传输有效路径建模得到的，而传输有效路径是与未水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式有关。
实践中，未水化水泥颗粒平均粒径大多在50μm以下，且颗粒形貌基本成球形且均匀分布。为了便于建模，本实施例将未水化水泥颗粒的理想形状假定为球形，随机堆积的未水化水泥颗粒以等边三角形的形式排列。
参见图2，图2为未水化水泥颗粒的排列与传输路径示意图，其中，（a）是未水化水泥颗粒排列与传输路径的示意图，假设球形的未水化水泥颗粒均匀排列，扩散离子的传输路径如图中从左到右箭头所示。假设未水化水泥颗粒间的距离均为，取其中一个代表性单元作为研究对象，即图2的（a）部分的虚线方框部分，代表性单元的局部放大图如图2的（b）部分所示。根据化学势规律，扩散离子在化学势的作用下沿最大浓度梯度方向运动，即离子的传输路径是由A至B再沿1/4弧形至C。考虑到孔隙尺度大小不同，其传输路径也不同。参照图3，图3是侵蚀介质在窄孔隙通道和宽孔隙通道中的有效传输路径示意图，（a）为窄孔隙通道中的有效传输路径的示意图，（b）为宽孔隙通道中的有效传输路径的示意图。按照Dijkstra’s algorithm可知，介质在小尺度孔隙管道（窄孔隙通道）中传输时有效长度可视为沿管道的边壁线，如图3的（a）部分所示，而在大尺度的孔隙通道（宽孔隙通道）中传输时的有效长度可视为管道的中心线。因此，基于未水化水泥颗粒在理想状态下呈球形且以等边三角形的形式排列的假设，参照图2的（b）部分所示，可以推断出，扩散离子未水化水泥颗粒中传输的有效长路径长度为：，有效短路径长度为：，两种路径相应的最短直线长度，进而可以确定未水化水泥颗粒的几何曲折度存在上限和下限两种情况。本实施例中，基于曲折度的定义，根据扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效长路径确定未水化水泥颗粒的上限曲折度的表达式，根据扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效短路径确定未水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式，将未水化水泥颗粒的上限曲折度与未水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式称为未水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型，未水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型具体如下：
（3）
式中，、分别为未水化水泥颗粒的上、下限曲折度； 、 分别为扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径的长度；为扩散离子在未水化水泥颗粒中传输路径的最短直线长度；为未水化水泥颗粒的平均粒径；为未水化水泥颗粒之间的平均间隙。
图2的（b）部分所示的未水化水泥颗粒之间的几何关系，可以得到未水化水泥的孔隙率，其表达式如下：
（4）
式中，为未水化水泥的孔隙率，一般情况下，取58%；为代表性单元的路径面积，为代表性单元的总面积；为未水化水泥颗粒的平均粒径；为未水化水泥颗粒之间的平均间隙。
由公式（4）可得，未水化水泥颗粒之间的平均间隙与平均粒径的比值为：
（5）
将公式（5）代入公式（3），可得到未水化水泥颗粒的几何曲折度与孔隙率之间的关系式：
（6）
以上是未水化水泥颗粒的几何曲折度的建模过程。下面介绍完全水化水泥颗粒的几何曲折度的建模过程。
随着水泥水化反应地不断进行，水化后产物逐渐增多令水泥颗粒间的孔隙不断减少，硬化水泥体的几何曲折度随之改变。通过对水化水泥颗粒的形貌分析，大多粒子形貌呈球形、正十二面体、立方体以及其他非规则形貌，因此，本实施例将完全水化水泥颗粒的理想形状假定为球形、正十二面体、立方体，随机堆积的完全水化水泥颗粒呈均匀分布形式。
根据体视学原理知，理想形状下单位体积内粒子的体积比等于其面积之比，故水泥水化产物颗粒（完全水化水泥颗粒）之间的体分布与面积分布也是相同的，故本实施例通过分析完全水化水泥颗粒面积分布的几何关系来确定其传输路径。参照图4，图4为完全水化水泥颗粒的排列与传输路径的示意图，其中，（a）为正十二面体颗粒排列与传输路径的示意图，（b）为立方体颗粒排列与传输路径的示意图，扩散离子的传输路径如图4中从左到右箭头所示。假定完全水化水泥颗粒之间的平均间隙均为，完全水化水泥颗粒的平均粒径为，传输路径应贴近颗粒并选取最短路径。从图4的（a）、（b）各取其中一代表性单元（见图4中虚线示出）作为研究对象进行曲折度建模，代表性单元局部放大后排列的示意图如图5所示，其中，图5的（a）为正十二面体颗粒的代表性单元局部放大后排列的示意图，图5的（b）为立方体颗粒的代表性单元局部放大后排列的示意图。
基于前述分析，按照Dijkstra’s algorithm可知，传输路径在不同尺度的孔隙中是不同的，在窄孔隙管道中，传输路径为沿管道的边壁线，而在宽孔隙管道中，传输路径为颗粒间隙的中心线。故，完全水泥水化粒子的几何曲折度又分上限、下限曲折度两种情况，上限、下限曲折度的表达式分别依据扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径来确定。参照图5对代表性单元的局部放大图进行分析。在正十二面体中（即图5的（a）部分），有效长路径的长度为，有效短路径长度 ，两种路径相应的最短直线长度。同理，在立方体中（即图5的（b）部分），传输路径是由A经B、C至E，因此，传输路径的有效长路径长度，有效短路径长度，相应的直线最短长度。据图4、图5所示的几何关系，可以推导出颗粒形貌为球形、正十二面体和立方体的完全水化水泥浆体的曲折度上下限为：
（7）
式中，、分别为完全水化水泥颗粒的上、下限曲折度；、分别为扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径的长度；为扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输路径的最短直线长度；为完全水化水泥颗粒的平均粒径；为完全水化水泥颗粒之间的平均间隙。
由完全水化水泥颗粒之间的几何关系，可以得到完全水化水泥的孔隙率为：
（8）
式中，为完全水化水泥的孔隙率；为代表性单元中的传输路径面积；为代表性单元总面积；为完全水化水泥颗粒的平均粒径；为完全水化水泥颗粒之间的平均间隙。
由公式（8）可以推导出完全水化水泥颗粒之间的平均间隙与完全水化水泥颗粒的平均粒径的比值，关系式如下：
（9）
将公式（9）代入公式（7），可得完全水化水泥颗粒的上、下限曲折度与孔隙率之间的关系，其表达式如下：
（10）
通过以上步骤分别对未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度进行建模，在使用二者的平均值来表达水泥石几何曲折度，进而构建出水泥石几何曲折度预测模型，该模型改变了以孔隙中心线作为传输路径的思路，根据孔隙尺度不同，考虑水泥颗粒的形貌特征和排列形状，确定合理的传输路径，由此提高了模型预测的精度。
进一步地，在上述实施例的基础上，考虑到公式（6）所示的曲折度是根据理想状态下规则水泥颗粒形状推导出来的，实际中水泥颗粒还可能呈现多种形貌特征，为进一步提高硬化水泥浆体的几何曲折度预测模型的精度，本实施例对水泥颗粒水化前（即未水化水泥）和水化后的形貌做出不同的假设：水泥水化前，水泥颗粒呈松散状态堆积，可假设水泥颗粒为体积相同的球形颗粒；水泥水化后，水泥颗粒相互粘附，可假设水泥颗粒为体积相同的立方体颗粒。利用不规则水泥颗粒与理想水泥颗粒的体积等效原理，根据球形度和立方度的定义引入形状因子来修正水泥颗粒的理想形状和真实形状之间的差异，此外，考虑到水化粒子的形貌特征还受到水化空间，即水灰比的影响，因此，综合考虑水泥颗粒形貌和水灰比的影响，对前述实施例提供的水泥石几何曲折度模型进行修正，修正后的水泥石几何曲折度模型为：
（11）
式中，、分别是修正后的水泥石上、下限曲折度；和分别是未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子；是与水灰比有关的影响修正系数。
其中，与水灰比有关的影响修正系数可根据硬化水泥浆体弯曲变形的压汞法（MIP）试验结果的拟合度来表示，其表达式如下：
（12）
式中，为水泥石的水化程度，为水灰比。
公式（11）中，未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子的表达式如下：
（13）
（14）
式中，和分别是未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子；为水泥颗粒的表面积；为理想状态下未水化水泥颗粒的表面积；为理想状态下完全水化水泥颗粒的表面积。
进一步地，公式（13）、（14）中，水泥颗粒的表面积可以通过水泥的比表面积来表示，其表达式如下：
（15）
式中，为水泥密度，取3150kg/m3；为单位水泥颗粒的体积，取4.0×10-15m3；为水泥颗粒的比表面积，取369 m2/kg，则=4.6494×10-9 m2。
公式（13）、（14）中，理想状态下未水化水泥颗粒的表面积和理想状态下完全水化水泥颗粒的表面积可以根据体积等效原理，用单位水泥颗粒的体积来表示，表达式如下：
（16）
（17）
将公式（15）~（17）代入公式（13）、（14），可得：
（18）
（19）
根据各个参数的取值可得：未水化水泥颗粒平均形状因子= 1.95，完全水化水泥颗粒平均形状因子=1.75。
考虑到水泥颗粒被假设为球形、正十二面体、立方体三种不同形貌，使用形状因子对不同形貌下的水泥颗粒进行修正，得到不同形貌下的修正曲折度，其表达式如下：
（20）
式中，、和分别是水泥颗粒形貌视为球形、正十二面体和立方体的硬化水泥浆体的修正曲折度，、和分别是水泥颗粒形貌视为球形、正十二面体和立方体的形状因子。
不同形貌下的形状因子可表示为：
（21）
式中、和分别为水泥颗粒形貌视为球形、正十二面体和立方体的表面积；、和为等体积球形骨料的表面积，其中===。则骨料形貌视为球形、正十二面体和立方体的形状因子，理论上计算分别是=1、=1.05和=1.11。
形状因子为验证上述实施例提供的曲折度模型预测结果的准确性和可靠性，下面对试验验证过程进行说明。
目前，业界常用的多孔介质的曲折度测试方法包括：电导率、扩散试验、压汞法（MIP），本实施例采用压汞法获得孔隙曲折度的试验结果。压汞法是表征水泥基材料孔结构特征最广泛采用的方法，可以测量和评估硬化水泥浆体、砂浆和混凝土的孔隙率和曲折度。
具体试验过程如下：选用 P.I 42.5硅酸盐水泥，分别成型不同水灰比为0.25、0.35、0.45和0.55的水泥净浆，搅拌好后倒入500ml的塑料烧杯中，震动3分钟，再注入直径为16mm的PVC管中，再震动2分钟(0.55水灰比浆体除外)。震动的目的是将拌合时产生的气泡尽量排除，降低试验误差。
在实验室静置24小时后，将试件放入标准养护室(温度(20±3)℃、相对湿度90%以上)养护三天后将试样从PVC管取出除去两端，取中间样品高度约为18mm，再标养至28d（天）。测试前将样品破碎后浸泡无水乙醇中，阻止水化，在60℃的烘箱中烘干样品至恒重。
不同水灰比（）的硬化水泥浆体的MIP测试结果如图6所示，由图6知，由于水化龄期不同，水化程度也不同，导致硬化水泥浆体中存在不同尺度孔隙，同时，孔隙的尺度还受到配比的影响，水灰比为0.35的浆体中的孔主要以100nm为主，而水灰比为0.45的浆体中的孔主要以20nm孔为主，水灰比0.45的浆体孔尺度相对小。
利用前述实施例提供的水泥石几何曲折度预测方法进行模拟预测，具体地，取未水化水泥颗粒平均形状因子= 1.95，完全水化水泥颗粒平均形状因子=1.75。将水灰比的取值：0.25、0.35、0.45和0.55分别代入公式（2），求得硬化水泥浆体28d时的水化程度分别为：0.54、0.63、0.70、0.74。将上述形状因子、代入修正后的水泥石几何曲折度模型，即公式（11），计算出不同形貌下水泥颗粒曲折度上下限，然后对不同形貌下的水泥颗粒的模拟结果取上下限的平均值，可得硬化水泥浆体在28d时的曲折度模拟结果，与MIP试验结果进行对比，如图7所示。
从图7可以看出，硬化水泥浆体的曲折度模拟结果与试验结果基本吻合，相对而言，通过形状因子修正后的水泥颗粒，其MIP试验结果与模拟结果的吻合度更高，以水泥颗粒为正十二面体的模拟结果为例，其最大误差为11.60%，可见，与未使用形状因子对模型进行修正相比，修正后的曲折度模型提高了模拟精度。
为进一步验证模型的稳定性、可靠性，本实施例还采用学者Luo等提供的试验结果与本实施例提供的模拟结果进行对比。其中，Luo等采用 P.I 42.5基准硅酸盐水泥制备了水灰比为0.3、0.4和0.5的水泥浆体，室温条件下养护90d后置于低温烘箱中干燥；Miao等采用P.I 42.5硅酸盐水泥水泥制备了水灰比为0.3、0.4和0.5的水泥浆体，置于20℃室温环境养护24h后放入水中进行室温条件养护56d。将上述参数分别代入公式(2)和公式(11)中，获取相应的模拟结果。图8、图9为模拟结果与试验结果对比示意图，从图8、9中可以看出，虽然不同学者采用不同品种水泥、不同水灰比、水化龄期以及不同的砂浆的配合比，但试验结果与本实施例提供的模型预测结果也能够达到较高的吻合度。整体而言，硬化浆体试样的最大误差仅是19.76%，进一步证明本模型预测结果准确、可靠。
为了说明所建立的模型机理，下面对相关影响因素进行分析。
（1）水灰比对曲折度的影响
水化龄期28d、水灰比为0.2~0.6的硬化水泥浆体对几何曲折度的影响结果如表1所示。
表1 水灰比与曲折度的关系
从表1可以看出，水泥基材料的曲折度随着水灰比的增加而减小，当水灰比从0.2增加到0.6时，硬化水泥浆体的曲折度从13.68下降到7.23，表明水灰比对水泥基材料的曲折度有重要影响。随着水灰比的增加，水泥基材料的孔隙率增大，孔隙连通性更好，低水灰比0.2的水泥基材料的孔隙连通性低于高水灰比0.6的水泥基材料，孔的连通性将直接缩短水泥基材料的传输路径，并导致传输曲折度的降低。
（2）水泥体积分数对曲折度的影响
水泥颗粒在水泥基材料中的含量不仅对其强度、刚度等力学性能有重要影响，而且对其孔隙率、曲折度和连通性等微观结构也有重要影响。为了定量描述颗粒体积分数对水泥基材料曲折度的影响，模拟了水化龄期28d的水泥基材料中不同水泥体积分数来分析对曲折度的影响，结果如表2所示。
表2 水泥体积分数与曲折度的关系
从表2可以看出，硬化水泥浆体的曲折度随着水泥体积分数的增加而增加，当水泥体积分数从0.2增加到0.8时，硬化水泥浆体的曲折度从1.81增加到9.63，相应的水泥体积分数引起的曲折度变化量为7.82。由于水泥基材料中水泥体积分数的增加降低了材料的孔隙率和连通性，并延长了传输路径的有效长度，因此水泥基材料中传输路径的曲折程度将增加。
综上所述，本申请提供的方案中，基于水化程度建立水泥浆体的曲折度模型，该模型通过未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达。将未水化水泥颗粒视为球形且分布均匀，将完全水化水泥颗粒视为球形、正十二面体和立方体三种不同形貌以及排列方式，通过排列方式确定扩散离子的有效传输的有效长路径和有效短路径（传输路径上限和下限），有效长路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道的中心线，有效短路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道中贴近水泥颗粒的最短路径，使得传输路径的选择更合理，提高了模型预测的精度。
本申请使用水泥颗粒的形状因子对模型进行修正，以降低理想状态下水泥颗粒形状与实际不符导致的模拟误差，进一步提高了模型的精度。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种水泥石几何曲折度预测方法，其特征在于，包括：
基于水化程度建立水泥石几何曲折度模型；
其中，所述水化程度通过水灰比和水化龄期来表征；
水泥石几何曲折度通过未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度的平均值表达；
未水化水泥颗粒的几何曲折度和完全水化水泥颗粒的几何曲折度是基于扩散离子分别在未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒孔隙中的传输有效路径建模得到的，所述传输有效路径是根据未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形貌特征和排列方式确定的，所述传输有效路径包括有效长路径和有效短路径；所述有效长路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道的中心线，所述有效短路径为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的孔隙管道中贴近水泥颗粒的最短路径；
利用水泥石几何曲折度模型获取水泥石几何曲折度的模拟值；
所述水泥石几何曲折度模型的表达式为：
，
式中，为水泥石的几何曲折度，为水泥石的水化程度，为水化龄期，为未水化水泥颗粒的几何曲折度， 为完全水化水泥颗粒的几何曲折度；
所述未水化水泥颗粒的理想形状假定为球形，随机堆积的未水化水泥颗粒以等边三角形的形式排列；
根据扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效长路径确定未水化水泥颗粒的上限曲折度的表达式，根据扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效短路径确定未水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式，将未水化水泥颗粒的上限曲折度与未水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式称为未水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型，所述未水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型具体如下：
，
式中， 、分别为未水化水泥颗粒的上、下限曲折度； 、 分别为扩散离子在未水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径的长度；为扩散离子在未水化水泥颗粒中传输路径的最短直线长度；为未水化水泥颗粒的平均粒径；为未水化水泥颗粒之间的平均间隙；
所述完全水化水泥颗粒的理想形状假定为球形、正十二面体、立方体，随机堆积的完全水化水泥颗粒呈均匀分布形式；
根据扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效长路径确定完全水化水泥颗粒的上限曲折度的表达式，根据扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效短路径确定完全水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式，将完全水化水泥颗粒的上限曲折度与完全水化水泥颗粒的下限曲折度的表达式称为完全水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型，所述完全水化水泥颗粒的几何曲折度解析模型具体如下：
，
式中，、分别为完全水化水泥颗粒的上、下限曲折度；、分别为扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输的有效长路径、有效短路径的长度；为扩散离子在完全水化水泥颗粒中传输路径的最短直线长度；为完全水化水泥颗粒的平均粒径；为完全水化水泥颗粒之间的平均间隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据水泥石的水化龄期确定水泥石的水化程度，的表达式为：
，
式中，为水灰比，表示自然常数为底的指数函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据不规则水泥颗粒与理想形状下水泥颗粒的体积等效原理，引入形状因子修正理想形貌和真实形貌之间的差异，修正后的水泥石几何曲折度模型为：
，
式中，、分别是修正后的水泥石上、下限曲折度；和分别是未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子；是与水灰比有关的影响修正系数。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2957166A1 (fr) * | 2010-03-08 | 2011-09-09 | Ronald Tai | Procede de modelisation deterministe des poudres et systemes de particules |
| CN111310360A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-06-19 | 东南大学 | 一种浪溅区硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤传输评估方法 |
| CN111681722A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-18 | 河海大学 | 一种含有高堆积密度椭球颗粒的多孔材料曲折度测定方法 |
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Non-Patent Citations (2)
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| 硫酸盐侵蚀下结构混凝土的传输-损伤性能时变预测及其抑制措施;郑皓睿;《道客巴巴》;第1-91页 * |
| 考虑颗粒排列的土体几何迂曲度模型;颜瀚等;《岩土工程学报》;第195-200页 * |
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