CN117393088A - 一种混凝土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，提供一种混凝土几何曲折度预测方法。该方法首先利用水泥颗粒形状因子和水灰比的影响修正系数对预先构建的理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行一次修正，然后利用硬化水泥浆体的曲折度模型，根据砂浆中规则砂粒的形貌特征和排列方式，构建砂浆的几何曲折度模型、混凝土的几何曲折度模型；接着，使用骨料颗粒形状因子对砂浆的几何曲折度模型、混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，得到修正后的混凝土的几何曲折度模型。该方法在建模过程中充分考虑了水化产物、骨料形貌特征、水化程度等多种因素对孔隙结构的影响，提高了混凝土的几何曲折度预测精度。
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，特别涉及一种混凝土几何曲折度预测方法。
背景技术
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。
随着有限元和离散法等数值解法以及计算机的发展，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，现有的模型通常基于单一因素构建，并未考虑骨料形貌、配合比等多种因素对曲折度的综合影响，导致预测结果存在一定的误差。
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混凝土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：
本申请提供了一种混凝土几何曲折度预测方法，所述混凝土由孔隙、砂浆和规则石料颗粒组成，所述砂浆由孔隙、硬化水泥浆体和规则砂粒组成，包括：
利用硬化水泥浆体的曲折度模型，根据砂浆中规则砂粒的形貌特征和排列方式，构建砂浆的几何曲折度模型；
其中，所述硬化水泥浆体的曲折度模型是通过使用水泥颗粒形状因子和水灰比的影响修正系数对预先构建的理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行一次修正得到的；所述理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型通过未水化水泥颗粒的曲折度和完全水化水泥颗粒的曲折度来表达；
基于所述砂浆的几何曲折度模型，根据混凝土中的规则石料颗粒的形貌特征和排列方式，构建混凝土的几何曲折度模型；
使用实际形貌下骨料颗粒的形状因子对所述砂浆的几何曲折度模型、所述混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，得到修正后的混凝土的几何曲折度模型；所述骨料颗粒包括砂粒和石料颗粒。
优选地，所述修正后的混凝土的几何曲折度模型的表达式为：
，
，
式中，、/>分别为砂浆的上下限曲折度；/>、/>分别为混凝土的上下限曲折度；/>、/>分别为骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子；/>、/>分别为未经二次修正的砂浆中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为未经二次修正的混凝土中孔隙的上下限曲折度。
优选地，所述骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子的表达式为：
，
，
式中，和/>分别为砂粒、石料颗粒的形状因子；/>和/>为实际砂、石骨料形貌的表面积；/>和/>为等体积球形砂、石骨料的表面积。
优选地，所述骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子通过如下步骤确定：
获取不同尺度粒径的砂石骨料的图像；所述砂石骨料包括砂粒和石粒；
将所述砂石骨料的图像转成对应的灰度图像；
对所述灰度图像进行二值化处理，得到所述砂石骨料的二值化图像；
基于所述砂石骨料的二值化图像，获取骨料颗粒的投影面积以及长轴与短轴的长度，进而计算出骨料颗粒外接圆的面积；
根据骨料颗粒的投影面积与骨料颗粒外接圆的面积确定该骨料颗粒的形状因子。
优选地，所述硬化水泥浆体的曲折度模型的表达式为：
，
式中，、/>分别为硬化水泥浆体中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子；/>、/>分别为理想状态下未水化水泥颗粒中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为理想状态下完全水化水泥颗粒中孔隙的上下限曲折度；/>为硬化水泥浆体的水化程度，/>为水化龄期；/>为水灰比的影响修正系数。
优选地，所述砂浆的几何曲折度模型的表达式为：
，
式中，、/>分别为未经二次修正的砂浆中孔隙的上下限曲折度；/>为硬化水泥浆体中孔隙的几何曲折度；/>为砂浆中砂粒的平均直径；/>为砂浆中砂粒之间的平均间隙。
优选地，所述砂浆中砂粒之间的平均间隙与所述砂浆中砂粒的平均直径/>的比值是通过砂粒的代表性单元中砂粒的体积分数得到的，其计算公式如下：
，
式中，为代表性单元中砂粒的体积分数。
优选地，所述混凝土的几何曲折度模型的表达式为：
，
式中，、/>分别为未经二次修正的混凝土中孔隙的上下限曲折度；/>为砂浆的几何曲折度；/>为混凝土中石料颗粒的体积分数。
有益效果：本申请实施例提供的混凝土几何曲折度预测方法，将混凝土视为由孔隙、砂浆和规则石料颗粒组成，砂浆视为由孔隙、硬化水泥浆体和规则砂粒组成。该方法首先利用水泥颗粒形状因子和水灰比的影响修正系数对预先构建的理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行一次修正，得到硬化水泥浆体的曲折度模型；然后利用硬化水泥浆体的曲折度模型，根据砂浆中规则砂粒的形貌特征和排列方式，构建砂浆的几何曲折度模型；随后，基于砂浆的几何曲折度模型，根据混凝土中的规则石料颗粒的形貌特征和排列方式，构建混凝土的几何曲折度模型；接着，使用骨料颗粒形状因子对砂浆的几何曲折度模型、混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，得到修正后的混凝土的几何曲折度模型。在该方案中，由于水灰比的影响修正系数能够反映出水灰比、水化龄期等因素对孔隙结构的共同影响，利用水泥颗粒形状因子和水灰比的影响修正系数对理想状态下的硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行修正，能够充分考虑水化产物、骨料形貌特征、水化程度等因素对孔隙结构的影响，提高硬化水泥浆体的几何曲折度预测的精度。
砂浆被视为硬化水泥浆体中嵌入规则形状砂粒的混合物，该方法在对砂浆的几何曲折度进行建模时考虑砂粒的形貌特征和排列方式，使得砂浆的几何曲折度预测结果进一步提高。
基于砂浆的几何曲折度模型，考虑混凝土中规则石料颗粒的形貌特征和排列方式，构建混凝土的几何曲折度模型，并使用骨料颗粒形状因子对砂浆的几何曲折度模型、混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，进一步提高了混凝土的几何曲折度预测精度。试验结果表明，该模型的模拟结果与压汞法（MIP）试验结果基本吻合。该方法为侵蚀介质在水泥基材料多孔材料中的传输和混凝土服役寿命预测提供了一种新思路。
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混凝土几何曲折度预测方法的流程示意图。
图2为正十二面体砂粒的排列与传输路径示意图；其中，（a）为砂粒分布图示意图，（b）为正十二面体砂粒的代表性单元示意图。
图3为球形与立方体砂粒的代表性单元示意图；其中，（a）为球形砂粒的代表性单元示意图，（b）为立方体砂粒的代表性单元示意图。
图4为不同水灰比下砂浆不同样品的孔径分布MIP测试结果示意图。
图5为本申请的一些实施例提供的混凝土的几何曲折度模型模拟结果与试验测试结果的比较示意图。
图6为本申请的一些实施例提供的混凝土的几何曲折度模型模拟结果与Zuo的试验结果对比示意图。
图7为本申请的一些实施例提供的混凝土的几何曲折度模型模拟结果与He的试验结果对比示意图。
具体实施方式
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混凝土几何曲折度预测方法，其中，混凝土由孔隙、砂浆和规则石料颗粒组成，砂浆由孔隙、硬化水泥浆体和规则砂粒组成，如图1~图7所示，该方法包括：
步骤S101、利用硬化水泥浆体的曲折度模型，根据砂浆中规则砂粒的形貌特征和排列方式，构建砂浆的几何曲折度模型。
具体地，根据砂浆和混凝土材料的组成和特性，模型构建过程中考虑了模拟砂浆和混凝土中传输路径曲折的一些基本假设，包括：
(1) 将砂石颗粒（砂粒）等集料视为等效直径相同的规则颗粒，即砂石颗粒的平均直径（即平面上的二维颗粒的直径），颗粒之间存在一定的等效间隙；
(2) 砂浆可认为是由孔隙、硬化水泥浆体和直径相同的规则砂粒组成。混凝土可能被假定为孔隙、砂浆基质和直径相同的规则石料颗粒（又称石粒）的混合物；
(3) 在混凝土结构中，将硬化水泥浆体和砂浆视为基质材料，砂浆和混凝土分别由砂粒、石粒（简称砂石）等骨料填充到基质中形成。本实施例中，为了方便模拟砂浆和混凝土的曲折度，将砂浆和混凝土分解为基质和规则颗粒。
基于上述基本假设，混凝土可以看作是由硬化水泥浆体和砂石组成的复合材料，砂浆的曲折度可以从硬化水泥浆体的曲折度得到，混凝土的曲折度可以从砂浆的曲折度得到。利用硬化水泥浆体中的传输曲折度模型，根据砂浆中规则砂粒的形貌特征和排列方式，可进行砂浆和混凝土的曲折度建模工作。
其中，硬化水泥浆体的曲折度模型是通过使用水泥颗粒形状因子和水灰比的影响修正系数对预先构建的理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行一次修正得到的；理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型通过未水化水泥颗粒的曲折度和完全水化水泥颗粒的曲折度来表达。
具体地，硬化水泥浆体通常由未水化水泥颗粒、水化产物颗粒（完全水化水泥颗粒）、孔隙以及孔隙中的水组成。理想形状下，不考虑水泥颗粒形状，将水泥颗粒均视为直径相同的规则颗粒，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，因此，理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度可通过对未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒几何曲折度的平均值来表达，其表达式如下：
（1）
式中，为硬化水泥浆体中孔隙的几何曲折度；/>、/>分别是未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的曲折度；/>是水泥的水化程度；/>是水化龄期。
考虑到水化程度与配合比（即水灰比）、水化反应的时间长短有关，公式（1）中，水泥的水化程度与水灰比、水化龄期之间的关系可以表示为：
（2）
式中，是水灰比；/>是水化龄期；/>是自然常数/>为底的指数函数。
公式（1）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，考虑到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，本实施例对实际中水泥颗粒水化前（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状态下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，对公式（1）进行一次修正，修正后的硬化水泥浆体几何曲折度模型为：
（3）
式中，、/>分别是修正后的硬化水泥浆体上、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。
硬化水泥浆体的曲折度模型是求解混凝土的曲折度的基础，在获取硬化水泥浆体的曲折度模型之后，利用该硬化水泥浆体的曲折度模型来构建砂浆的几何曲折度模型。
在前述基本假设中，砂浆由孔隙、硬化水泥浆体和直径相同的规则砂粒组成，结合公式（1）所表达的硬化水泥浆体的曲折度，求解砂浆的几何曲折度转变为求解砂粒的几何曲折度的问题。
相关技术中，曲折度()通常定义为沿宏观流动方向的有效长度(Le)与直线距离(L)之比，即/>。以往的模型构建通常选择孔隙管道的中心线作为传输路径的有效长度，然而，这样的路径选取与实际不符，导致曲折度预测精度较低。本实施例在构建模型的过程中，考虑到砂浆/混凝土中骨料形貌特征的影响，将传输路径分为有效长路径和有效短路径两种情况，分别构建曲折度的表达式，以提高模型预测的准确度。
本实施例中，将砂浆中的砂粒（骨料）颗粒近似为球形、正十二面体或立方体，且砂粒（骨料）周围存在界面过渡区。参照图2中（a）部分所示，以正十二面体骨料为例，A点为传输路径的起点，E点为传输路径的终点，砂浆由水泥浆体基质（水泥基体）中嵌入相同粒径的骨料颗粒（砂粒）来表示，假设相邻三个正十二面体的中心点均为，砂粒之间的距离均为，为便于推导规则砂浆骨料的几何曲折度，骨料颗粒以等边三角形的形式排列，取其中一代表性单元作为研究对象，绘制出代表性单元的局部放大图，即图2中（b）部分，由于砂粒的平均直径远大于水泥颗粒的平均直径，且砂粒周围存在界面过渡区，因此，在不考虑孔隙尺度的情况下，砂浆内的传输优先沿界面进行，图2中（b）部分的砂浆几何曲折度传输路径可近似选择为沿A点至E点。实际中，由于水泥颗粒在砂浆中传输的障碍，水泥颗粒并不一定能够沿着A点至E点的路径传输，因此，在考虑砂粒之间填充水泥浆体对传输路径的影响的情况下，由于不同的形貌特征下传输的孔尺度大小不同，水泥颗粒的传输路径也不同，按照Dijkstra’s algorithm，传输路径的有效长路径长度为/>，有效短路径长度为/>，相应的最短直线长度/>。其中，B点为与A点最接近的骨料颗粒顶点，O为沿传输方向下一个骨料颗粒的中心点，C点为EO连线与该骨料颗粒相交的顶点。
同理，将骨料颗粒近似为球形、立方体情况下分析代表性单元的传输路径，如图3中（a）部分所示，当骨料颗粒近似为球形时，A点是传输路径的起点，E点是传输路径的终点，O点为沿传输方向下一个骨料颗粒的中心点，B点为AO连线与骨料颗粒边壁上的交点，C点是EO连线与骨料颗粒边壁的交点。当骨料颗粒为立方体时，如图3中（b）部分所示，A点是传输路径的起点，E点是传输路径的终点，O点为传输方向上下一个骨料颗粒的中心点，点是左上方骨料颗粒与左下方骨料颗粒中心点的连线与上方骨料颗粒的交点，/>点是上方骨料颗粒的右下顶点，/>点是传输方向上下一个骨料颗粒中距离/>点最近的顶点，/>是EO连线与传输方向上下一个骨料颗粒的交点，过E点做与骨料颗粒边壁的平行线，则C点是/>点沿竖直方向向上延长后与该平行线的交点。按照Dijkstra’s algorithm，骨料颗粒近似为球形、立方体情况下的有效长路径长度和有效短路径长度分别为图3中所示出的/>、/>。因此，在将砂粒近似为球形、正十二面体或立方体的情况下，砂浆中传输路径的上下限曲折度可以表示为：
（4）
式中，、/>分别为未经二次修正的砂浆中孔隙的上下限曲折度；/>为硬化水泥浆体中孔隙的几何曲折度；/>为砂浆中砂粒的平均直径；/>为砂浆中砂粒之间的平均间隙。
其中，砂浆中砂粒之间的平均间隙与砂浆中砂粒的平均直径/>的比值可以通过砂粒的代表性单元中砂粒的体积分数得到，计算公式如下：
（5）
式中，为代表性单元中砂粒的体积分数。
步骤S102、基于砂浆的几何曲折度模型，根据混凝土中的规则石料颗粒的形貌特征和排列方式，构建混凝土的几何曲折度模型。
由于混凝土由孔隙、砂浆和规则石料颗粒组成，其曲折度模型的构建需同时考虑砂浆的几何曲折度模型和石料颗粒对混凝土曲折度的影响，因此，本实施例在构建砂浆的几何曲折度模型之后，根据混凝土中的规则石料颗粒的形貌特征和排列方式，构建混凝土的几何曲折度模型。
具体来说，混凝土是以砂浆为基体、并在砂浆中嵌入平均直径和平均间隙/>的规则石料颗粒组成，在获取砂浆的几何曲折度模型的基础上，采用类似于砂浆的几何曲折度的建模方式，混凝土中传输路径的几何曲折度可以用以下公式来表示：
（6）
式中，、/>分别是未经二次修正的混凝土中孔隙的上下限曲折度；/>是砂浆的几何曲折度，当计算/>时，/>取/>，即未经二次修正的砂浆中孔隙的上限曲折度，当计算/>时，/>取/>，即未经二次修正的砂浆中孔隙的下限曲折度；/>为代表性单元中石料颗粒的体积分数。
在公式（4）和（6）中，砂粒的体积分数、石料颗粒的体积分数/>可以分别根据单位体积砂浆和混凝土材料用量计算得到，计算公式如下：
（7）
（8）
式中，、/>、/>和/>分别为水泥、石料、砂粒和水的密度，取值分别为3150、2600、2650、1000 kg/m3；/>、/>、/>和/>为水泥、石料、砂粒和水的质量。
步骤S103、使用骨料颗粒形状因子对砂浆的几何曲折度模型、混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，得到修正后的混凝土的几何曲折度模型；骨料颗粒包括规则砂粒和规则石料颗粒。
实际中，骨料除了球形、十二面体和立方体外，还存在其他骨料形貌，对非规则骨料粒子表面越粗糙，对孔隙的几何曲折度值影响越显著，针对该情况，引入形状因子来反映实际骨料颗粒形貌对混凝土孔隙几何曲折度的影响。为便于计算，根据公式(4)和公式(6)，利用理想形状下球形骨料颗粒的表面积计算出的形状因子来对不同形貌的球形骨料粒子的几何曲折度进行二次修正，可得到非规则骨料下砂浆和混凝土的曲折度关系式，修正后的混凝土的几何曲折度模型的公式如下：
（9）
（10）
式中，、/>分别为砂浆的上下限曲折度；/>、/>分别为混凝土的上下限曲折度；/>、/>分别为骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子；/>、/>分别为未经二次修正的砂浆中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为未经二次修正的混凝土中孔隙的上下限曲折度。
进一步地，骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子的表达式为：
（11）
（12）
式中，和/>分别为砂粒、石料颗粒的形状因子；/>和/>为实际砂、石骨料形貌的表面积；/>和/>为等体积球形砂、石骨料的表面积。
一些实施例中，骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子通过如下步骤确定：获取不同尺度粒径的砂石骨料的图像；砂石骨料包括砂粒和石粒；将砂石骨料的图像转成对应的灰度图像；对灰度图像进行二值化处理，得到砂石骨料的二值化图像；基于砂石骨料的二值化图像，获取骨料颗粒的投影面积以及长轴与短轴的长度，进而计算出骨料颗粒外接圆的面积；根据骨料颗粒的投影面积与骨料颗粒外接圆的面积确定该骨料颗粒的形状因子。
具体地，获取砂粒、石料颗粒的形状因子的步骤可示例性描述如下：取工程中不同尺度粒径的砂石骨料，通过MATLAB图像处理技术，统计其形状因子。骨料粒径范围分别是1.18-2.36mm、2.36-4.75mm、5-10mm、10-20mm。MATLAB图像处理过程是：对骨料进行拍照，使骨料与背景能明显区分开，且各骨料之间完全分隔开，避免对粘连物体分割时产生的误差影响，拍摄一定数量的砂石骨料图像，利用MATLAB将图像转换成灰度图像。然后对灰度图像进行二值化处理，形成二值图像。经过二值化处理获得骨料粒子的投影面积以及长轴与短轴的长度，进而计算出骨料外接圆的面积，根据投影面积与外接圆面积确定该骨料的形状因子，不同粒径骨料统计的形状因子结果如表1所示，表1如下：
表1 形状因子计算结果
表1示出了粒径范围在1.18-2.36mm、2.36-4.75mm、5-20mm的砂粒、石粒骨料粒子。将骨料粒径范围为1.18-2.36mm、2.36-4.75mm的统计结果的平均值作为砂粒的形状因子，骨料粒径范围为5-10mm、10-20mm的统计结果的平均值作为石粒的形状因子，即，/>，其中，/>、/>分别是骨料粒径范围为1.18-2.36mm、2.36-4.75mm的形状因子统计结果，/>、/>分别是骨料粒径范围为5-10mm、10-20mm的形状因子统计结果。
下面说明模型的试验验证过程。
本实施例中，采用压汞法(MIP)来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，并将获取的试验结果与模型模拟结果进行对比，进而对模型进行验证。
为避免试验误差和确保试验结果的可靠性，本实施例中，水泥选用P.I 42.5硅酸盐水泥，利用所选水泥分别成型不同水灰比为0.25、0.35、0.45和0.55的砂浆。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。不同水灰比下砂浆不同样品的孔径分布MIP测试结果如图4所示。
将水灰比分别为0.25、0.35、0.45和0.55，带入公式(2)，可得到28d时的水化程度/>分别为53.91%、63.63%、69.76%、73.97%。将依据表1计算得到的砂粒、石粒的形状因子带入公式(9)和(10)，得到不同形貌下水泥粒子的模拟结果，取模拟结果的上下限的平均值，可得砂浆在28d时的模拟结果，与试验结果进行作图对比，对比结果如图5所示。从图5中可以直观看出，砂浆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粒子，MIP试验结果与模拟结果更加吻合，若以水泥粒子为正十二面体的模拟结果为例，其最大误差为12.22%。此外，还可以发现三种砂粒子形状的模拟结果也十分接近，主要是砂子粒径相对小，近似呈球形，形状因子差异小，对结果的影响也小。
本实施例还采用学者Zuo等的试验结果来进一步验证模型的可靠性。Zuo采用P.I42.5基准硅酸盐水泥制备了水灰比0.35、0.45和0.55的砂浆，在标准养护室养护30d，并在测试前将样品放入60℃烘箱中烘干样品至恒重；He选取水灰比为0.3-0.55的砂浆试件进行试验，在23℃室温条件下养护24h后放入水中进行室温条件养护180d。模拟结果和试验的对比结果如图6、图7所示。依据模拟结果和试验结果的数据计算误差，结果表明，硬化浆体试样的最大误差仅是15.37%，虽然不同研究人员采用不同品种水泥、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实现较好地吻合，进一步证明本模型预测结果可靠。
此外，本实施例还对形状因子、体积分数和水灰比等因素进行定量分析，分析结果表明，水泥基材料的几何曲折度随骨料形状因子和砂石体积分数的增大而增大，随水灰比的增大而减小。
在一个示例性的实施例中，混凝土几何曲折度预测可以包括如下步骤：
步骤一、首先基于水化程度建立硬化水泥浆体的曲折度模型；
步骤二、将骨料视为球体、正十二面体和立方体三种不同形貌以及排列方式，通过排列确定骨料颗粒之间的传输路径上下限；
步骤三、根据骨料的体积分数确定几何关系；
步骤四、通过传输路径几何关系表示出砂浆和混凝土的曲折度与骨料体积分数的关系；
步骤五、根据单位体积砂浆和混凝土材料用量计算砂石体积分数；
步骤六、通过形状因子修正骨料形貌，并通过骨料表面积表示出砂石的形状因子；
步骤七、骨料的表面积通过骨料图像的二值化处理得到；
步骤八、根据形状因子表示出修正后的曲折度。
综上所述，本实施例充分考虑混凝土材料的组成、形貌特征以及混凝土结构随时间的演变规律，利用水灰比的影响修正系数和水泥颗粒形状因子对硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行一次修正，在此基础上建立砂浆/混凝土的几何曲折度模型，并利用骨料形貌特征对砂浆/混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，提高了曲折度模型模拟结果的精度。
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 (8)
1.一种混凝土几何曲折度预测方法，其特征在于，所述混凝土由孔隙、砂浆和规则石料颗粒组成，所述砂浆由孔隙、硬化水泥浆体和规则砂粒组成，包括：
利用硬化水泥浆体的曲折度模型，根据砂浆中规则砂粒的形貌特征和排列方式，构建砂浆的几何曲折度模型；
其中，所述硬化水泥浆体的曲折度模型是通过使用水泥颗粒形状因子和水灰比的影响修正系数对预先构建的理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型进行一次修正得到的；所述理想形状下硬化水泥浆体的几何曲折度模型通过未水化水泥颗粒的曲折度和完全水化水泥颗粒的曲折度来表达；
基于所述砂浆的几何曲折度模型，根据混凝土中的规则石料颗粒的形貌特征和排列方式，构建混凝土的几何曲折度模型；
使用实际形貌下骨料颗粒的形状因子对所述砂浆的几何曲折度模型、所述混凝土的几何曲折度模型进行二次修正，得到修正后的混凝土的几何曲折度模型；所述骨料颗粒包括砂粒和石料颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正后的混凝土的几何曲折度模型的表达式为：
，
，
式中，、/>分别为砂浆的上下限曲折度；/>、/>分别为混凝土的上下限曲折度；/>、/>分别为骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子；/>、/>分别为未经二次修正的砂浆中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为未经二次修正的混凝土中孔隙的上下限曲折度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子的表达式为：
，
，
式中，和/>分别为砂粒、石料颗粒的形状因子；/>和/>为实际砂、石骨料形貌的表面积；/>和/>为等体积球形砂、石骨料的表面积。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述骨料颗粒中砂粒、石料颗粒的形状因子通过如下步骤确定：
获取实际不同尺度粒径的砂石骨料的图像；所述砂石骨料包括砂粒和石粒；
将所述砂石骨料的图像转成对应的灰度图像；
对所述灰度图像进行二值化处理，得到所述砂石骨料的二值化图像；
基于所述砂石骨料的二值化图像，获取骨料颗粒的投影面积以及长轴与短轴的长度，进而计算出骨料颗粒外接圆的面积；
根据骨料颗粒的投影面积与骨料颗粒外接圆的面积确定该骨料颗粒的形状因子。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬化水泥浆体的曲折度模型的表达式为：
，
式中，、/>分别为硬化水泥浆体中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为未水化水泥颗粒和完全水化水泥颗粒的形状因子；/>、/>分别为理想状态下未水化水泥颗粒中孔隙的上下限曲折度；/>、/>分别为理想状态下完全水化水泥颗粒中孔隙的上下限曲折度；为硬化水泥浆体的水化程度，/>为水化龄期；/>为水灰比的影响修正系数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述砂浆的几何曲折度模型的表达式为：
，
式中，、/>分别为未经二次修正的砂浆中孔隙的上下限曲折度；/>为硬化水泥浆体中孔隙的几何曲折度；/>为砂浆中砂粒的平均直径；/>为砂浆中砂粒之间的平均间隙。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，砂浆中砂粒之间的平均间隙与砂浆中砂粒的平均直径/>的比值是根据砂粒的代表性单元中砂粒的体积分数计算得到的，其计算公式如下：
，
式中，为代表性单元中砂粒的体积分数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混凝土的几何曲折度模型的表达式为：
，
式中，、/>分别为未经二次修正的混凝土中孔隙的上下限曲折度；/>为砂浆的几何曲折度；/>为混凝土中石料颗粒的体积分数。
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