[发明专利]基于微观图象特征的水泥水化仿真及宏观属性预测的方法

说明书

技术领域

本发明涉及水泥计算机仿真与预测领域，具体的讲，涉及基于微观图象特征的水泥水化仿真及宏观属性预测的方法。

背景技术

水泥材料的水化反应是一种多物相、多尺寸、多孔隙的复杂的时变体系。物相是指物质中具有特定的物理化学性质的组成部分，水泥同时含有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、游离氧化钙等多种不同的成分。此外，水泥泥浆的组成单元从纳米级的水化硅酸钙到毫米级的骨料，在不同尺度下其微观结构都不尽相同。水泥在与砂石、水等混合后形成硬化体的水化、硬化过程中要经过多种物理和化学的变化，并形成具有一定强度的复杂的孔隙结构。其内部机理的复杂性及随时间变化的特征使得高性能水泥材料的研究存在许多挑战性的问题。由于在理论方法和设计工具方面的严重不足，使得作为世界上水泥产量最高的我国，生产的高标号水泥及高性能混凝土所占的比例很低。为将高性能水泥材料的研究水平推向新的高度，急需新的科学方法和高效、适用的分析设计工具。对水泥的水化反应过程进行完整精确的仿真建模不但可以预测水泥性能的变化，解决其本身存在的问题，更可以辅助材料学家设计出新型水泥材料，对高性能水泥材料的开发和产品质量的提高具有重大的科学价值和广阔的应用前景。从上世纪后期开始，国际上的专家学者就开始为水泥的水化过程建立模型来实现研究水泥微观结构与性能之间的关系进而达到改进水泥性能的目的。

Jennings与Johnson在1986年第69卷的美国陶瓷学会杂志上公开了一种水泥微观结构仿真方法，论文名称为：水泥复合物微观结构演化的模拟(Simulation of microstructure development during the hydration of a cement compound)。该方法用球型的硅酸三钙与水组成的混合系统来表示微观结构的水化过程。反应的每一步中，硅酸三钙的颗粒逐步增大，并且逐步生成水化硅酸钙与氢氧化钙。生成的水化硅酸钙环绕在硅酸三钙颗粒的四周，而氢氧化钙则生长在孔隙空间中。该方法的问题是，在水化过程中的每一步，颗粒厚度的增长都是相同的，并没有嵌入水化动力学方程。

荷兰代尔夫特理工大学TUD于1991年在其技术报告中公开了一种连续系统模型HYMOSTRUC，报告名为：硬化水泥材料中的水化仿真与结构成形（Simulation of hydration and formation of structure in hardening cement-based materials）。该系统将水泥颗粒模拟为立方体空间参考单元内随机分布的球形颗粒，提出了一种水泥球型颗粒的体积随着水化过程的进行逐渐增大并桥接的水化模型。经过多年的完善和发展，该模型已经可以模拟水泥材料因水化引起的变形、强度、硬度变化等问题，并能够预测硬化水泥浆体的渗透性能，可以初步模拟加入了石灰石等其它颗粒的水泥的水化过程。该方法的问题在于并没有给出水泥泥浆的微观结构，水化产物也集中在单一颗粒上。

美国国家标准技术研究院NIST的Bentz在1997年第80卷的美国陶瓷学会杂志上公开了另一种基于细胞自动机模型与数字图像的水泥模拟系统CEMHYD3D，论文名为：硅酸盐水泥水化及微观结构演化的三维计算机仿真（Three-Dimensional Computer Simulation of Portland Cement Hydration and Microstructure Development）。该方法始于水泥的粒径分布和背散射电子图像，运用体视学原理重构三维初始微结构模型，然后以代表不同的水泥矿物相的像素为基础，运用根据水化反应定义的细胞自动机规则操纵这些像素来实现对水泥水化不同时期三维微观结构的模拟。利用细胞自动机逐象素点的控制水泥数字图象的演化过程，从而达到仿真的目的。

美国国家标准技术研究院NIST的Bullard在2007年第15卷的材料科学与工程中的仿真与建模上公开了一种称作HydratiCA的随机仿真方法，论文名为：一种水成材料系统中反应与运输的三维微观结构模型（A three-dimensional microstructural model of reactions and transport in aqueous mineral systems）。该模型引入了动力学演化的基本原理并于细胞自动机的方法进行了结合，可以对包括水泥水化在内的多种矿物水化过程进行模拟。HydratiCA可以直接模拟物相的增长与溶解，溶解过程中移动物质的扩散，溶解过程中或固体表面的物质之间的络合反应以及成核现象。把多种不同的水化动力学过程集成到了单一的模拟框架之中。