[发明专利]一种硬化水泥砂浆热膨胀系数的多尺度预测方法

说明书

本发明公开了一种硬化水泥砂浆热膨胀系数的多尺度预测方法，该方法首先对硬化水泥砂浆进行多相多尺度划分；计算不同尺度上各组成相的相对体积含量；从最小尺度开始逐步向大尺度均匀化各尺度的弹性模量参数和温度应力系数；计算最大尺度的硬化水泥砂浆的热膨胀系数。本发明根据水泥砂浆的微观结构组成及各组成相的弹性性能及热学性能，包括水泥砂浆的配合比、水泥化学组成、砂的种类，采用多尺度方法确定热膨胀系数，为水泥基材料力学、变形性能研究、数值仿真分析以及结构设计提供准确参数；建立硬化水泥砂浆热膨胀系数的多尺度预测模型，实现基于微观结构对水泥砂浆宏观性能的预测，解决水泥砂浆热膨胀系数影响因素众多的问题。

技术领域

本发明属于水泥基材料的多尺度计算分析领域，尤其涉及一种硬化水泥砂浆热膨胀系数的多尺度预测方法。

背景技术

热膨胀系数是水泥基材料最基本和最重要的热物理特性参数之一，热膨胀系数直接决定了温度变形的大小。国内外对水泥砂浆热膨胀系数的研究集中于宏观试验方法，由于原材料、配合比、环境条件、测试设备及测试方法以及试验人员操作技术等原因，给出的热膨胀系数离散性较大。

复合材料的总体性能取决于组成材料的性能、几何形态以及拓扑结构。水泥砂浆是一种复杂的非均匀多孔介质材料，其组成物质繁多，固、液、气三相共存，并且无序分布，这些物质分布的尺度范围广，从纳米到微米、毫米都有分布，而且其组成结构在水化过程发生较大变化。多尺度方法可以考虑不同尺度上的组成材料特征，实现从微观-细观-宏观的材料性能模拟，建立材料组成成分性能、微观结构与宏观性能之间的关系，并从根本上解释材料宏观性能的变化机理，这对于促进材料研究具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硬化水泥砂浆热膨胀系数的多尺度预测方法。本发明根据水泥砂浆的配合比、水泥化学组成、砂的种类等参数，采用多尺度方法即可确定热膨胀系数，从而为水泥基材料力学、变形性能研究、数值仿真分析以及结构设计提供准确参数。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种硬化水泥砂浆热膨胀系数的多尺度预测方法，包括以下步骤：

(1)将水泥砂浆按照微观结构组成划分为不同尺度，不同尺度包含不同物相。

(2)分别获得步骤(1)划分的不同尺度中不同物相的体积百分含量。

(3)从最小尺度开始向上逐步采用均匀化方法，根据步骤(2)得到的不同尺度中不同物相的体积百分含量计算各尺度的体积模量

其中，k_r、f_r分别为尺度X第r个物相的体积模量、体积分数等；k₀为尺度X参考介质的体积模量，g₀为尺度X参考介质的剪切模量；最终得到水泥砂浆的体积模量

(4)从最小尺度开始向上逐步采用均匀化方法，根据步骤(2)得到的不同尺度中不同物相的体积百分含量计算各尺度的温度应力系数

其中，κ_r为尺度X第r个物相的温度应力系数；最终得到水泥砂浆的温度应力系数

(5)根据步骤(3)和步骤(4)得到的水泥砂浆的体积模量和温度应力系数计算水泥砂浆的热膨胀系数α_M：

进一步地，所述步骤(1)具体为：将水泥砂浆按照微观结构组成从小到大依次划分为尺度Ⅰ、尺度Ⅱ、尺度Ⅲ、尺度Ⅳ、尺度Ⅴ等五个尺度；所述尺度Ⅰ包括水化硅酸钙基本块和纳米孔；所述尺度Ⅱ包括尺度Ⅰ均匀化后的水化硅酸钙固相和凝胶孔；所述尺度Ⅲ包括尺度Ⅱ均匀化后的高密度水化硅酸钙和尺度Ⅱ均匀化后的低密度水化硅酸钙；所述尺度Ⅳ包括尺度Ⅲ均匀化后的水化硅酸钙、氢氧化钙、未水化的水泥颗粒、铝酸盐和毛细孔；所述尺度Ⅴ包括尺度Ⅳ均匀化后的水泥净浆和砂。