[发明专利]一种预测水泥浆体有效弹性模量的方法

说明书

本发明公开了一种预测水泥浆体有效弹性模量的方法，包括如下步骤：(1)水泥浆的成型及养护，对养护后的试样进行CT扫描获取CT图像；(2)应用经典水化模型和自洽理论建立像素灰度值与弹性模量之间的映射关系；(3)依据步骤(2)得到的映射关系，将获取的CT图像的灰度阵列转换成对应的弹性模量阵列；(4)针对步骤(3)得到的弹性模量阵列，利用有限元方法求解水泥浆体的有效弹性模量。本发明利用水泥水化经典模型、自洽理论和有限元方法，理论与计算体系成熟完备、相容性好，参数设置简单，操作性较强；对比水泥浆体有效弹性模量的预测值和实测值，二者吻合度高；具有无损检测的特点，适于开展针对钢筋混凝土结构的服役状态评估。

技术领域

本发明涉及一种预测弹性模量的方法，尤其涉及一种预测水泥浆体有效弹性模量的方法。

背景技术

弹性模量在钢筋混凝土结构设计与分析中占有重要的地位。当前实验室测试弹性模量如超声波法、脉冲激振法等技术通常耗费过高的人力物力成本，且难以在实际工程中实现无损检测，越来越多的研究人员考虑开发基于水泥基材料微结构的预测方法。总体来说，传统预测方法可以分为两大类：解析方法及数值方法。解析法基于水泥基材料的几何、物理特征建立合理的细观力学模型；相较于解析法，数值法借助计算机的强大计算能力，直接求解基于广义胡克定律构建的刚性方程。

水泥基材料微结构展现出复杂的非均质特征，并且至少涵盖从纳米至微米等不同特征尺度。一般认为，在纳米尺度上，水化硅酸钙凝胶呈现出本征的纳米孔结构；在微米尺度上，水化产物(水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、钙矾石)和未水化熟料的无序堆积形成毛细孔结构。因此，预测水泥基材料弹性模量的传统方法多采用多尺度模型，例如对纳米尺度的水化硅酸钙凝胶和微观尺度的水泥浆体分别使用Mori-Tanaka方法和自洽理论。然而，多尺度模型在从纳米尺度到微米尺度进行跨尺度描述时需要设置大量的参数，而部分参数在实验中却难以直接测量。此外，多尺度模型通常存在效率较低、操作性较差等技术问题。

近年来，随着计算机断层扫描技术(Computed Tomography，CT)的普及，该技术被广泛使用于水泥基材料内部结构的研究当中。CT技术的一大优势在于对材料的无损探测。有鉴于此，利用CT测试数据，结合已有成熟理论与计算体系，依此预测水泥基材料的各项性能指标如弹性模量，成为当前亟需攻克的技术难题。特别地，这对于开展既有结构的服役状态评估，具有重要的科学与工程意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种参数设置简单、操作性较强、基于CT图像的预测水泥浆体有效弹性模量的方法。

技术方案：本发明的预测水泥浆体有效弹性模量的方法，包括如下步骤：

(1)水泥浆的成型及养护，对养护后的试样进行CT扫描获取CT图像；

(2)应用经典水化模型和自洽理论建立像素灰度值与弹性模量之间的映射关系；

(3)依据步骤(2)得到的映射关系，将获取的CT图像的灰度阵列转换成对应的弹性模量阵列；

(4)针对步骤(3)得到的弹性模量阵列，利用有限元方法求解水泥浆体的有效弹性模量。

优选的，步骤(2)中，所述建立像素灰度值与弹性模量之间的映射关系包括：应用经典水化模型，水泥浆中的组分在干燥后浆体中的体积分数通过下述关系式(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)确定：

V_MP＝1-V_C-S-H-V_CH-V_CK (1-4)