基于微、细观结构参数的混凝土氯离子扩散系数预测方法与流程

本发明属于水泥基复合材料领域，具体涉及一种基于微、细观结构参数的混凝土氯离子扩散系数预测方法。

背景技术：

氯离子引起的钢筋锈蚀是混凝土结构在海洋或除冰盐环境中发生失效破坏的主要原因。混凝土中的氯离子扩散系数是建筑结构耐久性的关键参数之一。因此，混凝土氯离子扩散系数的预测可直接服务于混凝土结构的耐久性设计。

现今较为常用的混凝土氯离子扩散系数预测方法多为经验方法，即通过大量的实验数据拟合氯离子扩散系数与某些实验参数的关系，如混凝土原材料组成、某一龄期时的氯离子扩散系数、环境条件等。经验方法简单易行，但是适用性有限，只能适用于与实验条件的相近的情况，而对于某些特殊配方的混凝土或复杂的服役条件，其预测结果的准确性无法保证。而且，经验方法的某些参数仍需通过实验测定，费时费力。

随着计算机技术发展，建立以混凝土材料微观及细观结构为基础的预测混凝土氯离子扩散系数的数值方法正成为一个热门的研究方向。微、细观结构是决定混凝土氯离子扩散性能的根本因素。数值方法可以系统的考虑混凝土的微、细观结构对其氯离子扩散性能的影响，且其输入条件大多为混凝土本身的材料组成，无需大量的实验。但是，数值方法通常计算量较大，计算所需时间较长，对计算机配置要求较高，尚无法推广应用。

技术实现要素：

为克服现有的基于试验测试和微细观结构的混凝土氯离子扩散系数预测方法实验量大和计算时间长的缺陷，本发明提供一种简单易用的基于微、细观结构参数的混凝土氯离子扩散系数预测方法。

本发明采用的技术方案是：

本申请实施例提供一种基于微、细观结构参数的混凝土氯离子扩散系数预测方法，包括如下步骤：

步骤1：构建混凝土中水泥浆体的三维微观结构，并确定所述水泥浆体的孔隙率

所述混凝土包括水泥浆体和集料，且所述水泥浆体和所述集料之间存在界面过渡区；

基于所述水泥浆体的配合比，模拟所述水泥浆体的三维微观结构，并获取所述三维微观结构的孔结构信息，从而获得所述水泥浆体孔隙率

步骤2：根据所述水泥浆体孔隙率计算水泥浆体氯离子扩散系数dp：

根据公式(1)求取水泥浆体氯离子扩散系数dp，

dp/dcl＝0.001+0.07φp²+h(φp-0.18)×1.8×(φp-0.18)²(1)

其中，dcl：氯离子在水中的扩散系数，单位是m²/s，且在25℃时dcl为2.03×10^-9m²/s；所述水泥浆体的孔隙率；h：heaviside函数，且x＞0时，h(x)＝1；x≤0时，h(x)＝0；

步骤3：基于所述混凝土的细观结构，根据广义自洽模型计算混凝土氯离子扩散系数d：

式中，va：所述集料的体积分数；di：界面过渡区氯离子扩散系数(m²/s)；界面过渡区厚度ti与集料颗粒平均半径的比值，即

进一步的，所述混凝土的细观结构包括水泥浆体相、界面过渡区相和集料相；

所述混凝土的细观结构的参数包括集料的体积分数va、界面过渡区孔隙率di、界面过渡区氯离子扩散系数di、界面过渡区厚度ti和集料颗粒平均半径

所述混凝土微观结构的参数包括水泥浆体孔隙率

进一步的，在所述步骤1中，所述水泥浆体的三维微观结构，可通过hymostruc3d软件或cemhyd3d软件得到，并通过所述三维微观结构计算水泥浆体孔隙率

进一步的，所述步骤3中界面过渡区氯离子扩散系数di通过以下方法计算：

将水泥浆体孔隙率代入公式(3)得到界面过渡区孔隙率再将计算得到的界面过渡区孔隙率代入式(4)即可得到所述界面过渡区氯离子扩散系数di：

φi/φp＝1.49+(2.17×10^-5)^w/c×22.99(3)

式中，w/c为所述混凝土的水灰比；

di/dcl＝0.001+0.07φi²+h(φi-0.18)×1.8×(φi-0.18)²(4)。

进一步的，在所述步骤3中，当水灰比w/c在0.23～0.53之间时，所述界面过渡区厚度ti＝20μm。

进一步的，在所述的步骤3中，集料颗粒平均半径通过如下方法计算：

集料的级配用三个参数表示，分别为：筛的总数量m(单位是个)、第i级筛的直径di和第i级筛与第(i+1)级筛之间集料的质量分数ci，单位体积混凝土内集料的颗粒数可以通过公式(5)计算：

在公式(5)中，nj：集料的颗粒数，单位是颗；wj：单位体积混凝土内集料的质量，单位是kg；ρj：集料的密度，单位是kg/m³；且当集料是细集料时，j＝1；当集料是粗集料时，j＝2，由此可以得出集料的总颗粒数，进而按公式(6)计算集料的平均半径

在公式(6)中，w1：单位体积混凝土内细集料的质量，单位是kg；w1：单位体积混凝土内粗集料的质量，单位是kg；ρ1：细集料的密度，单位是kg/m³；ρ2；细集料的密度，单位是kg/m³；n1：细集料的颗粒数，单位是颗；n2：粗集料的颗粒数，单位是颗。

本发明的有益效果体现在：

(1)本发明在预测混凝土氯离子扩散系数时，所用的基本信息为混凝土的配方及相关原材料性能，与经验方法相比，节省了大量时间成本及经济成本，且考虑了混凝土微、细观结构对氯离子扩散系数的影响，较经验方法更准确、也更具科学性。

(2)本发明提出的基于微、细观结构参数的混凝土氯离子扩散系数预测方法对计算机性能要求不高，较现有的数值方法计算效率更高，更易推广应用。

附图说明

图1是一实施例中本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，本发明提供一种基于微、细观结构参数的混凝土氯离子扩散系数预测方法，包括如下步骤：

步骤1，构建混凝土中水泥浆体的三维微观结构，并确定所述水泥浆体的孔隙率

所述混凝土包括水泥浆体和集料，且所述水泥浆体和所述集料之间存在界面过渡区；

所述水泥浆体包括水泥和水，基于所述水泥浆体的配合比，模拟所述水泥浆体的三维微观结构，并获取所述三维微观结构的孔结构信息，从而获得所述水泥浆体孔隙率

具体的，所述水泥浆体由水和水泥调配而成，基于所述水泥浆体的配合比，即基于所述水和水泥的配合比。

步骤2，根据所述水泥浆体孔隙率计算水泥浆体氯离子扩散系数dp：

根据公式(1)求取水泥浆体氯离子扩散系数dp，

dp/dcl＝0.001+0.07φp²+h(φp-0.18)×1.8×(φp-0.18)²(1)

其中，dcl：氯离子在水中的扩散系数，单位是m²/s，且在25℃时dcl为2.03×10^-9m²/s；所述水泥浆体的孔隙率；h：heaviside函数，且x＞0时，h(x)＝1；x≤0时，h(x)＝0；

具体的，氯离子在水中的扩散系数dcl可依据式(i)计算。

其中，t：水的绝对温度，单位是k。

步骤3：基于所述混凝土的细观结构，根据广义自洽模型计算混凝土氯离子扩散系数d：

式(2)中，va：所述集料的体积分数；di：界面过渡区氯离子扩散系数(m²/s)；界面过渡区厚度ti与集料颗粒平均半径的比值，即

具体的，所述集料的体积分数指的是所述集料在所述混凝土中的体积分数。

具体的，广义自洽模型是指：假设混凝土的结构是集料及其周围的界面过渡区嵌入在均匀的水泥浆体中，在此基础上建立的混凝土体元与混凝土整体氯离子扩散系数的关系。

进一步的，所述混凝土的细观结构包括水泥浆体相、界面过渡区相和集料相；

所述混凝土的细观结构的参数包括集料的体积分数va、界面过渡区孔隙率di、界面过渡区氯离子扩散系数di、界面过渡区厚度ti和集料颗粒平均半径

所述混凝土微观结构的参数包括水泥浆体孔隙率

进一步的，在所述步骤1中，所述水泥浆体的三维微观结构，可通过hymostruc3d软件或cemhyd3d软件得到，并通过所述三维微观结构计算水泥浆体孔隙率

具体的，基于所述水泥浆体的配合比，利用hymostruc3d软件或cemhyd3d软件可生成水泥浆体的三维微观结构模型，并可基于三维微观结构模型获得水泥浆体孔隙率

进一步的，所述步骤3中界面过渡区氯离子扩散系数di通过以下方法计算：

将水泥浆体孔隙率代入公式(3)中得到界面过渡区孔隙率再将计算得到的界面过渡区孔隙率代入式(4)即可得到所述界面过渡区氯离子扩散系数di：

φi/φp＝1.49+(2.17×10^-5)^w/c×22.99(3)

式(3)中，w/c为所述混凝土的水灰比；

di/dcl＝0.001+0.07φi²+h(φi-0.18)×1.8×(φi-0.18)²(4)。

进一步的，在所述步骤3中，所述界面过渡区厚度ti＝20μm。

进一步的，在所述的步骤3中集料颗粒平均半径通过如下方法计算：

集料的级配可以用三个参数表示，分别为：筛的总数量m(单位是个)、第i级筛的直径di和第i级筛与第(i+1)级筛之间集料的质量分数ci，单位体积混凝土内集料的颗粒数可以通过公式(5)计算：

在公式(5)中，nj：集料的颗粒数，单位是颗；wj：单位体积混凝土内集料的质量，单位是kg；ρj：集料的密度，单位是kg/m³；且当集料是细集料时，j＝1；当集料是粗集料时，j＝2，由此可以得出集料的总颗粒数，进而按公式(6)计算集料的平均半径

在公式(6)中，w1：单位体积混凝土内细集料的质量，单位是kg；w1：单位体积混凝土内粗集料的质量，单位是kg；ρ1：细集料的密度，单位是kg/m³；ρ2；细集料的密度，单位是kg/m³；n1：细集料的颗粒数，单位是颗；n2：粗集料的颗粒数，单位是颗。

具体的，在水泥混凝土中，通常认为粒径大于4.75mm的集料为粗集料，粒径小于或等于4.75mm的集料为细集料。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的例举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。