一种水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法。本发明对于被离散化为一系列大小相等的正方体三维空间网格的水泥基复合材料微观/细观结构，将每一对相互之间具有离子扩散能力的相邻正方体三维空间网格作为一个格构扩散单元，所有格构扩散单元一起组成一个三维格构离子传输网络，其中每一个网格作为一个扩散节点。本发明还公开了一种水泥基复合材料离子扩散系数的获取方法，利用上述三维格构离子传输网络中两两扩散节点间的扩散矩阵方程并结合离子浓度边界条件构建出离子扩散矩阵方程，并对其进行求解，得到稳态下的离子浓度分布，最终得到离子扩散系数。本发明方法使用范围广，算法简单，对于水泥基材料的离子扩散研究具有重要意义。
【专利说明】一种水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，以及基于该方法所构建的离子扩散模型获取离子扩散系数的方法，属于水泥基复合材料领域。
【背景技术】
[0002]有害离子(S042+，Cl _等)侵入水泥基复合材料内部的速度是决定土木工程材料与结构耐久性的重要因素之一，这些离子在水泥基复合材料中的扩散系数是关系到土木工程材料服役寿命的关键参数之一。
[0003]现有的预测水泥基复合材料离子扩散系数的模型主要有经验模型、解析模型和数值模型。建立在试验基础上的经验模型一般是先通过试验得到离子在一定龄期的扩散系数，然后再根据试验得到的试件的长龄期的离子扩散系数值，得出修正系数，并有可能引入环境条件等影响参数，如养护温度和湿度、暴露条件等。这种方法得到的结果可靠性大，但是应用范围小，只能适用于试验方案所拟定的配合比和试验条件下的服役环境和养护环境。对于其它配合比的材料或复杂的服役环境，这种方法很难准确预测。另外，试验花费的时间长。
[0004]预测水泥基复合材料离子扩散系数的解析模型一般是采用均匀化方法。现有的解析模型如均匀化模型的目标是链接复合材料的微观结构和宏观性能，不同尺度条件下的均匀化规则又依微细观结构的不同而有所不同。对材料的均匀化方法有麦克斯韦近似法(MA )、Mor 1-Tanaka方法、微分有效介质近似法(DEMA )，自洽近似法(SCA )和广义自洽法等。上述这些模型的优点是简单、直观，但是不能把握全部的微观结构信息，各种近似法的使用是建立在对材料微观结构信息尽可能简化的基础上的。
[0005]随着计算机技术的发展，以材料复杂的微观/细观结构信息为基础结合一定的算法建立预测材料扩散行为的计算机模型成为一个热门研究领域。典型的有借助自由行走算法预测水泥基复合材料的扩散行为，或利用Nernst - Einstein方程通过将材料的电导性与扩散性能挂钩，研究水泥浆体的扩散性能，或借助有限元法(FEM)分别计算水泥浆体的水扩散系数和氯离子扩散系数。这些计算机模型虽然能考虑材料的微观结构信息，但所需计算时间较长，对计算机的内存和计算速度都有较高的要求。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，以及基于该方法所构建的离子扩散模型获取离子扩散系数的方法，利用计算机对水泥基复合材料在微观/细观结构演化过程中的离子扩散行为进行快速准确预测。
[0007]本发明的水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，对于被离散化为一系列大小相等的正方体三维空间网格的水泥基复合材料微观/细观结构，将每一对相互之间具有离子扩散能力的相邻正方体三维空间网格作为一个格构扩散单元，所有格构扩散单元一起组成一个三维格构离子传输网络，其中的每一个正方体三维空间网格作为该三维格构离子传输网络的一个扩散节点，该三维格构离子传输网络即为所构建的水泥基复合材料离子扩散模型；其中，任意两个相邻扩散节点1、j之间的扩散矩阵方程为:
【权利要求】
1.一种水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，其特征在于，对于被离散化为一系列大小相等的正方体三维空间网格的水泥基复合材料微观/细观结构，将每一对相互之间具有离子扩散能力的相邻正方体三维空间网格作为一个格构扩散单元，所有格构扩散单元一起组成一个三维格构离子传输网络，其中的每一个正方体三维空间网格作为该三维格构离子传输网络的一个扩散节点，该三维格构离子传输网络即为所构建的水泥基复合材料离子扩散模型；其中，任意两个相邻扩散节点1、j之间的扩散矩阵方程为:
2.如权利要求1所述水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，其特征在于，所述被离散化为一系列大小相等的正方体三维空间网格的水泥基复合材料微观/细观结构，通过对水泥基复合材料样本进行CT扫描得到，或者，由CEMHYD3D模型直接得到。
3.如权利要求1所述水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，其特征在于，所述被离散化为一系列大小相等的正方体三维空间网格的水泥基复合材料微观/细观结构，通过对水泥基复合材料的微观/细观连续结构按照以下方法进行离散化得到:将水泥基复合材料的微观/细观连续结构划分为一系列大小相等的正方体三维空间网格；对于每一个正方体三维空间网格，统计其中心点及8个顶点处的物相，并以出现频次最高的物相作为该正方体三维空间网格的物相；如有两个物相出现频次相同，则以其中扩散能力较高的物相为该正方体三维空间网格的物相。
4.如权利要求3所述水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，其特征在于，所述水泥基复合材料的微观/细观连续结构通过模拟水泥浆体的微观结构生成模型: HYM0STRUC3D、μ ic，以及模拟混凝土的细观结构生成模型:SPACE、HADES之中的一种模型得到。
5.如权利要求1所述水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，其特征在于，对于水泥浆体的微观结构，所述物相包括:未水化水泥相、孔相、外部水化产物相、内部水化产物相，其中未水化水泥相的离子扩散系数为O ;对于混凝土或砂浆的细观结构，所述物相包括:集料相、界面过渡区相、水泥基体相，其中集料相的离子扩散系数为O。
6.一种水泥基复合材料离子扩散系数的获取方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、使用权利要求1?5任一项所述水泥基复合材料离子扩散模型的构建方法，构建出待测水泥基复合材料的三维格构离子传输网络；步骤2、从所述三维格构离子传输网络中选取一个立方体区域，并设定该立方体区域的离子浓度边界条件如下:以该立方体区域的两个相对立表面分别为离子的流入面和流出面，其余表面则与外界没有离子交流，并设定流入面和流出面上的三维格构离子传输网络扩散节点分别具有恒定的离子浓度Ct和Co，Ct>C0 ; 步骤3、利用所述立方体区域中两两相邻扩散节点之间的扩散矩阵方程以及离子浓度边界条件，构建所述立方体区域的离子扩散矩阵方程如下:
7.如权利要求6所述水泥基复合材料离子扩散系数的获取方法，其特征在于，采用共轭梯度法求解所述立方体区 域的离子扩散矩阵方程。
【文档编号】G06F19/00GK103440409SQ201310354968
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】刘琳, 赵海涛, 沈德建, 蒋建华 申请人:河海大学