基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法

本发明涉及水泥基材料，具体涉及基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法。

背景技术：

1、弹性模量作为混凝土结构设计的重要参数，可以反映材料抵抗弹性变形的能力。然而，在材料满足设计强度条件时，较低弹性模量会导致混凝土构件刚度偏低，增大荷载作用下的变形而致使构件不能正常使用。混凝土弹性模量通常随抗压强度的增加而增大。以超高强度、高韧性和优异耐久性著称的超高性能混凝土(ultra-high performanceconcrete，简称uhpc)作为一种新型复合水泥基材料，其抗压强度超过120mpa，是普通混凝土和高强混凝土的1.5倍以上。而uhpc弹性模量多为40-55gpa，仅比普通混凝土高20％左右，其增长幅度明显小于抗压强度的增长幅度，给uhpc工程应用带来更多的困难。为了提高uhpc与钢筋的协同工作能力，采用加入添加剂或粗骨料的方法提高其弹性模量。

2、申请公布号为cn 112897954 a的专利申请书披露了一项名为“一种高弹性模量超高性能混凝土及制备方法”的发明专利，该专利采用纳米caco3制备超高性能混凝土，其最低强度和弹性模量分别为156.3mpa和为50.3gpa，比现有技术提高了11％，具有高弹性模量。申请公布号为cn106517957a的专利申请书披露了一项名为“一种普通强度高弹性模量混凝土及其制备方法”的发明专利，该专利采用石英砂、金刚砂、玄武岩、花岗岩以及刚玉等硬度较高骨料制备普通强度高弹性模量混凝土，混凝土强度等级为c40-c50，弹性模量可达50gpa以上。

3、当前针对混凝土弹性模量的研究，大多采用宏观试验方法，或采用经验公式根据实测的抗压强度来预测弹性模量。由于原材料、配合比、环境条件、测试设备及测试方法，以及操作人员技术等原因，经验公式虽然可以定量估计混凝土弹性模量，但给出的弹性模量结果离散性较大，重复性较低。同时，与普通混凝土相比，uhpc具有低水胶比和胶凝组分用量高的特点。胶凝组分变化必然会导致水泥浆体组成的变化，在计算时不仅要考虑原材料含量的影响，还要考虑微、细观参数对微观结构的影响，否则无法描述微、细观组分对弹性模量的影响，也不能反映微观结构的复杂性。

4、混凝土是一种非均质的多孔的各向异性材料，其微观组分分布跨越了纳米、微米、毫米等尺度，其物理和力学性能的预测，本质上可以归结为多个尺度的影响。多尺度方法能够考虑不同尺度的结构特征，实现基于微观结构信息获得宏观有效性能的目的。将多尺度方法引入到混凝土弹性模量研究中，对于预测与控制混凝土结构的弹性模量、评价弹性变形具有重要意义。cn103105484b公开硬化普通水泥净浆弹性模量多尺度预测方法，该专利采用多尺度方法预测普通水泥净浆弹性模量，但该方法仅适用于水泥净浆，胶凝材料、纤维和界面过渡区物相组分并未予以考虑。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了提供一种基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，其根据混凝土微、细观结构参数，以及配合比、原材料参数，采用多尺度方法即可确定超高性能混凝土弹性模量，所得弹性模量预测值与试验值一致，计算方法简单易实施。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于微、细观结构参数的超高性能混凝土弹性模量预测方法，包括以下具体步骤：

5、s1：将混凝土按照微观和细观结构组成划分为不同尺度，确定各尺度包含的物相；

6、s2：分别获得s1划分的不同尺度中各物相的体积分数；

7、s3：分别获得s1划分的不同尺度中各物相的弹性模量；

8、s4：从最小尺度开始向上逐步采用均匀化方法，根据s2得到的不同尺度中各物相的体积分数，和s3得到的不同尺度中各物相的弹性模量，计算各尺度的弹性模量em；

9、

10、式中：em为当前尺度的弹性模量(gpa)；km、gm分别为体积模量和剪切模量(gpa)，分别按下述公式计算:

11、

12、

13、式中：j表示为第j相；fj为第j相的体积分数；下标为0的参数表示为基体的性质；αj和βj为计算参数，可通过下式计算；

14、

15、

16、优选的：所述s1中混凝土按照微观和细观结构组成划分为不同尺度其具体为从小到大依此划分为尺度ⅰ、尺度ⅱ、尺度ⅲ。

17、优选的：所述尺度ⅰ(10-6-10-4m)包括水化硅酸钙、未水化水泥颗粒和毛细孔；

18、所述尺度ii(10-4-10-2m)包括由尺度ⅰ均匀化后的水泥浆体、细骨料、纤维和界面过渡区；

19、所述尺度iii(10-2-10-1m)包括由尺度ⅱ均匀化后的水泥砂浆、粗骨料及界面过渡区。

20、优选的：所述s2不同尺度中各物相的体积分数包括微观结构的参数和细观结构的参数；

21、所述微观结构的参数包括低密度水化硅酸钙(ld c-s-h)的体积分数fld、高密度水化硅酸钙(hd c-s-h)的体积分数fhd、水化产物的体积分数fhyd、未水化水泥熟料的体积分数funhyd和毛细孔体积分数fpore；

22、所述细观结构的参数包括纤维体积分数fsf、骨料体积分数fagg、界面过渡区体积分数fitz。

23、优选的：所述尺度ⅰ水泥浆体中ld c-s-h的体积分数与混凝土配合比有关，受水灰比(水泥与水含量比值)、硅灰含量、矿粉含量影响；

24、由jennings-tennis修正模型计算得到公式(6)，根据公式(6)和(7)分别求取ldc-s-h和hd c-s-h体积分数：

25、fld＝1.644w/c-0.057sf/c+0.007sslag/c-0.149[r2＝0.91]   (6)

26、fhd/fcsh＝1-fld/fcsh   (7)

27、式中：fld是ld c-s-h的体积分数(％)；fhd是hd c-s-h的体积分数(％)；w/c是水灰比；sf/c是硅灰与水泥质量比；sslag/c是矿粉与水泥质量比；

28、所述尺度i水泥浆体中水化产物、未水化水泥熟料以及毛细孔体积分数，与水灰比和水化程度有关；基于修正的powers模型，水化产物、未水化颗粒和孔隙的体积分数的计算公式如式(8)-(10)所示：

29、

30、

31、fpore＝1-fhyd-funhyd   (10)

32、式中，fhyd、funhyd和fpore分别是水化产物、未水化水泥和孔隙的体积分数(％)；α是水泥水化程度；w/c是水灰比。

33、所述尺度ii水泥砂浆和尺度iii混凝土中骨料周围存在界面过渡区，界面过渡区体积分数与骨料体积分数、颗粒级配有关，由lu等提出的计算公式得到，如式(11)-(14)所示:

34、fitz＝1-fagg-(1-fagg)exp[-πρ(cr+dr2+gr3)]   (11)

35、

36、

37、

38、式中，fitz和fagg分别是界面过渡区和细骨料的体积分数(％)；ρ是单位体积中总粒子数量(个)；符号c、d、g是粒子半径<r>的平均值(mm)和粒子半径平方<r2>(mm2)的计算参数；符号z＝2πρ<r2>/3；

39、所述尺度ii水泥砂浆中细骨料和纤维的体积分数、所述尺度iii混凝土中粗骨料的体积分数可以由混凝土配合比得到。

40、优选的：所述尺度ⅰ上ld c-s-h和hd c-s-h体积分数由jennings-tennis修正模型计算得到，水化产物、未水化水泥颗粒和毛细孔的体积分数由powers模型计算得到；尺度ⅱ上界面过渡区的体积分数由lu模型计算得到，其他物相的体积分数由混凝土配合比得到；尺度ⅲ上界面过渡区的体积分数由lu模型计算得到，其他物相的体积分数由混凝土配合比得到。

41、优选的：所述s3不同尺度中各物相的弹性模量包括微观结构的参数和细观结构的参数；

42、优选的：所述尺度ⅰ上hd c-s-h和ld c-s-h的弹性模量受水胶比和养护温度影响；未水化水泥熟料的弹性模量与熟料成分有关，由数据统计得到；

43、尺度ii中细骨料和尺度iii中粗骨料的弹性模量由石材决定，由数据统计得到；尺度ⅱ和尺度iii上界面过渡区的弹性模量约为uhpc浆体弹性模量的80％。

44、优选的：所述s4均匀化方法具体为：在尺度ⅰ上采用mori-tanaka法计算均匀化的水泥净浆，参考介质为水化硅酸钙，未水化水泥颗粒和毛细孔视为夹杂相；

45、尺度ⅱ上采用mori-tanaka法计算均匀化的水泥砂浆，参考介质为水泥净浆，细骨料、纤维和骨料周围的界面过渡区视为夹杂相；

46、尺度ⅲ上采用mori-tanaka法计算均匀化的混凝土，参考介质为水泥砂浆，粗骨料及其周围界面过渡区则为夹杂相。