一种基于Monte-Carlo理论的再生混凝土多相微细观模型构建方法

摘要

本发明公开了一种基于Monte‑Carlo理论的再生混凝土随机多边形骨料五相微细观模型构建方法，包括以下步骤：步骤1：设定初始参数；步骤2：基于Monte‑Carlo理论随机生成圆心和半径；步骤3：边界条件判断；步骤4：干涉判断；步骤5：在满足条件的每个圆周上随机取点；步骤6：骨料优化；步骤7：多边形骨料生成；步骤8：多边形骨料累积面积率计算；步骤9：新、旧界面过渡区和旧粘结砂浆生成；步骤10：参数输出。本发明多次基于Monte‑Carlo理论生成再生混凝土随机多边形骨料五相微细观模型，具有真实性更强的特点，同时大幅提升了模型的生成效率，为再生混凝土微细观力学和耐久性研究奠定基础。

说明书

技术领域

本发明涉及再生混凝土多相微细观模型数值研究技术领域，特别是涉及一种基于Monte-Carlo理论的再生骨料混凝土多相微细观模型构建方法。

背景技术

再生骨料混凝土(简称再生混凝土)是指将建筑垃圾中的废弃混凝土块经过多环节处理后得到的再生粗骨料，取代天然骨料配置而成的混凝土。再生混凝土的推广应用对于实现碳达峰碳中和、环境保护以及可持续发展具有重要意义。为促进再生混凝土在建筑施工中的应用，从微细观角度出发，利用有限元软件对再生混凝土进行力学与耐久性方面的研究，可以进一步探究导致再生混凝土性能差的薄弱环节。

由于再生混凝土各相微细观结构的差异性，以及真实的再生粗骨料形状具有非常复杂的随机性，导致在数值分析过程中无法真实有效的与实际情况相符合。目前，已经有许多学者为了更加接近这种真实情况，建立了再生混凝土多项微细观模型，将再生混凝土视为由核心区天然骨料、旧界面过渡区、旧粘结砂浆、新界面过渡区、新砂浆组成的多相复合材料。这种再生混凝土多相微细观建模方法已经与真实情况下再生粗骨料各相组成成分非常吻合，但大部分学者都将再生粗骨料形状处理为理想化的圆形骨料，这显然与实际情况存在偏差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于Monte-Carlo理论的再生混凝土多相微细观模型构建方法，解决再生混凝土微细观建模过程中再生粗骨料形状真实性差的问题，构建出具有骨料形状和组成成分均符合真实骨料微细观结构的再生混凝土数值分析模型。

为达到上述目的，本发明所述一种基于Monte-Carlo理论的再生混凝土多相微细观模型构建方法，通过以下技术方案实现：

步骤1，输入初始参数，包括：再生骨料混凝土生成区域参数、再生粗骨料粒径级配参数及新、旧界面过渡区和旧粘结砂浆厚度参数；

步骤2，基于Monte-Carlo理论随机生成圆心和半径：调用随机函数生成的再生粗骨料的圆心和半径；

步骤3，边界条件判断：根据步骤2生成的圆心和半径，判断任意圆是否在步骤1设定的再生骨料混凝土生成区域的范围内，此步骤不成立，则返回步骤2；

步骤4，干涉判断：根据步骤2每生成一个圆，需判断与此前生成的所有圆是否发生相互干涉的问题，此步骤不成立，则返回步骤2；

步骤5，基于Monte-Carlo理论在满足条件的每个圆周上随机取点：在满足步骤3和4的圆周上，调用随机函数取m个顶点，顶点的个数和位置均通过随机函数生成；

步骤6，骨料优化：计算每个圆上随机生成的相邻两点与圆心连线的夹角度数，若大于180°则需要返回步骤5重新取点；

步骤7，多边形骨料生成：将满足步骤6圆周上的点沿逆时针方向顺次相连；

步骤8，多边形骨料累积面积率计算：每生产一颗多边形骨料计算其面积以及面积累计率，当达到某级配段骨料面积后开始下一级配段骨料的生成，且优先投放大级配段骨料；

步骤9，新、旧界面过渡区和旧粘结砂浆生成：根据圆周上的每个点与圆心的连线依次向内扩展和向外延伸；

步骤10，参数输出：将生成的每颗多边形骨料的几何参数进行保存。

所述步骤1的具体做法是：给定再生骨料混凝土生成区域，约束再生粗骨料生成范围，通过设定设定起始点的位置以及长(L)和宽(W)的尺寸，确定再生粗骨料的投放区域，本区域将作为再生混凝土的新砂浆；

所述再生粗骨料粒径一般被划分为多个级配区间，计算各级配区间内粗骨料粒径的最大值、最小值和总面积占比；

所述输入新、旧界面过渡区厚度r1、r2与旧粘结砂浆厚度r3；

所述步骤2的具体做法是：通过以下算式随机生成圆心坐标：

其中Rand(1)为(0,1)内的随机数；

通过以下算式随机生成圆半径：

r

其中r

所述步骤3的具体做法是：判断圆是否在步骤1设定的再生骨料混凝土生成区域的范围内的具体算式如下：

其中x

所述步骤4的具体做法是：根据两个圆心之间的距离是否大于两圆之间的半径和判别是否发生干涉问题；

具体判断算式如下：

所述步骤5的具体做法是：随机取n个顶点的具体算式如下：

n＝Round(a+Rand(1)×(b-a))

其中n的取值范围为(4，12)；

各顶点位置随机的具体做法是：先随机取n个0°～360°之间的度数，再计算

顶点坐标；具体算式如下：

其中x

所述步骤6的具体做法是：调用“diff”命令计算相邻两点与圆心连线的夹角度数，若大于180°则需要返回步骤5重新取点；

所述步骤9的具体做法是：将圆周上的每个点与圆心的连线依次向内扩展r3、r2+r3生成旧粘结砂浆和旧界面过渡区，向外延伸r1生成新界面过渡区；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明基于Monte-Carlo理论开发再生粗骨料具有随机多边形特点的再生混凝土微细观模型。在模型生成过程中再生粗骨料位置、粒径大小、多边形边数均通过随机的方式确定，保证了本模型真实性更强的特点。

2、在开发模型的过程中考虑了再生混凝土非均质多相复合材料的特点，构建包括天然骨料、旧界面过渡区、旧粘结砂浆、新界面过渡区、新砂浆组成五相复合材料，这与真实情况下再生粗骨料的微细观组成成分更为相似。

3、在数值分析过程中再生粗骨料体积含量、新、旧界面过渡区厚度、旧粘结砂浆率均可自由设定，为研究导致再生混凝土性能差的薄弱环节奠定基础。

附图说明

图1为本发明的一种基于Monte-Carlo理论的再生骨料混凝土多相微细观模型建模方法的流程图；

图2为本发明的再生骨料混凝土多相微细观模型示意图；

图3为本发明的新、旧界面过渡区、旧粘结砂浆和天然骨料生成示意图；

图4为本发明的实施例的骨料含量为15％的模型图；

图5为本发明的实施例的骨料含量为30％的模型图；

图6为本发明的实施例的骨料含量为45％的模型图；

图7为本发明的实施例的界面过渡区厚度为0.1mm的模型图；

图8为本发明的实施例的界面过渡区厚度为0.5mm的模型图；

图9为本发明的实施例的旧粘结砂浆率为0.1的模型图；

图10为本发明的实施例的旧粘结砂浆率为0.25的模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施方式给出的一种基于Monte-Carlo理论的再生骨料混凝土多相微细观模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1，输入初始参数，包括：再生骨料混凝土生成区域参数、再生粗骨料粒径级配参数及新、旧界面过渡区和旧粘结砂浆厚度参数；通过给定的再生混凝土成区域，约束再生粗骨料生成范围；

再生混凝土生成区域的模型尺寸为：长度为100mm、宽度为100mm；

再生粗骨料粒径级配区间设为3个，各级配区间内粗骨料粒径的最大值、最小值分别为[5cm-10cm]、[10cm-15cm]、[15cm-20cm]；

在15％粗骨料含量下[5cm-10cm]级配区间的面积为700mm

新、旧界面过渡区厚度和旧粘结砂浆厚度分别为0.35mm、0.35mm和0.2r，r为各圆半径；

步骤2，基于Monte-Carlo理论随机生成圆心和半径：调用随机函数生成的再生粗骨料的圆心和半径；

通过以下算式随机生成圆心坐标：

其中Rand(1)为(0,1)内的随机数；

通过以下算式随机生成圆半径：

r

其中r

步骤3，边界条件判断：判断圆是否在步骤1设定的再生骨料混凝土生成区域的范围内的具体算式如下：

其中x

步骤4，干涉判断：根据步骤3每生成一个圆，需判断与此前生成的所有圆是否发生相互干涉的问题；

根据两个圆心之间的距离是否大于两圆之间的半径和判别是否发生干涉问题；

具体判断算式如下：

步骤5，在满足条件的每个圆周上随机取点：在满足步骤4和5的圆周上随机取m个顶点，顶点的个数和位置均需要通过随机函数生成；

所诉的每个圆周上随机取点过程为：基于Monte-Carlo理论，随机取[4-12]个顶点，随机取n个顶点的具体算式如下：

n＝Round(a+Rand(1)×(b-a))

其中n的取值范围为(4，12)；

各顶点位置随机的具体做法是：先随机取n个0°～360°之间的度数，再计算

顶点坐标；具体算式如下：

其中x

步骤6，骨料优化：计算每个圆上随机生成的相邻两点与圆心连线的夹角度数，若大于180°则需要返回步骤6重新取点；

所述的骨料优化为：调用“diff”命令计算相邻两点与圆心连线的夹角度数。

步骤7，多边形骨料生成：将满足步骤6圆周上的点沿逆时针方向顺次相连；

步骤8，多边形骨料累积面积率计算：每生产一颗多边形骨料计算其面积以及面积累计率，当达到某级配段骨料面积后开始下一级配段骨料的生成，且优先投放大级配段骨料；

步骤9，根据圆周上的每个点与圆心的连线依次向内扩展0.2r、0.35mm+0.2r，向外延伸0.35mm，r为各圆半径，生成过程如图2所示，生成的再生混凝土多相模型示意图如图3所示；

步骤10，参数输出：将生成的每颗多边形骨料的几何参数进行保存，如图4为应用本发明得到的再生粗骨料含量为15％的模型图；如图5为应用本发明得到的再生粗骨料含量为30％的模型图；如图6为应用本发明得到的再生粗骨料含量为45％的模型图；

如图7为应用本发明得到的界面过渡区厚度为0.1mm的模型图；如图8为应用本发明得到的界面过渡区厚度为0.5mm的模型图；

如图9为本发明的实施例的旧粘结砂浆率为0.1的模型图；如图10为本发明的实施例的旧粘结砂浆率为0.25的模型图。