基于随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法

摘要

本发明公开了一种基于随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法，包括以下步骤：步骤1：设定模型参数；步骤2：随机生成凸多边形粗骨料；步骤3：创建再生粗骨料信息；步骤4：构建损伤区和裂纹；步骤5：文件格式转换；步骤6：氯盐侵蚀数值模拟。本发明开发一种用于综合评估开裂再生凸多边形粗骨料混凝土中氯离子迁移行为的七相细微观数值分析模型，为探究开裂损伤状态下再生混凝土中氯离子的传输过程提供一种创新的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及开裂再生混凝土多相多尺度数值模型研究技术领域，特别是涉及一种基于随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法。

背景技术

再生骨料混凝土是将建筑固废进行处理得到再生粗骨料代替天然骨料制备的混凝土。再生混凝土的推广应用，可促进建筑固废的资源化再利用，是实现资源与环境协调发展的重要途径，对推动构建绿色可持续发展社会和实现“双碳”目标具有重要意义。基于微观尺度评估裂纹和损伤区特征参数对开裂再生混凝土氯离子迁移行为的影响，对延长再生混凝土结构耐久性设计和性能评估提升具有重要的理论意义和工程应用价值。

目前国内外学者考虑再生混凝土材料非均质性的特点，建立理想、规则粗骨料形状和均匀分布的多相数值模型，包括：方形、正六边形、正五边形和圆形骨料。在实际情况下，再生粗骨料的形状并非理想化的圆形，更多表现为凸多边形，且分布规律多表现为随机分布，导致现有模型与实际的骨料形状和分布规律相差较大，同时尚未发现关于开裂损伤再生混凝土多相模型构建和氯盐侵蚀方法的研究。

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随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法，为解决开裂再生混凝土中氯盐侵蚀问题提供一种新颖的途径。为了更加符合再生粗骨料的真实形状，引入随机凸多边形骨料模型，开发再生粗骨料形状和分布规律与实际情况更加吻合的多相模型。考虑到再生混凝土材料细微观尺度非均质性的特征，将开裂再生粗骨料混凝土看作一种由核心区天然骨料、旧粘结砂浆、新砂浆、新、旧界面过渡区、裂纹和损伤区组成的七相复合材料。

为达到上述目的，本发明所述一种基于随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法，通过以下技术方案实现：

步骤1，设定再生混凝土模型边界参数、再生粗骨料特征参数、边界和间距调整系数；

步骤2，应用蒙特卡罗随机抽样法，随机生成凸多边形粗骨料信息参数：

步骤2.1，随机生成圆包括圆心坐标和半径的随机确定，圆心的随机生成先通过“Rand(1)”命令生成(0,1)内的随机数；再将随机圆的圆心坐标x

半径的随机生成需要给定粒径级配区间，按照由大到小的级配顺序进行投放，先设定级配段再生粗骨料的最大、最小粒径分别为D

r

式中，r

步骤2.2，墙效应判断：在连续投放粗骨料的过程中，需保证骨料完全在给定投放范围内生成，此外骨料外围都会包裹一定厚度的新砂浆，一般混凝土表层0.1mm内不含骨料，即骨料的边界需与模型边界设置一定的距离：

式中，x

步骤2.3，骨料间距判断：为防止新生成骨料与已生成骨料之间发生干涉、重叠的问题，需计算新生成的骨料的圆心与已生成骨料圆心之间的距离，保证两骨料的圆心距大于等于半径之和因此骨料间距判断需满足的条件公式为：

L＞(1+γ

程序语言的表达式为：

式中：x

步骤2.4，生成凸多边形粗骨料：在新生成的圆满足步骤2.2和2.3的基础上，随机产生 n个0°～360°之间的度数，使用“sort”命令对所生成的n个角度进行从小到大排序，利用三角函数原理计算圆上顶点的准确位置，具体表达如下：

ang＝Rand(1,n)×2π

B＝sort(ang)

式中，ang为包含n个随机角度的矩阵；x

沿逆时针方向顺次连接圆上的顶点，生成凸多边形骨料；

步骤3，在凸多边形粗骨料边界顶点的基础上，沿着凸多边形顶点与圆心连线方向分别延长和缩进，得到新界面过渡区、旧粘结砂浆、旧界面过渡区和天然骨料的边界，保存边界参数并输出文件。

步骤4，在生成再生混凝土模型的内部，设置裂纹区和损伤区，需保证裂纹位于损伤区的中心，损伤区和裂缝的长度分别表示为L

步骤5，将获取的开裂再生混凝土参数信息包括：再生凸多边形骨料点、线信息、损伤区和裂纹特征信息导入AutoCAD软件，再将所有信息保存为DXF格式文件；

步骤6，氯盐侵蚀数值模拟的具体做法是：

步骤6.1仿真环境创建：选取二维空间维度，添加稀物质传递接口，选择瞬态研究；

步骤6.2几何模型构建：将获取的包括裂纹、损伤区、新砂浆、新界面过渡区、旧砂浆、旧界面过渡区、天然骨料七相组成的开裂再生混凝土模型带入COMSOL有限元软件，装配为联合体；

步骤6.3基本参数设定：在稀物质传递模块下分别创建裂纹、损伤区、新、旧界面过渡区、新砂浆、旧粘结砂浆和天然骨料7个不同的传递属性，并选择各自对应的区域，设定氯盐侵蚀面和无通量面；

步骤6.4网格划分：采用自由三角形网格对模型进行划分网格；

步骤6.5模型计算：在研究模块中的瞬态求解器中设置时间单位为：d，并根据计算要求设置时间步，包括起始时间、终止时间和步长；

步骤6.6后处理：仿真程序运行完成后，设置待求解深度的二维截线，再取派生值下的线平均值测定氯离子含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明考虑开裂再生混凝土材料非均质性的特征，建立包含：核心区天然骨料、旧粘结砂浆、新砂浆、新、旧界面过渡区、裂纹和损伤区组成的七相复合材料，与开裂状态下再生混凝土的细微观材料组成特征较为吻合。

2、在解决开裂再生混凝土中氯盐侵蚀问题时，引入的随机凸多边形再生粗骨料混凝土模型可实现三随机(分布、粒径、边数)、三可控(含量、级配、厚度)的目标，具有真实性强的特点。

附图说明

图1为本发明的一种基于随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法的流程图；

图2为本发明的再生粗骨料间位置关系图；

图3再生凸多边形粗骨料建模示意图

图4为本发明的开裂再生混凝土七相模型示意图；

图5为本发明的模型边界条件设定图；

图6为本发明的开裂再生混凝土七相模型有限元网格划分结果图；

图7为本发明的实施例的开裂再生混凝土中氯离子浓度分布云图。

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随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法，包括以下步骤：

一种基于随机凸多边形粗骨料的开裂再生混凝土七相模型构建及氯盐侵蚀数值计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，设定模型参数，包括：再生混凝土模型边界参数、再生粗骨料特征参数、边界和间距调整系数，具体程序语言表达如下：

r

r

r

Range＝[0 100；0 100]；％模型边界范围

Rmin＝7.5；％粗骨料粒径[15-20]级配段半径最小值

Rmax＝10；％粗骨料粒径[15-20]级配段半径最大值

Rmin1＝5；％粗骨料粒径[10-15]级配段半径最小值

Rmax1＝7.5；％粗骨料粒径[10-15]级配段半径最大值

Rmin2＝2.5；％粗骨料粒径[5-10]级配段半径最小值

Rmax2＝5；％粗骨料粒径[5-10]级配段半径最大值

L＝1.3；％圆形骨料与边界之间的调整系数

P＝1.05；％两个圆形骨料之间的间距调整系数

N1＝927；％粗骨料粒径[15-20]级配段的总粒径面积

N2＝1485；％粗骨料粒径[15-20]级配段的总粒径面积

N3＝2088；％粗骨料粒径[15-20]级配段的总粒径面积

步骤2，随机生成凸多边形粗骨料：

随机生成圆：

先通过“Rand(1)”命令随机生成(0,1)内的随机数；再将生成随机数放大L和W倍得到圆心坐标x

通过以下命令随机确定半径：

r

式中，r

墙效应判断：

在连续投放粗骨料的过程中，需保证骨料完全在给定投放范围内生成，此外骨料外围都会包裹一定厚度的新砂浆，一般混凝土表层0.1mm内不含骨料，即骨料的边界需与模型边界设置一定的距离：

式中，x

骨料间距判断：

为防止新生成骨料与已生成骨料之间发生干涉、重叠的问题，需计算新生成的骨料的圆心与已生成骨料圆心之间的距离，保证两骨料的圆心距大于等于半径之和，考虑到骨料外围存在界面过渡区的问题，位置关系如图2所示；

因此骨料间距判断需满足的条件公式为：

L＞(1+γ

程序语言的表达式为：

式中：γ

生成凸多边形粗骨料：

在新生成的圆满足步骤2和3的基础上，随机产生n个0°～360°之间的度数，使用“sort”命令对所生成的n个角度进行从小到大排序，利用三角函数原理计算圆上顶点的准确位置，具体表达如下：

ang＝Rand(1,n)×2π

B＝sort(ang)

沿逆时针方向顺次连接圆上的顶点，生成凸多边形骨料。

步骤3，创建再生粗骨料信息：在凸多边形粗骨料边界顶点的基础上，经过扩展延伸生成再生粗骨料信息参数；

在上述凸多边形骨料基础上，如图3所示，沿着凸多边形顶点与圆心连线方向分别延长和缩进，得到圆心与新界面过渡区、旧粘结砂浆、旧界面过渡区和天然骨料边界之间的距离，分别为：r

步骤4，构建损伤区和裂纹：

在生成再生混凝土模型的内部，构建长度和宽度分别为40mm、2.5mm的损伤区、长度和宽度分别为30mm、300μm的裂缝，需保证裂纹位于损伤区的中心，如图4为开裂再生混凝土七相模型示意图。

步骤5，文件格式转换：

将获取的再生凸多边形骨料点、线信息导入AutoCAD软件，再将凸多边形骨料信息保存为DXF格式的文件。

步骤6，在COMSOL有限元软件中对开裂再生混凝土进行仿真计算：

仿真环境创建：

选取二维空间维度，添加稀物质传递接口，选择瞬态研究；

几何模型构建：

将获取的包括裂纹、损伤区、新砂浆、新界面过渡区、旧砂浆、旧界面过渡区、天然骨料七相组成的开裂再生混凝土模型带入COMSOL有限元软件，装配为联合体；

基本参数设定：

在稀物质传递模块下分别创建裂纹、损伤区、新、旧界面过渡区、新砂浆、旧粘结砂浆和天然骨料7个不同的传递属性，并选择各自对应的区域，各相氯离子扩散系数如下所示：

表1数值模拟的各相氯离子扩散系数(×10

在稀物质传递接口下，如图5所示，选中左侧边界设置为流入面，并输入表面氯离子浓度0.5％；设置剩余三边为无通量面；

网格划分：采用自由三角形网格对模型进行划分网格，图6为有限元网格划分结果；

模型计算：在研究模块中的瞬态求解器中设置时间单位为：d，并根据计算要求设置时间步，包括起始时间、终止时间和步长；

后处理：仿真程序运行完成后，设置待求解深度的二维截线，再取派生值下的线平均值测定氯离子含量；

如图7为应用本发明得到的侵蚀300d后的开裂再生混凝土中氯离子浓度分布云图。