考虑界面过渡区逾渗的钢纤维混凝土渗透系数计算方法

本发明涉及土木工程领域，具体是一种考虑界面过渡区逾渗的钢纤维混凝土渗透系数计算方法。

背景技术：

1、钢纤维混凝土是一种新兴的土木工程材料，因其优异的力学性能而广受关注，并应用于机场、核电站和水坝等特种建筑中。钢纤维混凝土中不可避免的存在缺陷，骨料和钢纤维表面的界面过渡区(interfacial transition zone,itz)是钢纤维混凝土的薄弱区，氯离子和硫酸根等侵蚀性介质会沿界面过渡区侵入材料内部，导致钢纤维混凝土内部锈蚀，并发生膨胀脱落，是破坏材料微细观结构和降低材料耐久性的关键原因，极大影响钢纤维混凝土的耐久性。开展钢纤维混凝土界面过渡区逾渗路径检测及渗透系数计算，可以更好的对钢纤维混凝土进行耐久性预测，对提高建筑的寿命有巨大帮助。

2、钢纤维混凝土是一种极具创新性的土木工程材料，合理地构造钢纤维混凝土细观结构模型有助于高性能钢纤维混凝土的研发速度。然而，现有钢纤维混凝土模型中大多以单形状粒子堆积体系表示骨料堆机状态，忽视了骨料的形状分散特征。在考察itz逾渗行为时局限于骨料周围itz逾渗，尚未考虑骨料和纤维周围itz的协同逾渗行为。此外，现有界面过渡区逾渗检测方法计算效率低需要消耗大量的时间。在材料渗透性计算方面，先前大部分研究只考虑钢纤维混凝土中界面过渡区体积分数对渗透性能的影响，忽视了骨料和纤维周围itz协同逾渗行为对渗透性能的作用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是，提供了一种考虑界面过渡区逾渗的钢纤维混凝土渗透系数计算方法，量化骨料和纤维周围itz协同逾渗对钢纤维混凝土渗透性能的影响，建立itz逾渗和钢纤维混凝土渗透性能之间的关系。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种考虑界面过渡区逾渗的钢纤维混凝土渗透系数计算方法，包括如下步骤：

3、s1：设置模拟循环次数nu，令py代表已发生逾渗次数，令φagg代表骨料体积分数，令△v代表骨料体积分数增量，并设置py、φagg初始值均为0；并设定钢纤维体积分数φf和临界钢纤维体积分数φfc；

4、s2：令φagg＝φagg+△v，并将φagg存入矩阵p1；

5、s3：构建钢纤维混凝土界面过渡区逾渗模型：

6、钢纤维混凝土界面过渡区逾渗模型为三维立方体，三维立方体中包含骨料粒子和钢纤维粒子，骨料粒子和钢纤维粒子表面均设有一层界面过渡区，且该模型满足周期性边界条件，并生成骨料和钢纤维粒子随机堆积模型；

7、s4：通过逾渗路径检测判断钢纤维混凝土界面过渡区逾渗模型是否发生逾渗，若发生逾渗则令py＝py+1并进入步骤s5，若不发生逾渗，则直接进入步骤s5；

8、s5：循环步骤s3-s4，直至完成预设的nu次循环，计算当前骨料体积分数下发生逾渗的概率py/nu并将此值存入矩阵p2，判断py/nu是否小于0.95，若py/nu小于0.95，则返回步骤s2，调整骨料体积分数，若py/nu大于等于0.95，则进行步骤s6；

9、其中p1表示满足py/nu大于等于0.95的过程中的所有骨料体积分数的矩阵，p2表示不同骨料体积分数下发生逾渗的概率矩阵；

10、s6：拟合矩阵p1和矩阵p2中所存储的数据，确定体系的临界骨料体积分数φaggc；

11、s7：分别计算骨料表面界面过渡区体积分数φagg，itz、钢纤维表面界面过渡区体积分数φf，itz，进而获得计算钢纤维混凝土中复合相体积分数φi；

12、s8：根据步骤s6确定的临界骨料体积分数φaggc计算临界骨料表面界面过渡区体积分数φaggc，itz，并获得临界钢纤维表面界面过渡区体积分数φf，itz，进而获得计算钢纤维混凝土中复合相临界体积分数φic；

13、s9：根据公式(12)计算钢纤维混凝土渗透系数ksfrc；

14、

15、其中，ki为复合相渗透系数；kcp为水泥浆体渗透率(m2)；kv为虚拟介质渗透率(m2)，根据步骤s8获得钢纤维混凝土中复合相临界体积分数φic确定；φcp为水泥浆体的体积分数(-)，φcp、ki、kv、φi为骨料体积分数的函数。

16、所述步骤s3中的具体过程为：

17、通过函数表示法构造超卵球粒子、超椭球粒子，令形状变化范围广的超卵球代表骨料，令与钢纤维形状相近的超椭球代表钢纤维，令dmin代表骨料最小粒径，dmax代表骨料最大粒径，设置模型边长l、骨料的尺寸分布区间[dmin,dmax]和界面过渡区厚度t，并利用minkowski求和理论完成粒子表面等厚度itz构造，利用蒙特卡洛原理完成骨料和钢纤维粒子随机堆积模型构造，至此获得钢纤维混凝土界面过渡区逾渗模型。

18、所述步骤s4中界面过渡区逾渗路径检测的过程为：

19、s41：将所有的骨料表面界面过渡区和钢纤维表面界面过渡区信息存入矩阵w1；

20、s42：将容器的六个面进行标记，分别设定为前表面、后表面、左表面、右表面、上表面、下表面；其中，左表面和右表面组成第一考察组，前表面与后表面组成第二考察组，上表面和下表面组成第三考察组；每个考察组中一个面为初始面，则另一个面为终止面；

21、s43：设定所述第一考察组中的左表面为初始面，右表面为终止面；

22、s44：判断w1中的界面过渡区itz是否与左表面相交，相交的itz计入矩阵w2，并在w1中将上述检测出的界面过渡区移除；

23、s45：在w1中搜寻与w2中界面过渡区相交的界面过渡区，将w1中相交的界面过渡区计入w2，并在w1中将检测出的与w2中界面过渡区相交的界面过渡区移除；

24、s46：重复步骤s45，直至在w1中搜寻不到与w2中界面过渡区相交的界面过渡区；

25、s47：判断w2中界面过渡区是否与后表面相交；若存在与后表面相交的界面过渡区，则认为该体系存在贯穿连通簇，会发生逾渗，否则返回步骤s43并更换下一考察组；三个考察组中只要存在任意一条贯穿连通簇，都认为体系发生逾渗，若三个考察组全部判断结束，均无法找到与终止面相交的itz，则认为itz网络不能发生逾渗。

26、所述步骤s45中采用界面过渡区重叠检测算法在w1中搜寻与w2中界面过渡区相交的界面过渡区，所述界面过渡区重叠检测算法具体为：

27、s451：进行碰撞初步检测：

28、假设需要进行itz重叠检测的粒子为i和j，dmaxi和dmini分别代表i粒子中心到表面点的最大和最小距离，dmaxj和dminj分别代表j粒子中心到表面点的最大和最小距离；计算两粒子中心点距离dij，若dij>dmaxi+dmaxj+2*t，表明粒子i与粒子j必定不相交，若dij<dmini+dminj+2*t，表明粒子i与粒子j必定相交，若dmini+dminj+2*t<dij<dmaxi+dmaxj+2*t，则进行下一步精确检测；

29、s452：进行碰撞精确检测：

30、计算i粒子表面界面过渡区上所有的点piitz到j粒子所有的点pj的最短距离diitz，j；若diitz，j≤t表明两粒子周围的itz发生重叠，若diitz，j>t表明两粒子周围的itz不发生重叠。

31、所述步骤s6中，利用gauss误差方程拟合矩阵p1和矩阵p2中所存储的数据，确定临界骨料体积分数φaggc，利用gauss误差方程所设置的拟合公式为：

32、

33、其中，ppn为py/nu的值，δ(l)为渗流变相参数；erf为误差函数。

34、所述步骤s7中，

35、s71：以单形状-多尺寸粒子堆积体系界面过渡区体积分数计算模型为基础，计算骨料表面界面过渡区体积分数φagg，itz，计算式为：

36、

37、

38、

39、

40、

41、式中，φagg为骨料体积分数(-)；<dagg>为骨料平均等效直径(-)；<d2agg>为骨料等效直径平方的平均值(-)；<d3agg>为骨料等效直径立方的平均值(-)；sagg3d为骨料球形度(-)；t为界面过渡区厚度；

42、s72：以单形状-多尺寸粒子堆积体系界面过渡区体积分数计算模型为基础，计算钢纤维表面界面过渡区体积分数φf，itz，计算式为：

43、

44、

45、

46、

47、

48、式中φf为钢纤维体积分数(-)；<df>为钢纤维平均等效直径(-)；<d2f>为钢纤维等效直径平方的平均值(-)；<d3f>为钢纤维等效直径立方的平均值(-)；sf3d为钢纤维球形度(-)；

49、s73：计算钢纤维混凝土复合相体积分数φi，计算式为：

50、φi＝φagg,itz+φf,itz+φagg+φf  (4)

51、所述步骤s8中，具体步骤为：

52、s81：以单形状-多尺寸粒子堆积体系界面过渡区体积分数计算模型为基础，计算临界骨料表面界面过渡区体积分数φaggc，itz，计算式为：

53、

54、

55、

56、

57、

58、式中φaggc为临界骨料体积分数(-)；<daggc>为临界骨料平均等效直径(-)；<d2aggc>为临界骨料等效直径平方的平均值(-)；<d3aggc>为临界骨料等效直径立方的平均值(-)；t为界面过渡区厚度；

59、s82：以单形状-多尺寸粒子堆积体系界面过渡区体积分数计算模型为基础，计算临界钢纤维表面界面过渡区体积分数φf，itz，计算式为：

60、

61、

62、

63、

64、

65、式中φfc为临界钢纤维体积分数(-)；<dfc>为临界钢纤维平均等效直径(-)；<d2fc>为临界钢纤维等效直径平方的平均值(-)；<d3fc>为临界钢纤维等效直径立方的平均值(-)；t为界面过渡区厚度；

66、s83：计算钢纤维混凝土复合相体积分数φic，计算式为：

67、φic＝φaggc,itz+φfc,itz+φaggc+φfc  (7)。

68、8.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤s9中，

69、s91：计算水泥浆体权重系数μcp，计算式为：

70、

71、式中φcp为水泥浆体的体积分数(-)，φcp＝1-φagg-φf；h(.)为跃迁函数；

72、s92：计算复合相权重系数μai，计算式为：

73、

74、s93：计算复合相渗透系数ki，计算式为：

75、

76、式中，kitz为钢纤维混凝土中itz渗透系数(m2)；

77、s94：计算虚拟介质渗透率kv(m2)，计算式为：

78、kv＝μaikai+μcpkcp  (11)

79、式中kcp为水泥浆体渗透率(m2)；ki为复合相渗透系数(m2)；

80、s95：计算钢纤维混凝土渗透系数ksfrc，计算式为：

81、

82、进一步地，所述模拟循环次数nu取值为500-2000。

83、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

84、一、本发明方法中充分考虑了钢纤维混凝土中界面过渡区逾渗对渗透系数的影响，给出了考虑钢纤维掺入情况下的渗透系数计算公式，提高了计算的精度。

85、二、本发明方法中，采用超卵球粒子、超椭球粒子分别代表骨料和钢纤维，建立多形状骨料粒子堆积体系，拓展钢纤维混凝土细观模型的应用范围，以此为基础建立钢纤维混凝土界面过渡区逾渗模型，给出了考虑钢纤维混凝土界面过渡区发生逾渗情况下的临界骨料体积分数，并在进行渗透系数计算时将骨料和钢纤维分别计算再进行整合，为组分复杂的钢纤维混凝土进行渗透系数数值研究提供了模型基础。

86、三、本发明中开发骨料和纤维周围itz逾渗路径的快速检测，提高itz逾渗检测效率，界面过渡区碰撞检测算法，大幅提高了计算速度，节约了时间成本。