Структурно-имитационное моделирование в исследованиях свойств цементных композитов

• Автор: Харитонов, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 05.23.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 365 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦЕМЕНТ 1ЫХ КОМПОЗИЦИЙ.
1.1 Эмпирические познания и теоретические представления о строении цементных систем с позиции моделирования.
1.1.1 Микроструктура цементного камня и закономерности ее влияния на физикомеханические свойства материала.

1.1.2 Нанотруктура СБН и способы ее моделирования

1.1.3 Кристаллогидратная фаза цементного камня.

1.2 Компьютерное моделирование структуры и свойств цементных композиций .

1.2.1 Вероятностногеометрическая концепция моделирования структуры и свойств композиционных материалов.

1.2.2 Имитационное моделирование структуры цементных композиций

1.2.3 Модели гидратации цемента.

1.2.4 Численное моделирование свойств цементных композиций.

1.4 Заключение и постановка задачи
1.5 Выводы по главе.
2 МНО ДО ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНОИМИТ АЦИОНГОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ.
2.1 Общие подходы к моделированию свойств цементных композиций
2.2 Обоснование МКЭ применительно к исследованию цементных композиций
2.2.1 Сущность метода конечных элементов.
2.2.2 Реализация МКЭ и обоснование расчетных схем
2.3 Характеристики уровней моделирования структуры и индивидуальных
2.4 Учет вероятностного аспекта при формировании дискретных моделей
2.4 Выводы по главе.
3 НАНОСТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ КАК ОСНОВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ БЕТОНА.
3.1 Предпосылки к построению модели С8Н
3.2 Анализ закономерностей формирования нанопористости цементного
камня.
3.3 Компьютерная геометрическая модель цементного геля
3.4 Выводы по главе
4 ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ СТРУКТУРНОИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
4.1 Исследование физикомеханических характеристик цементного камня .
4.2 Исследование механических свойств цементного камня на моделях
4.3 Влияние доли заполнителя и условий твердения на свойства цементнопесчаных композиций как матричной составляющей бетонов
4.4 Исследование свойств матричной составляющей бетона по численным моделям.
4.5 Имитационная модель структуры и свойств крупнозернистого бетона
4.6 Выводы по главе.
5 МОДЕЛИРОВАНИЕ СОБСТВЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ СТРУКТУР.
5.1 Природа и механизм влажностной усадки цементного камня
5.2 Алгоритм моделирования влажностной усадки цементных композиций
5.2.1 Капиллярные силы как фактор собственных деформаций
5.2.3 Свободная поверхностная энергия с позиции термодинамики
5.3 Расчет собственных структурных деформаций в модели гелевой фазы цементного камня
5.4 Исследование влажностной усадки цементного камня
5.4.1 Численная оценка усадочных деформаций.
5.4.2 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по влажностной усадке цементного камня
5.5 Моделирование усадки цементнопесчаных систем
5.6 Собственные деформации крупнозернистого бетона.
5.7 Выводы по главе
6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ СТРУКТУРНОИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ СТРУКТУРЫ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
6.1 Анализ степени влияния компонентов структуры на упругие свойства цементного камня.
6.2 Регулирование свойств цементного камня на основе использования наполнителей
6.3 Исследование факторов, определяющих упругие свойства цементнопесчаных систем
6.4 Анализ влияния упругости компонентов цементнопесчаных систем на
их прочность
6.5 Оценка влияния параметров структуры бетона на влажностную усадку.
6.6 Исследование совместного воздействия на структуру бетона внешнего нагружения и собственных деформаций
6.7 Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.
БИБЛЕОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Объемное фрактальное рассеяние связано с размещением упаковкой первичных частиц геля С8Н размером нм и ограниченно сравнительно высоким значением Поверхностная фрактальная масштабность может быть связана с осаждением продуктов гидратации на первоначально плоскую поверхность зерен цемента. Эта фрактальность расширяется вверх по величине, включая сравнительно большие объекты, например, кристаллы гидроксида кальция. По мере развития гидратации объемная фрактальность увеличивается, а интенсивность поверхностной фрактальности стремится, к уменьшению, так как пер
воначальные границы. На рисунке 1. МУРР для 8 суточного цементного камня, твердевшего при С, 8 суточного цементного камня, твердевшего первые часа при С, а также суточного цементного камня, твердевшего при С . Кривые рассеяния всех трех образцов имеют одну и ту же форму, что свидетельствует об отсутствии принципиальных изменений в микроструктуре в условиях высокой температуры твердения, однако при твердении при повышенной температуре превалирует поверхностное фрактальное рассеяние. Это говорит о большей гетерогенности структуры, в которой первоначальные зерна цемента не смешиваются равномерно с внешним продуктом гидратации . Это согласуется с наблюдениями плотного продукта гидратации , и более низкой прочности цементного камня, твердевшего при высокой температуре. В цементном камне фрактальным объемом является фаза твердого СБН, а второй фазой является пористость геля. Для данных по объемной фрактальности связанных с гелем СЭН интенсивность рассеивания меняется с изменением 8и, где I показатель фрактальности объема. Во фрактальном объеме доля твердого тела, находящегося в пределах воображаемой сферы радиусом б и отцентрированного в фиксированной точке, уменьшается с увеличением 6 до тех пор, пока а5йп где у длина взаимодействия. Доля объема твердого материала в пределах фрактальной области изолированного объема может быть выражена следующим образом
г с ог а5
где г локальный максимум упаковки доли на уровне индивидуальных частиц, который определяется из фрактальной модели микроструктуры. Пород ОбъемнаяПоверхностная расгальност. Рисунок 1. Ыга. Однако, как отмечается в работе , фаза С8Н цементного камня состоит из множества фрактальных областей, которые врастают друг в друга и перекрываются в процессе гидратации рисунок 1. СБН будет очевидно выше, чем это описывается уравнением 1. Тем не менее, отношение Тут дает относительный критерий плотности упаковки С8Н. Рисунок 1. В таблице 1. Согласно этим данным гидратация при комнатной температуре приводит к небольшому изменению площади поверхности, размера частиц С8Н, показателя фрактального объема между образцами в возрасте 8 суток и нескольких лет. Это согласуется с наблюдениями


, в которых структура фрактального объема цементного камня в основном I образуется но истечении первых суток гидратации. Таблица 1. Параметры фрактального объема, определенные по МУРРдля образцов цементного камня с ВЦ0. С 2. С 1 сут. С 7 сут. С 2 8 сут. Безусловно, по прошествии этого времени гидратация продолжается, на что указывает тепловыделение, набор прочности и другие общеизвестные факты. Это находит отражение в данных МУРР как увеличение доли твердой фазы, геля и уменьшение у совместно с параллельным увеличением коэффициента упаковки фрактального объема. Увеличение может быть связано с устранением больших пор геля в пределах СБН низкой плотности внешнего продукта в тех областях структуры, где слои продуктов гидратации вокруг смежных частиц цемента прорастают друг в друга . Особый интерес в таблице 1. В этом случае при неизменном размере частиц и фрактального показателя, области фрактального объема характеризуются более низкими длинами взаимодействия и более высокими коэффициентами упаковки, которые подобны цементному камню, гидратированному при С, но в более позднем возрасте. Вероятно, более высокая величина коэффициента упаковки является результатом большей мобильности частиц СБН при повышенной температуре, что приводит к плотной структуре с меньшим количеством пор геля. Из таблицы 1.