球形随机骨料模型模拟自密实重晶石混凝土离析.pdf
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1、第 37 卷第 3 期2023 年 6 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.3Jun.2023收稿日期:2023-01-03基金项目:湖南省科技厅重点研发计划项目(2015JC3090);湖南省自然科学基金资助项目(14JJ2083)作者简介:石建军(1966),男,教授,博士,主要从事高性能混凝土方面的研究。E-mail:sjj6621 。通信作者:禹 博(1999),男,助 教,硕 士,主 要 从 事 高 性 能 混 凝 土 方 面 的 研 究。E-mail:
2、2736312984 DOI:10.19431/ki.1673-0062.2023.03.005球形随机骨料模型模拟自密实重晶石混凝土离析石建军,禹 博,李竹静,颜 维,许新春(南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001)摘 要:近年来,具备良好防辐射性能及良好施工性能的自密实重晶石混凝土较多地用于核电站的建设,然而重晶石骨料密度较大,更容易导致混凝土离析,离析会对混凝土的质量产生重大不利影响,以往多采用试验方法研究,费时费力且数据离散性较大。本文将自密实重晶石混凝土看作由粗骨料和砂浆组成的两相复合材料,骨料看作刚性球体,砂浆采用宾汉姆流体模型,运用 MATLAB 编程语言编制了圆柱体投
3、放域球形随机骨料模型程序 sjgl,带入离析试验中相关参数在 MATLAB 中生成了随机骨料模型。然后将骨料模型中的骨料信息导出编辑了 AutoCAD 脚本文件,在AutoCAD 中生成了随机骨料实体模型。运用 FLOW3D 软件中的一般运动物体(general moving objects)模型求解模型中大粒径骨料的离析,以此来近似代表随机骨料模型的离析。对应于自密实重晶石混凝土试验离析率计算公式,定义了随机骨料模型离析率,用“像素点法”计算随机骨料模型离析率为 7.30%。对自密实混凝土应用技术规程(JGJ/T 2832012)建议的离析率计算公式稍作调整定义了试验离析率,为 9.81%。
4、随机骨料模型离析率与试验离析率的相对误差为 25.6%,由此论证了在误差允许的范围内圆柱体投放域球形随机骨料模型可有效模拟自密实重晶石混凝土离析。关键词:球形随机骨料模型;自密实重晶石混凝土;混凝土离析;MATLAB;FLOW3D中图分类号:TU502文献标志码:A文章编号:1673-0062(2023)03-0030-08Simulation of Segregation of Self Compacting Barite Concrete withSpherical Random Aggregate ModelSHI Jianjun,YU Bo,LI Zhujing,YAN Wei,XU
5、Xinchun(School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)03第37 卷第3 期石建军等:球形随机骨料模型模拟自密实重晶石混凝土离析2023 年 6 月Abstract:In recent years,self-compacting barite concrete with good radiation protectionperformance and good construction performance has been mostly used in the co
6、nstruction ofnuclear power plants.However,the density of barite aggregate is relatively high,which ismore likely to lead to concrete segregation,which will have a significant adverse impact onthe quality of concrete.In the past,experimental methods are often used for research,which is time-consuming
7、 and laborious,and the data dispersion is large.In this paper,the self-compacting barite concrete is regarded as a two-phase composite material composedof coarse aggregate and mortar,the aggregate is regarded as a rigid sphere,and the mortaradopts Bingham fluid model.The program sjgl of spherical ra
8、ndom aggregate model in thecylinder drop area is compiled by using MATLAB programming language,and the randomaggregate model is generated in MATLAB by introducing the relevant parameters from thesegregation test.Then the aggregate information of the aggregate model is exported and ed-ited into AutoC
9、AD script file,and a random aggregate solid model is generated in Auto-CAD.The general moving objects model in the FLOW3D software is used to solve the seg-regation of the large-particle aggregate in the model,so as to approximately represent thesegregation of the random aggregate model.Correspondin
10、g to the formula for calculatingthe segregation rate of self-compacting barite concrete test,the segregation rate of randomaggregate model is defined,and the“pixel point method”is used to calculate the segrega-tion rate of random aggregate model as 7.30%.The formula for calculating the segregationra
11、te suggested in the Technical Specification for the Application of Self-compactingConcrete(JGJ/T 2832012)is slightly adjusted and the test segregation rate is definedas 9.81%.The relative error between the segregation rate of the random aggregate modeland the test segregation rate is 25.6%,which pro
12、ves that the spherical random aggregatemodel in the cylinder dropping area can effectively simulate the segregation of self-compac-ting barite concrete within the allowable range of error.key words:spherical random aggregate model;self compacting barite concrete;concretesegregation;MATLAB;FLOW3D0 引
13、言自密实重晶石混凝土既具有较好防辐射性能,又能克服因钢筋密集等原因而导致振捣密实困难。重晶石骨料相较于普通骨料具有更大的密度,更容易导致混凝土离析,离析将使自密实重晶石混凝土存在严重的质量缺陷,石建军、李竹静等1通过试验研究表明,离析使自密实重晶石混凝土防辐射性能出现不均匀现象,下端混凝土的防辐射性能明显优于上层;不同离析程度的混凝土试件两端强度不等,使得试件呈现不同的破坏形态;姚建华、颜维等2通过试验研究表明,离析会影响自密实重晶石混凝土试件的表观效果,使混凝土表面出现气孔、表皮脱落等现象。然而,试验研究方法费时费力,数据离散性大不易分析,且不能看到混凝土离析的运动过程,不利于揭示离析机理,
14、而运用数值模拟方法则能解决这些困难。混凝土离析模拟往往从中维度层面进行,将混凝土拌合物看作骨料悬浮于砂浆中的混合体系,这种方法首先需要对混凝土建立随机骨料模型。刘光廷、王宗敏3首次提出并建立了随机骨料模型,在骨料投放上,选取“弧长法”进行骨料干涉判断,并通过该模型模拟了混凝土材料的断裂;Z.M.Wang 等4提出了一种基于蒙特卡罗随机抽样原理生成圆形和多边形随机骨料的方法。张剑、金南国等5提出将混凝土看成由骨料和砂浆组成的两相复合材料,按照骨料级配和面积分数,生成各种粒径的骨料,应用蒙特卡洛方法将所生成的骨料投放到混凝土截面上,并提出“内角和法”干涉判别准则。胡大琳等6-7使用 MATLAB
15、语言建立了二维圆形、椭圆形、凸多边形及球形、椭球形随机骨料模型,并开发了 fig2dxf 程序及 mat2scr 程序,用以将随机骨料模型导入 AutoCAD 软件,提高了混凝13第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月土随机骨料模型的通用性。董蔷薇等8根据骨料平面分布图中像素的差异和分形几何学中的盒维数采用数字图像算法对随机骨料模型进行了随机性验证;柯俊宏等9运用 Python 编程语言建立了圆形、椭圆形随机骨料模型,并将试件截面划分为三个区域,以各个区域的骨料面积占比来判断骨料分布的均匀性,并以此提出均匀性筛选法改进随机骨料模型,优化了模型中骨料分布的均匀性。M.H
16、osseinpoor 等10将新拌自密实混凝土(self compacting concrete,SCC)看作由球形骨料和砂浆组成的复合材料,运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件 FLOW3D中的一般运动物体(general moving objects,GMO)模型,研究了钢筋布置和粗骨料含量对 L 型箱抗剪离析的耦合效应。C.Karakurt 等11基于 CFD方法及离散相模型(discrete phase model,DPM)对新拌 SCC 的 V 型漏斗及 L 型箱试验进行了模拟,以此来研究新拌 SCC 的离析。孟苗苗12利用参数曲
17、面自由变形技术考虑骨料的真实形态,利用MATLAB 建立了长方体投放域随机骨料模型,研究了砂浆流变参数和骨料级配对新拌 SCC 静态离析的影响。W.S.Yan 等13提出了一种基于浸入边界法(immersed boundary method,IBM)的流体-颗粒耦合方法来模拟新拌 SCC 的静态离析,研究表明新拌 SCC 的静态离析随粗骨料粒径的增大显著增大,随砂浆屈服应力的增大而减小,骨料的沉降速度随砂浆塑性黏度的增大而减小。本文将自密实重晶石混凝土看成由骨料和砂浆组成的两相复合材料,骨料看成刚性球体,砂浆采用宾汉姆流体模型。首先运用 MATLAB 编程语言编制了圆柱体投放域球形随机骨料模型
18、程序sjgl;其次将离析试验中的有关试验参数带入程序sjgl,在 MATLAB 中生成了随机骨料模型;接着导出 MATLAB 随机骨料模型中的骨料信息,用记事本程序编辑了 AutoCAD 脚本文件,在 AutoCAD 中生成了随机骨料实体模型;然后运用 FLOW3D 软件求解模型中大粒径骨料的离析,以此来近似代表随机骨料模型的离析,用“像素点法”计算随机骨料模型离析率;最后通过自密实重晶石混凝土离析试验验证了圆柱体投放域球形随机骨料模型可有效模拟自密实重晶石混凝土离析。1 随机骨料模型生成原理1.1 骨料模型假定和投放原则 假定骨料为球形,在投放域内服从均匀分布。任意两个球形骨料不能相交,每一
19、个球形骨料均不能与投放域边界相交,也不能位于投放域外部;用数学公式表示上述骨料干涉条件,如式(1)所示。X(i)-X(j)2+Y(i)-Y(j)2+Z(i)-Z(j)2r(i)+r(j)(1)式中:X(i)、Y(i)、Z(i)及 X(j)、Y(j)、Z(j)为任意两个球形随机骨料的球心在空间直角坐标系下的坐标;r(i)、r(j)为其半径。在圆柱体投放域中,假定圆柱体的轴线位于空间直角坐标系的 Z 轴、底面位于 X-Y 平面上(这些假定有利于简化投放域边界限制条件的表达式并且不影响随机骨料模型的生成),则边界的限制条件如式(2)、式(3)、式(4)、式(5)所示。Xmin X(i)-r(i)Xm
20、ax(2)Ymin Y(i)-r(i)Ymax(3)Zmin Z(i)-r(i)Zmax(4)X(i)2+Y(i)2+r(i)R(5)式中:X(i)、Y(i)、Z(i)为任意一个球形随机骨料的球心在空间直角坐标系下的坐标;r(i)为其半径;Xmin、Xmax、Ymin、Ymax为圆柱体投放域的 X-Y 平面投影在 X、Y 方向上的限值;Zmin、Zmax分别为圆柱体投放域下表面和上表面的 Z 值;R 为圆柱体投放域的半径。1.2 骨料随机投放的实现按照骨料在投放域内均匀分布的假定,用公式来表达骨料的随机投放位置和随机半径如式(6)式(9)所示。X(i)=Xmin+(Xmax-Xmin)rand
21、(1)(6)Y(i)=Ymin+(Ymax-Ymin)rand(1)(7)Z(i)=Zmin+(Zmax-Zmin)rand(1)(8)r(i)=rmin+(rmax-rmin)rand(1)(9)式中:rand 为 MATLAB 语言自带的函数,rand(1)的作用在于产生(0,1)之间均匀分布的随机数组。2 生成随机骨料模型的算法及程序编制 基于以上随机骨料模型的生成原理,提出生成随机骨料模型的算法如图 1 所示。图 1 中,rimin、rimax(i=1,2,3)为每一粒径范围内骨料半径的最小值与最大值;VFi(i=1,2,3)为骨料级配中每一粒径范围骨料的体积分数;vfi(i=1,2,
22、3)为每一粒径范围已生成骨料的累计体积23第37 卷第3 期石建军等:球形随机骨料模型模拟自密实重晶石混凝土离析2023 年 6 月分数。基于以上算法,并在参考了张海波等14编制的程序的基础上,在 MATLAB 编程语言中编制了在圆柱体投放域内建立球形随机骨料模型的程序 sjgl。图 1 生成随机骨料模型的程序框图Fig.1 Program block diagram for generating random aggregate model3 随机骨料模型的建立为了与离析试验取得一致,取骨料体积分数为 30%,骨料级配如表 1 所示。表 1 粗骨料质量分布比例情况Table 1 Mass d
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