一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法

本发明涉及土木工程材料，具体涉及一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法。

背景技术：

1、在基础建设和工程领域，混凝土作为一种重要的建筑材料，在不同的应用场景中发挥着关键的作用。然而，由于混凝土的多孔性和非均质性，其渗透性能往往成为影响其使用寿命和耐久性的关键因素之一。钢渣混凝土作为一种改良型混凝土，在混凝土生产中广泛使用钢渣作为替代部分水泥的材料，以提高可持续性和降低环境影响。然而，钢渣混凝土的非均质性质对其渗透性能提出了新的挑战，传统的均质混凝土模型和计算方法已经不能满足对其渗透系数准确评估的需求。

2、鉴于上述问题的存在，目前业内已有一些方法用于评估传统混凝土的渗透性能，如darcy定律等。然而，这些方法通常基于均质性假设，无法准确捕捉钢渣混凝土这种复杂非均质结构的特点。因此，寻找一种能够更准确地预测钢渣混凝土渗透性能的方法，对于确保工程结构的耐久性和可靠性至关重要，例如：专利申请号为cn201911044057.0的发明专利申请公开了一种多相复合材料的等效渗透系数细观尺度研究方法，该方法针对复合材料的非均质特性，从细观尺度角度，基于有限元方法建立了数值模型以此估计其等效渗透系数；所建立的数值模型通过monte carlo算法进行模拟，得到了细观尺度下具有空间随机性的多相材料结构，结合有限元计算方法和达西定律，对复合材料的等效渗透系数进行评估。该现有技术提出了一种可实现模拟多相复合材料的内部结构非均质性的方法，为分析多相复合材料的渗透特性提供了新思路，但该方法中对预模拟的多相复合材料构建数值模拟模型时，其中的分散相为圆形，而采用圆形对模型进行简化，与实际情况相差较大。

3、因此，如何使用真实骨料构建骨料模型，提供一种能够提高模拟精确度的非均质钢渣混凝土渗透系数精确度的计算方法，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种使用真实混凝土骨料的二维投影图像近似为多边形并随机投放至混凝土中的非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，以解决背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种非均质钢渣混凝土渗透系数计算方法，包括以下步骤：

3、s1、先从石灰岩骨料和钢渣骨料的每个粒径尺寸范围内分别选取若干个代表样本，再采集所选取的每个代表样本的二维投影图像，接着对采集到的所有二维投影图像进行二值化处理，然后将二值化后的图像转换为矢量图文件；

4、s2、使用离散元软件pfc 2d将矢量图文件生成钢渣混凝土随机骨料模型；

5、s3、通过matlab对钢渣混凝土随机骨料模型中所有的二维投影图像一一进行多边形近似，并为这些近似多边形的顶点建立坐标数据库；

6、s4、利用matlab对混凝土砂浆和itz区域进行建模，并建立非均质钢渣混凝土模型；

7、s5、通过有限元计算方法建立多孔介质孔隙率与渗透系数关系；

8、s6、对步骤s4中建立的非均质钢渣混凝土模型赋予材料参数和边界条件；

9、s7、根据达西定律对非均质钢渣混凝土模型进行分析计算，进而获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。

10、进一步的，所述步骤s2的具体步骤为：

11、s2.1、确定石灰岩骨料和钢渣骨料的级配数据，所述级配数据包括粒径尺寸范围和每个粒径尺寸范围内的每种骨料所占的比例，并计算每个粒径尺寸范围内所需的每种骨料的个数；

12、s2.2、在离散元软件pfc 2d中，使用pfc命令流导入石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件；

13、s2.3、从石灰岩骨料和钢渣骨料的clump模板文件中随机挑选出所需数量的clump；

14、s2.4、按照设计要求，将选取的clump随机投放到适当的位置，从而构建出钢渣混凝土随机骨料模型。

15、进一步的，所述步骤s3的具体步骤为：

16、s3.1、通过matlab对钢渣混凝土随机骨料模型进行图像二值化处理，并获取该钢渣混凝土随机骨料模型中所有粗骨料的轮廓；

17、s3.2、对二值图像进行空洞填充操作；使用bwboundaries函数提取二值图像中所有粗骨料的轮廓；针对提取到的每个粗骨料轮廓，获取轮廓上的点坐标列表；计算每个粗骨料轮廓的总周长，为每个粗骨料轮廓设定其近似多边形的目标边数，根据每个粗骨料轮廓的总周长和近似多边形的目标边数，计算近似多边形的目标边长；

18、s3.3、从粗骨料轮廓的顶点开始，根据步骤s3.2中计算出的目标边长，在轮廓上逐步添加线段，使得线段长度逐渐接近目标边长，并在顶点列表中记录近似多边形的顶点坐标；

19、s3.4、在完成近似多边形的构建后，将起始点的坐标再次添加到顶点列表的末尾，以使近似多边形闭合；其中，顶点列表中各点的顺序与轮廓中各点的顺序保持相同，以确保多边形按照轮廓的方向闭合。

20、进一步的，所述步骤s3.3具体如下：

21、s3.31、针对每个近似多边形初始化一个空的顶点列表，用于存储近似多边形的顶点坐标；

22、s3.32、从粗骨料轮廓上任意选取一个顶点作为起始点，并且将该起始点作为当前顶点，同时初始化当前线段长度为0；

23、s3.33、计算当前顶点与下一个顶点之间的线段长度，然后判断是否需要在当前顶点与下一个顶点之间添加一个新顶点以逼近目标边长；如果当前线段长度加上新线段长度小于目标边长，则将下一个顶点更新为当前顶点，同时更新当前线段长度；如果当前线段长度加上新线段长度大于等于目标边长，则计算新顶点的坐标，以满足预设的目标边长，然后将新顶点添加到顶点列表中；

24、s3.34、重复步骤s3.33，直到遍历完轮廓上的所有顶点。

25、进一步的，所述步骤s4具体为：

26、s4.1、对于近似多边形的每个顶点，先获取该顶点的坐标(x，y)，再获取与该顶点相连的两条线段的法线向量 v1和 v2，并计算对应的平均法线向量；

27、s4.2、根据步骤s4.1计算得到的平均法线向量与itz区域的厚度d，通过平均法线向量扩展该顶点，生成新的扩大后的顶点坐标；

28、s4.3、初始化两个空的顶点列表，分别用于存储近似多边形的原始顶点坐标和扩大后的顶点坐标；

29、s4.4、遍历近似多边形的顶点列表，依次取出每个原始顶点和对应的扩大后顶点；将原始顶点和扩大后顶点分别连接起来，则形成两条多段线坐标信息；

30、s4.5、通过fopen函数构建并打开.scr文件进行数据写入操作；对于每条多段线，写入绘制线段的命令，使用fprintf函数，将多线段的起点和终点坐标按照特定格式写入文件；在所有多线段绘制命令写入完成后，使用fclose函数关闭文件。

31、进一步的，所述步骤s5具体为：

32、s5.1、使用matlab，基于需求创建一个矩形的多孔介质区域；

33、s5.2、在matlab中随机生成多个圆，并根据需求设定各个圆的尺寸范围与目标孔隙率；将所有的圆投放到步骤s5.1构建的多孔介质区域内，形成模拟的混凝土砂浆和itz区域；其余未被圆覆盖的区域即为流体区域；

34、s5.3、将在matlab中构建的多孔介质模型导入有限元数值分析软件comsol中；

35、s5.4、在comsol中，创建与多孔介质中的流体流动相关的物理模型，并定义流体的性质和边界条件；接着进行数值模拟，利用蠕动流接口来模拟多孔介质中的流体渗透行为；

36、s5.5、在matlab中，根据所需的孔隙率变化，对原始多孔介质模型的网格进行调整；重复步骤s5.2至步骤s5.4，分别计算不同孔隙率下的多孔介质的渗透系数；

37、s5.6、使用matlab对不同孔隙率下计算所得的渗透系数数据进行分析，通过数据拟合方法找出多孔介质的渗透系数与孔隙率之间的关系；

38、s5.7、将实验测量的混凝土砂浆与itz区域的孔隙率数据带入步骤s5.6中所得的渗透系数与多孔介质的孔隙率关系公式中，计算得到混凝土砂浆与itz区域的渗透系数。

39、进一步的，所述步骤s1中，通过集料图像分析系统aims2采集代表样本的二维投影图像。

40、进一步的，所述步骤s6中的材料参数通过实验获取，所述材料参数包括石灰岩骨料渗透系数、钢渣骨料渗透系数和混凝土砂浆渗透系数。

41、进一步的，所述步骤s7中，通过在有限元数值分析软件comsol中采用稳态渗流模块结合达西定律对非均质钢渣混凝土模型进行分析计算，进而获得非均质钢渣混凝土的渗透系数。

42、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

43、(1)、本发明方法通过集料图像分析系统aims2批量采集骨料中代表样本的二维投影图像，并对图像进行简化多边形处理，在保证计算精度的情况下，加快后续建模速度。同时考虑石灰岩骨料与钢渣骨料的itz厚度的区别，构建符合实际的非均质钢渣混凝土模型，有效提高了非均质钢渣混凝土渗透系数计算的准确性。

44、(2)、本发明方法通过在有限元数值分析软件comsol中采用稳态渗流模块，结合达西定律对钢渣混凝土渗透系数进行有效评估，为工程数值模拟提供可靠保障，对钢渣混凝土的设计提供合理参考。

45、(3)、本发明建立了一种适用于钢渣混凝土的非均质结构模型，并结合随机骨料模型和图像辅助方法，更准确地描述其复杂的物理特性；通过将该模型导入有限元数值分析软件comsol，实现钢渣混凝土渗透性能的数值计算。本发明方法将有助于提高对钢渣混凝土渗透性能的理解，为工程实践中的设计和材料选择提供更精确的依据。

46、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。