基于粒子堆积优化模型的生态型混凝土研究

As cement industry shared high responsibility of global warming, development of eco-friendly concrete is becoming a hot tendency in modern concrete technology. Nowadays, quite some types of products have been adopted to partly substitute cement in concrete. These materials include industrial waste products or recycled products which also make concrete more sustainable. All the new developments involve more and more types of granular materials in concrete. As a basic and fundamental phenomenon, particle packing are of relevance and acknowledged as highly important for these applications. Higher packing density of aggregate and denser grain skeletons can give better mechanical properties and durability characteristics. Various analytical methods have been proposed for prediction of packing density and optimization of particle size distribution (PSD). Comprehensive information on packing properties and its potential relationships with engineering properties is still missing. Recent progresses in optical, experimental and computer technologies make it possible for concrete researchers to develop or optimize traditional and new-made concrete (e.g. eco-friendly concrete), which is also be the motivation and the target for this project. Different potential granular materials for eco-friendly concrete will be investigated on the physical properties as well as blending properties. The effect of blending strategies on the properties of concrete in fresh state as well as in hardened state will be then assessed. An advanced DEM system will further be refined for the simulation of blending cement properties. Blending and packing properties, the structure information as well as material properties will be investigated (predicted) by this numerical simulation method. Experimental and simulation approaches will contribute to development and optimization of the eco-firendly concrete.

在全球气候、环境形势日益严峻的情况下，发展生态型混凝土已经成为当今建材研究上的一个热点。粒子堆积与混凝土（特别是生态型混凝土）的工程特性的关系密切，但对其综合性研究还相当的缺失。光学、实验以及计算机等领域的新进步为从优化粒子堆积模型的基础上发展新型生态型混凝土成为可能。本研究以采用以惰性矿粉为水泥替代材料的生态型混凝土为研究对象，全面研究其粒子堆积影响下的工程特性。材料的基本物理和粒子堆积特性将用最新的光学设备与实验手段加以针对性的研究。在此基础上改进和优化离散元模型，并将其应用于堆积的模拟与优化。通过此手段，研究和预测粒子堆积下的微观结构性特征和材料性质。实验室的配合比实验将进一步验证拌合的效应与相关材料特性。在试验与数值模拟的基础上，通过新鲜混凝土和硬化后混凝土的相关特性研究，全面评价优化后的以惰性矿粉为基础的生态型混凝土的配合比和材料特性，并以此为基础发展适合国家需要的生态混凝土。

现代社会，人们对环境、生态、可持续发展等越来越重视。水泥行业因其巨大的需求但同时消耗大量的化石燃料，因而对环境污染负有重大的责任。用矿物外加剂代替部分水泥已成为当前发展生态型（绿色）水泥的一条重要道路。尽管各种颗粒状掺和料已经广泛应用于混凝土的研究与应用当中，但是大部分应用材料具有火山灰作用同时对水泥的水化有复杂的交互干扰作用。本研究着眼于简单非活性的惰性外掺材料，致力于利用其材料本身的填料作用。研究首先从材料的基本物理特性出发，利用了高级图像分析手段，对混凝土材料中几类非常重要的材料（包括以细碎石和细河砂为主的细骨料、普通硅酸盐水泥、石灰石粉末等）进行了详细的形状分析；结合其他以先进光学、计算机分析基础上的最新研究成果，提出了最优数值模拟模型；以试验与离散元数值模型，研究其物理特性的普遍规律以及内部颗粒堆积之间的关系；并以此为基础，提出了类似于拟合优化富勒曲线的掺合惰性外加细料的生态型混凝土方案；同时，结合混凝土（砂浆）试验研究，考察掺和水泥在和易性（工作性）和以力学性能为代表的成熟性能上的表现；综合提出以优化颗粒堆积为基础、掺和惰性外加细料代替部分水泥的生态（绿色）混凝土材料。结合试验与计算机数值模拟，项目在材料的基本物性方面做了大量的研究工作。研究得出的在粒子形状分析、模拟、堆积试验、模型优化等方面的结论有利于后续的其他混凝土性能与新建筑材料开发等方面的研究工作。在进一步细化、优化等工作的基础上，研究得出的新型生态型混凝土在满足一定强度建筑场所内推广应用，将有效促进水泥行业的升级换代，促进社会的可持续发展。