本發明涉及纖維增強混凝土體系的微結構表征，尤其涉及一種基于二元顆粒摻雜的纖維增強砂漿界面區含量計算方法。

背景技術：

1、在基體材料中摻入各式各樣的短纖維被認為提高材料抗拉、抗韌、阻裂等力學性能的重要方法。對于混凝土體系而言，界面過渡區(interfacial?transition?zone)是普遍存在于骨料顆粒周圍的一層薄弱區。受到骨料邊壁效應、微區泌水等因素的影響，該界面區通常表現出高孔隙率、高滲透性和低強度等特點，因此，體系內界面區含量的多少和結構特征對于材料的整體宏觀性能具有重要影響。隨著各式各樣的短纖維被摻入到混凝土體系中，纖維在改善材料力學性能的同時，亦在纖維顆粒周圍形成了一定厚度的界面區，從而導致了整個體系中界面區相對含量的進一步增多。為了更全面地了解纖維對材料性能的增強機理，明確纖維增強體系中界面區相對含量與纖維、骨料等多類型顆粒組分之間的關系及其對材料宏觀性能的影響效應，有必要對體系內界面區含量的多少進行準確評估和預測。然而，由于真實材料中骨料周圍界面區的特征較為復雜，實驗過程中很多因素無法做到絕對的理想控制且實驗結果離散性較大，目前尚無法直接利用實驗方法準確測量材料中界面區的含量。隨著計算機技術的高速發展，利用計算機仿真技術構造材料細觀模型，并結合相關理論對顆粒體系內界面區的結構特征進行研究成為了一種可選擇的研究手段。

2、從細觀尺度看，纖維增強混凝土材料可以看作是由纖維顆粒、骨料顆粒、可重疊界面區和均質水泥基體組成的多相復合材料。截止目前，絕大多數關于混凝土體系中骨料周圍界面區含量的數值和理論研究均是普通混凝土體系為研究對象，建模過程中，通常將所有粗細骨料簡化為具有相同幾何形貌的顆粒，整個體系則由單一類型的球形或非球形顆粒堆積而成，而未考慮過短纖維的摻入以及顆粒組分的多樣性對材料內部顆粒組分周圍界面區相對含量的影響規律，這就大大限制了現有相關研究結果的可應用性。已有的理論預測模型也無法直接被用來對纖維增強混凝土體系中纖維與骨料周圍界面區的總的相對含量進行計算，計算精度亦有待提高。

3、因此，有必要提供一種基于二元顆粒摻雜的纖維增強砂漿界面區含量計算方法解決上述技術問題。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發明的目的是，以纖維增強砂漿體系為對象，提供一種基于二元顆粒摻雜的纖維增強砂漿界面區含量計算方法，該方法將體系中的短纖維視為具有一定寬度和長度的單尺寸球柱型顆粒，細骨料視為具有固定幾何形貌和長徑比、滿足特定尺寸分布的多尺寸橢球型顆粒，并對二者相互摻雜情形下所有顆粒組分周圍界面區的相對含量進行了準確地理論預測。該方法擺脫了之前只能針對單類型骨料顆粒堆積體系進行界面區含量預測的限制，適用對象更多樣化，計算精度更高。

2、本發明提供的基于二元顆粒摻雜的纖維增強砂漿界面區含量計算方法，包括以下步驟：

3、步驟一：分別定義短纖維顆粒和細骨料顆粒的幾何形貌、尺寸分布和界面區厚度等參數；

4、步驟二：計算單尺寸短纖維顆粒周圍界面區的相對含量；

5、步驟三：計算多尺寸細骨料顆粒周圍界面區的相對含量；

6、步驟四：根據步驟二和步驟三得到的界面區相對含量計算出纖維增強砂漿體系內所有顆粒組分周圍界面區的總的相對含量。

7、優選的，所述步驟一中，將體系中的短纖維視為具有相同幾何形貌和尺寸大小的球柱體，該類纖維顆粒是由中間區域的圓柱和端部的兩個半球體三個部分組成，設定球體的直徑dsf代表纖維寬度，圓柱區高度和球體直徑之和hsf代表纖維的長度，參數ε＝hsf/dsf代表該類纖維的長徑比，纖維顆粒周圍界面區的厚度為tsf；

8、將體系中的細骨料視為具有相同幾何形貌和長徑比，但粒徑分布滿足特定分布函數的回轉橢球體，設定a,b和c分別為該類細骨料顆粒的半軸長，并且a始終與b相等，參數η＝c/a代表細骨料顆粒的長徑比，細骨料最大等效粒徑和最小等效粒徑分別為deq,max,sa和deq,min,sa，骨料顆粒周圍界面區的厚度為tsa。

9、優選的，所述步驟二中，通過下式計算出單尺寸短纖維顆粒周圍界面區的相對含量：

10、

11、式中，vsi,sf為單尺寸球柱型短纖維顆粒周圍界面區的相對含量，vf,sf為纖維顆粒的體積分數，nv,sf為纖維顆粒的數量密度，κ1,sf,κ2,sf和κ3,sf為調整系數，其中，

12、

13、優選的，所述步驟三中，通過下式計算出多尺寸細骨料顆粒周圍界面區的相對含量：

14、

15、式中，vsi,sa為多尺寸橢球型細骨料顆粒周圍界面區的相對含量，vf,sa為骨料顆粒的體積分數，nv,sa為骨料顆粒的數量密度，κ1,sa,κ2,sa和κ3,sa為調整系數，其中，

16、

17、式中，為多尺寸骨料顆粒的平均體積，為多尺寸骨料顆粒的平均表面積，為多尺寸骨料顆粒的平均等效直徑。

18、優選的，所述的細骨料粒徑對應的特定分布函數分別為evf和fuller函數，兩類函數對應的數量基概率密度函數為

19、

20、式中，deq,sa為骨料顆粒的等效直徑，可表示為2aη1/3，fn(deq,sa)為數量基概率密度函數。

21、優選的，滿足evf和fuller分布函數的多尺寸橢球型細骨料顆粒的平均體積、平均表面積和平均等效直徑可分別為

22、

23、優選的，所述步驟四中，將步驟三中得到的單尺寸短纖維顆粒周圍界面區的相對含量值vsi,sf(tsf,vf,sf)和步驟四中得到的多尺寸細骨料顆粒周圍界面區的相對含量值vsi,sa(tsa,vf,sa)代入下式中，即可計算出纖維增強砂漿體系內纖維與細骨料兩種顆粒組分周圍界面區的總的相對含量

24、vf,si(tsf,vf,sf,tsa,vf,sa)＝vsi,sf(tsf,vf,sf)+vsi,sa(tsa,vf,sa)-vs,isf(stf,vf,sf)·vsi,sa(sta,vf,sa)???(15)

25、式中，vf,si為纖維增強砂漿體系內短纖維與細骨料兩種顆粒組分周圍界面區的總的相對含量。

26、與相關技術相比較，本發明提供的基于二元顆粒摻雜的纖維增強砂漿界面區含量計算方法具有如下有益效果：

27、1、現有理論技術未涉及多種類型的顆粒相互摻雜對顆粒組分周圍界面區相對含量的影響，無法對多元顆粒混合堆積體系中界面區的含量進行有效預測；

28、2、本發明方法中，將纖維和細骨料分別視為單尺寸球柱體和多尺寸橢球體，建立了一種基于二者混合堆積的纖維增強砂漿體系內界面區相對含量的計算方法，充分考慮了二者協同效應對界面區相對含量的影響效應，擺脫了之前只能針對單類型骨料顆粒堆積體系進行界面區含量預測的限制；

29、3、本發明方法為進一步探究纖維增強混凝土中顆粒組分特征—界面區相對含量—材料宏觀性能三者之間的量化關系提供了前期基礎；

30、4、本發明方法理論簡單，使用方便，適用對象更多樣化，計算精度更高。