基于多重點云與分級聚合的全級配混凝土三維細觀結構高效生成方法

徐 磊，姜 磊，周昌巧，任青文

（河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

細觀隨機骨料模型在混凝土計算材料學中正得到越來越廣泛的應用，基于該模型可以實現在細觀尺度上分析混凝土的復雜行為和性能，如損傷斷裂［1-2］、水分運移［3］、氯離子擴散［4］、堿骨料反應［5］等。在細觀尺度上，一般將混凝土視為由（粗）骨料、砂漿以及兩者之間的界面過渡區組成的復合材料［6］。由于隨機分布在砂漿基體中的骨料具有不同的粒徑、形狀、級配和含量，使得混凝土具有復雜的細觀（隨機）結構。因此，自Wittmann 等［7］在1980年代中期開創了“數值混凝土”這一研究領域以來，建立符合實際的混凝土細觀隨機骨料模型就一直是該領域的研究熱點［8］，而真實模擬混凝土的復雜細觀結構則是其主要任務之一。

由于計算資源的限制和三維問題的復雜性，早期研究主要集中于混凝土切面二維細觀結構模擬［9］。但由于混凝土細觀結構在本質上是三維的，故自Wriggers 等［10］提出球形骨料混凝土三維細觀結構模擬方法以來，相關研究逐漸聚焦于三維問題。

現階段，由Wang 等［11］提出的先生成隨機骨料后進行骨料投放的隨機取放法（Take-and-Place Method，TPM）仍是生成混凝土細觀結構的基本方法。與基骨料生長法［12］、基于圖形學的分割收縮法［13］以及骨料溫升膨脹法［14］等相比，隨機取放法具有便于控制骨料形狀和級配的優點。但在基于傳統隨機取放法生成混凝土三維細觀結構時，存在效率和所能達到的最大骨料體積含量低的缺點［15］。……