推荐一套混凝土材料仿真软件

在工程领域,无论是面向科研还是面向生产,基于有限单元法、有限差分法等数值计算理论的仿真模拟软件可谓是门类齐全,品种繁多,基本可以满足日常工作的需要。但对于混凝土材料,对于其配合比计算、基本性能的发展、微观机理的描述,大多还是以经验为主,因为其受原材料、工艺、施工环境等太多因素的影响,即便是在规范中,也是只给出了大致的计算方法和取值范围,很少能见到这个领域的数值仿真算法和软件。

但最近发现,NIST似乎已经解决了这个问题。NIST全称是The National Institute of Standards and Technology,美国国家标准与技术研究院。该机构成立于1901年,目前隶属于美国商务部,是美国历史最为悠久的工学实验室之一。从智能电网和电子健康档案到原子钟,先进纳米材料和计算机芯片,NIST的工作涉及到理工学科的许多方面。有趣的是,这些工作当中,还包括混凝土技术——NIST甚至是20世纪90年代以来混凝土微观结构和性能计算机建模的主要(也是唯一的)中心。

难能可贵的是,NIST将其多年来的研究成果(也包含部分其他非NIST成员的论著)面向社会公开,建立了可以在线阅读的电子书文档,访问地址:https://www.nist.gov/el/materials-and-structural-systems-division-73100/inorganic-materials-group-73103/concrete-1,还有另一个链接(内容相同,可作为备用资源) https://ciks.cbt.nist.gov/~garbocz/monograph/description.html

在这套电子书资源中,还附带了水泥基材料的模拟仿真软件(Cement Hydration and Degradation Modeling Software),这不是一种软件,而是一个系列,可以进行混凝土配合比、混凝土微观结构分析、水泥水化作用发展过程仿真、混凝土生命周期预测、混凝土材料经济性优化分析、混凝土氯离子渗透仿真等等研究,而且所有软件都是免费、公开供公众使用的。

软件列表以及功能简介的页面,见这里:https://www.nist.gov/el/materials-and-structural-systems-division-73100/inorganic-materials-group-73103/concretenistgov

其中,VCCTL(The Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory )Software是他们的代表作,最新版v9可以实现的功能包括:

  • Upload, edit, and save cementitious materials and aggregates
  • Use experimental calorimetry or chemical shrinkage measurements to calibrate hydration kinetics
  • Option to add CSH seeds to binder for accelerating hydration
  • Support for conductive aggregate sources to simulate effects of lightweight aggregates
  • Mixing of spherical fly ash and silica fume with real-shape cement particles
  • Create and save aggregate gradings for easier mixing of mortar and concrete
  • Calculate relative conductivity of cement paste, mortar, or concrete
  • Calculate and display concrete elastic moduli and compressive strength
  • More control over mix design, including support for mixing different sources of aggregate
  • Optionally view 3D microstructure images with depth information or as simulated backscattered electron micrographs
  • View movies of hydrating microstructures
  • View histograms of pore size distribution within hydrated microstructures

有一些简单的功能,如High Strength Concrete Mixture Proportioning,就可以直接在网页上进行计算(这里是网页计算器列表):

还有的,如Virtual Rapid Chloride Permeability Test,甚至提供了Excel计算表格下载。

总之,感谢NIST做了这么多基础研究,并且将其免费分享,对于混凝土材料方向的研究者来说,无疑是非常有利的工具了。感兴趣的朋友,可以去看看

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不断加深对结构体系的理解,不断完善描述结构行为的理论与数学模型,不断探测结构真实的受力状态——以此为业,以此为生,以此为乐๑乛◡乛๑

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