Prediction of the elastic modulus of cement matrix with a microstructural model and finite element method
Authors:  Королев А.С. ,  Задорин А.А. ,  Мишнев М.В. 
Published: May 2024

В статье рассмотрена методология моделирования деформативности цементного камня. Определены актуальность разработки и перспективность применения методов управления модулем упругости цементного камня, которое может быть осно­вой для создания цементных композитов с заданными деформативными свойствами. Цель работы — ​создать эффективную микроструктурную модель деформативности цементного камня и на основе ее параметров — расчетную конечно-элементную модель модуля упругости с применением параметров разработанной структурной модели. Для этого проанализированы методы испытаний, позволяющие определить модуль упругости, а также результаты экспериментального исследования деформаций сжатия цементного камня при нагружении и предыдущий опыт структурного моделирования цементного камня. В результате предложена микроструктурная сферолитно-решеточная модель деформаций цементного камня, в которой базовый микроструктурный элемент — ​гидратированная цемент­ная частица — ​имеет многослойное строение, определяющее упругие и пластические свойства цементного камня. Капиллярно-поровое простран­ство структуры, которым определяется деформативность, также представлено в виде защемленных микроструктурных элементов. С учетом строения базового мик­роструктурного элемента предложена и успешно апробирована расчетная конечно-элементная модель шарнирно-стержневого каркаса, имитирующего гидратную структуру цементного камня. Определены перспективы развития полученных моделей и их применения в прогнозировании и управлении упругими свой­ствами цементного камня
The methodology of modeling of the cement matrix deformability is considered in the article. The relevance of development and prospective application of methods for controlling the modulus of cement elasticity, which can be the basis for creation of cement composites with pre-defined deformative properties, was established. The aim of the work is to create an effective microstructural model of cement matrix deformability and on its basis - a computational finite element model of elastic modulus using the parameters of the developed structural model. For this purpose, test methods for determining the modulus of elasticity, as well as the results of the experimental study of compressive deformations of cement under loads and the previous experience of structural modeling of the cement matrix were analyzed. As a result, a microstructural spherulitic lattice model of cement deformations is proposed, in which the basic microstructural element, the hydrated cement particle, has a multilayer structure that determines the elastic and plastic properties of the cement matrix. The capillary and pore volume of the structure, which determines the deformability, is also represented in the form of fixed microstructural elements. Taking into account the structure of the basic microstructural element, a computational finite-element model of the hinge-rod framework imitating the hydrate structure of cement has been proposed and successfully tested. The prospects for the development of the obtained models and their application in predicting and controlling the elastic properties of cement matrix have been determined.