透光骨料和孔隙对水泥基材料光传输的影响

作     者：陆厚地 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：万克树;穆松

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：水泥基材料 光催化 光通量分布 光学参数 Monte Carlo 透光骨料 

摘      要：光催化水泥基材料在环境、土木工程领域具有光明的应用前景,特别是内部掺入法以其出色的光催化耐久性成为该类材料的主要制备方式。但缺乏光在水泥基材料中的传输知识,光催化剂的掺入范围没有理论指导,造成光催化性能不高或者资源浪费问题。本文围绕光在水泥基材料中的传输问题进行研究,针对对光传输影响巨大的透光骨料和孔隙,用“三步法对水泥基材料光传输展开系统研究:第一步,通过实验测量水泥基材料内部的光通量,计算光学参数为模拟和理论计算提供输入参数;第二步,控制孔隙和透光骨料数量,搭建三维水泥基结构模型,结合第一步的光学参数,用Monte Carlo模拟水泥基介质内部的光通量分布;第三步,将适合不同光学特性的传输理论加以耦合、修正,建立适合水泥基材料的复合传输方程,并借助COMSOL的PDE模块进行求解。采用积分球技术与逆倍加算法测量计算出403 nm光束照射下的普通硅酸盐水泥的光吸收系数和散射系数分别为19.36/cm、85.27/cm,白水泥的光学参数分别为1.33/cm、217.00/cm。借助CCD装置以及图像处理手段获取特定深度处的光强径向分布,发现随着透光骨料掺量的增加,径向分布的总数增大且沿着半径增大的方向斜率减小,表明随着掺量的增加同样深度的光通量增大,且分布更加均匀。模拟过程中,在搭建的三维水泥基结构模型上运行Monte Carlo算法得到水泥基介质中的光通量三维分布。通过对比前后模拟结果发现偏差均值为0.0012,相关系数为0.999937,对比真实数据轴向分布误差为8.43%,径向分布偏差均值为0.0372,相关系数等于0.997133。当骨料粒径较小,改变粒径大小不会对光通量分布产生较大的影响,而较大粒径则会影响光通量在中部区域和深处区域的分布。掺量或孔隙率较小时随着骨料掺量的增加近源处的光通量分布会减少而深处的光通量会增加,当掺量或孔隙率突破阈值时,其变化会显著影响光通量的分布,在本文水泥基体材料与孔隙或透光骨料的研究中阈值存在于70%～80%之间与水泥基体的光学参数具体大小无关。理论计算和仿真过程中,将漫射近似方程和光能传递方程借助边界条件进行简单耦合,得到了复合传输方程。骨料较少相互影响微弱的情况下,复合方程的计算结果较漫射近似计算结果偏差均值从0.0306降低到0.0116,相关系数也从0.994641提高到0.997819。针对骨料数量较多的情况进一步修正理论,考虑内部抽象点光源的相互影响因素,对抽象点光源之间进行迭代计算,最终计算结果与模拟结果误差为偏差均值为0.0117,相关系数为0.999741。针对更为复杂的情况,采用COMSOL的PDE模块对其进行分析,分别研究了点光源、面光源对水泥基材料内部光通量的影响。发现透光骨料不仅改善骨料所在区域的光传输效果,同样影响到骨料周围区域的光通量分布。同样体积分数下,数量较多的小骨料较数量少的大骨料改善效果明显。若入射光源的功率大小恒定,光通量的轴向分布不随入射光束的光斑大小改变而改变,而径向分布随着光斑增大而分布更加均匀。