【技术实现步骤摘要】
本公开涉及水泥材料科学和工程，具体涉及用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法及系统。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、水泥的颗粒级配，即颗粒的大小、形状和分布方式，对水泥的物理和力学性能有着至关重要的影响。适当的颗粒级配可以在水泥浆体中形成良好的骨架结构，有助于减少孔隙率，提高水泥和混凝土的密实度，进而提高材料的强度、耐久性和抗渗性。相反，不合理的颗粒级配会导致水泥浆体中存在较多孔隙，进而降低材料的整体性能，尤其是强度和耐久性。
3、传统上，水泥颗粒的级配是通过研磨和筛分等物理方法获得的。然而，基于物理方法的颗粒级配难以精确控制其粒径分布，且在实际生产中，不同颗粒的粒径会出现一定程度的重叠或交叉，难以形成理想的连续级配。此外，研磨和筛分方法在对颗粒进行分布调整时，具有一定的局限性，往往难以精确实现预定的目标粒径分布。因此，传统方法获得的颗粒级配无法有效降低孔隙率，导致水泥制品的密实度和抗渗性较差，进而影响建筑材料的强度和耐久性。
4、为了克服物理方法的局限性，现有技术中通常采用经验方法或简单的理论模型来设计水泥的颗粒级配。例如，通过经验公式（如富勒公式或泊松公式）来设计颗粒的级配。然而，这些方法大多基于宏观统计模型，忽略了颗粒间的相互作用以及颗粒在空间中的具体排列方式，导致设计出的颗粒级配难以充分考虑微观结构中的孔隙分布情况。此外，这些方法大多假设颗粒为理想化的球体或均匀分布，这一假设在实际应用中与真实情况存在较大差距，因此无法实现孔
5、近年来，随着计算机技术和数值模拟方法的快速发展，利用计算机模拟和优化算法来设计材料的微观结构已成为可能。计算机模拟技术能够在虚拟环境中生成材料的三维结构模型，模拟颗粒的堆积过程和孔隙形成情况，从而分析和优化材料的内部结构。
6、然而，尽管计算机模拟技术已经取得了显著进展，但目前的研究大多集中在材料微观结构的模拟上，而在如何系统性地将模拟结果与优化算法结合，以设计水泥颗粒级配方面仍存在不足，特别是在多维度、复杂材料参数的条件下，模拟和优化过程难以实现有效的耦合，并且现有技术公开的优化算法，例如遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火等智能优化算法。这些算法已在工业、制造业等领域中得到广泛应用，通过迭代搜索和多目标优化实现复杂系统的参数调节。然而，这些优化算法在水泥材料颗粒级配的应用中仍存在一些挑战。首先，水泥颗粒级配设计属于多变量、多约束优化问题，颗粒的形状、大小、数量、分布等因素会影响孔隙率和材料性能，使得优化过程较为复杂。此外，水泥材料的颗粒级配优化涉及的参数空间较大，传统的优化算法在计算效率和精度上受到限制，难以快速找到最优的颗粒级配方案。
技术实现思路
1、本公开为了解决上述问题，提出了用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法及系统，通过构建不同颗粒粒径分布下三维微观结构模型，定义孔隙率与颗粒重叠体积的损失函数，并采用遗传算法、梯度下降法等智能优化方法不断调整颗粒的分布比例，以最小化孔隙率。
2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
3、用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，包括：
4、获取不同粒径分布的水泥颗粒粉末；
5、将水泥颗粒视为球体，根据不同粒径分布的水泥颗粒，生成球体集合；
6、在每个粒径分布的球体集合中，按照比例采样多个球体，利用多个球体构建三维模拟微观结构模型；
7、利用三维模拟微观结构模型在三维盒子中模拟球体堆积过程，在模拟过程中，计算三维盒子内的孔隙率，根据球体之间的重叠体积和球体与边界的碰撞体积建立损失函数，通过梯度下降方法获取不同粒径分布的水泥配比的孔隙率；
8、采用优化算法对各粒径分布的采样比例进行优化调整，以最小化损失函数，实现最小孔隙率的不同分布水泥粉末的颗粒级配，以优化水泥的强度。
9、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
10、用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化系统，包括：
11、数据获取模块，用于获取不同粒径分布的水泥颗粒粉末；
12、模型构建模块，用于将水泥颗粒视为球体，根据不同粒径分布的水泥颗粒，生成球体集合；
13、在每个粒径分布的球体集合中，按照比例采样多个球体，利用多个球体构建三维模拟微观结构模型；
14、模拟计算模块，用于利用三维模拟微观结构模型在三维盒子中模拟球体堆积过程，在模拟过程中，计算三维盒子内的孔隙率，根据球体之间的重叠体积和球体与边界的碰撞体积建立损失函数，通过梯度下降方法获取不同粒径分布的水泥配比的孔隙率；
15、优化模块，用于采用优化算法对各粒径分布的采样比例进行优化调整，以最小化损失函数，实现最小孔隙率的不同分布水泥粉末的颗粒级配，以优化水泥的强度。
16、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
17、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法。
18、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
19、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法。
20、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
21、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法。
22、与现有技术相比，本公开的有益效果为：
23、本公开的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，获取不同粒径分布的水泥熟料粉末，并将其建模为球体，生成三维微观结构模型；然后通过蒙特卡洛采样方法计算孔隙率，并定义以孔隙率、颗粒重叠体积和边界碰撞体积为指标的损失函数；利用梯度下降法或遗传算法等优化算法调整各粒径颗粒的比例，以最小化损失函数，通过优化损失函数，直接以孔隙率最小化为目标，能够有效降低水泥浆体的孔隙率，提高材料的密实度。
24、本公开的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，通过计算机模拟与智能优化算法相结合，系统性地调整水泥颗粒的粒径分布和比例，以降低水泥浆体的孔隙率，提升材料的强度和耐久性。
25、本公开的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，可以精确控制水泥颗粒的级配，实现孔隙率的最小化，孔隙率的降低有助于提高水泥的强度和耐久性，改善材料的物理和力学性能，从而制备出密实度高、力学性能优良的水泥制品。该方法适用于不同类型的水泥和颗粒材料，具有较强的可操作性和广泛的应用前景。
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1.用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，选取水泥熟料块作为原材料，使用球磨机对熟料块进行初次研磨，使其达到设定的细度，研磨后的熟料粉末通过不同目数的筛子进行筛分，依次类推，获得多个不同粒径分布的水泥颗粒粉末。
3.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，在模拟中将水泥颗粒视为球体，根据筛分得到的不同粒径分布数据，生成对应尺寸的球体集合，假设每个粒径分布中的颗粒均匀分布在其对应的粒径范围内，从每个粒径分布中按照设定比例采样，获取总共N个球体，将N个球体按照随机或特定的规则构建三维模拟微观结构模型，并放入计算机模拟的三维盒子中，模拟实际的堆积过程。
4.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，在模拟过程中，计算三维盒子内的孔隙率，即球体未占据的体积与盒子总体积的比值，同时考虑球体之间的重叠体积和球体与边界的碰撞体积，根据球体的半径和计算重叠体积：
5.如权利要求1所述的用以最小化孔
6.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，在每次迭代中，更新采样比例，重新进行采样和模拟，直到损失函数收敛或达到设定的迭代次数；最终，获得使孔隙率最小化的最优颗粒级配方案，该方案对应于不同粒径分布的水泥粉末的最佳配比。
7.用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化系统，其特征在于，包括：
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-6任一项所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法。
...【技术特征摘要】
1.用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，选取水泥熟料块作为原材料，使用球磨机对熟料块进行初次研磨，使其达到设定的细度，研磨后的熟料粉末通过不同目数的筛子进行筛分，依次类推，获得多个不同粒径分布的水泥颗粒粉末。
3.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，在模拟中将水泥颗粒视为球体，根据筛分得到的不同粒径分布数据，生成对应尺寸的球体集合，假设每个粒径分布中的颗粒均匀分布在其对应的粒径范围内，从每个粒径分布中按照设定比例采样，获取总共n个球体，将n个球体按照随机或特定的规则构建三维模拟微观结构模型，并放入计算机模拟的三维盒子中，模拟实际的堆积过程。
4.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，在模拟过程中，计算三维盒子内的孔隙率，即球体未占据的体积与盒子总体积的比值，同时考虑球体之间的重叠体积和球体与边界的碰撞体积，根据球体的半径和计算重叠体积：
5.如权利要求1所述的用以最小化孔隙率的水泥颗粒级配优化方法，其特征在于，采用基于pytorch的自动微分和张...
【专利技术属性】
技术研发人员：王琳，熊润，吴旭，张亮亮，杨波，侯鹏坤，叶家元，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：
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