Discrete element approach to packing of arbitrary-shaped particles in concrete

• Autorzy: He H. , Guo Z. , Stroeven P. , Stroeven M.

Warianty tytułu

PL

Dyskretny opis upakowania w strukturze betonu ziaren o dowolnym kształcie

• Konferencja: STERMAT 2008 : VIII International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Sciences (VIII ; 02-06.09.2008 ; Zakopane, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The shapes of real particles using in concrete, from coarse aggregate to mineral admixture, are irregular. The influence of particle shape on behavior of packing is enormous, so on the properties of fresh concrete and matured concrete. Definition of actual grain shape as well as simulation in a discrete element simulation (DES) approach is complicated, however. Spherical grain shape is therefore generally adopted in conventional simulation systems, despite imposing serious limitations. In this paper, a simulation strategy is presented for representation of arbitrary-shaped aggregate grains applied in concrete technology. This simulation approach is also incorporated in a concurrent algorithm-based DES system with the acronym HADES. After assessment of properties pertaining to arbitrary shaped particles, such as mass, centre of mass, and moment of inertia, an example of random mono-sized packing with deferent shapes by DES approach is also revealed. The influence of shape on mono-sized packing behavior is also briefly discussed in this paper.

PL

Rzeczywiste kształty ziaren, wykorzystywanych w produkcji betonu, poczynając od żwiru do mineralnych domieszek, są nieregularne. Ponieważ wpływ kształtu ziaren na sposób ich upakowania jest bardzo istotny, ma on również ogromny wpływ zarówno na właściwości świeżej mieszanki betonowej, jak i betonu stwardniałego. Zdefiniowanie rzeczywistego kształtu ziarna, jak i jego zasymulowanie, w opisie dyskretnym (DES) jest skomplikowane. Z tego względu w tradycyjnych metodach symulacyjnych wykorzystywany jest kulisty kształt ziaren, pomimo iż wiąże się to z istotnymi ograniczeniami. W niniejszej pracy przedstawiono propozycję strategii symulacji dla ziaren kruszywa o dowolnym kształcie. Ten sposób symulacji jest także wykorzystywany w zbliżonym algorytmie, bazującym na metodzie DES, znanym pod nazwą HADES. Po określeniu właściwości charakteryzujących ziarna o przyjętym kształcie, takich jak na przykład masa, środek masy oraz moment bezwładności, przedstawiono przykład losowego upakowania za pomocą metody DES ziaren kruszywa, jednorodnych wymiarowo, ale o zróżnicowanym kształcie. W pracy omówiono pokrótce także wpływ kształtu na jednorodny wymiarowo sposób upakowania ziaren kruszywa w strukturze betonu.

Słowa kluczowe

PL

beton; kształt ziaren; upakowanie ziaren w strukturze betonu; metoda DES

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 29, nr 4
• Strony: 403--407
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

He H.

autor

Guo Z.

autor

Stroeven P.

autor

Stroeven M.

• CITG, Delft University of Technology,

Bibliografia

• [1] Alexander M., Mindess S.: Aggregates in concrete, Taylor & Francis, London (2005).
• [2] Kuo C.-Y., Frost J. D., Lai J. S., Wang L. B.: Three-dimensional image analysis of aggregate particles from orthogonal projections, Transp. Res. Rec. 1526 (1996) 98-103.
• [3] Kwan A. K. H., Mora C. F., Chan H. C.: Particle shape analysis of coarse aggregate using digital image processing, Cem. Concr. Res. 29 (1999) 1403-1410.
• [4] Rao C., Tutumluer E., Stefanski J. A.: Coarse aggregate shape and size properties using a new image analyzer, J. Test. Eval. 29 (5) (2001) 461- 471.
• [5] Maerz N. H.: Technical and computational aspects of the measurement of aggregate shape by digital image analysis, J. Comput. Civil Eng. 18 (1) (2004) 10-18.
• [6] Mora C. F., Kwan A. K. H.: Sphericity, shape factor and convexity measurement of coarse aggregate for concrete using digital image processing, Cem. Concr. Res. 30 (2000) 351-358.
• [7] Fernlund J. M. R.: Image analysis method for determining 3-D shape of coarse aggregate, Cem. Concr. Res. 35 (2005) 1629-1637.
• [8] Kwan A. K. H., Mora C. F.: Effects of various shape parameters on packing of aggregate particles, Mag. Concr. Res. 53 (2) (2001) 91-100.
• [9] Wettimuny R., Penumadu D.: Application of Fourier analysis to digital imaging for particle shape analysis, J. Comput. Civil Eng. 18 (1) (2004) 2-9.
• [10] Wang L., Wang X., Mohammad L., Abadie C.: Unified method to quantify aggregate shape angularity and texture using Fourier analysis , J. Mater. Civil Eng. 17 (5) (2005) 498-504.
• [11] Hu J., Stroeven P.: Shape characterization of concrete, Image Anal. Stereol. 25 (2006) 43-53.
• [12] Sahagian D. L., Proussevitch A. A.: 3D particle size distributions from 2D observations: stereology for natural applications, J. Volcanol. Geoth. Res. 84 (3-4) (1998) 173-196.
• [13] Garboczi E. J.: Three-dimensional mathematical analysis of particle shape using X-ray tomography and spherical harmonics: Application to aggregates used in concrete, Cem. Concr. Res. 32 (10) (2002) 1621-1638.
• [14] Lin C. L., Miller J. D.: 3D characterization and analysis of particle shape using X-ray microtomography (XMT) , Powder Technol. 154 (1) (2005) 61-69.
• [15] Taylor M. A., Garboczi E. J., Erdogan S. T., Fowler D. W.: Some properties of irregular 3-D particles, Powder Technol. 162 (1) (2006) 1- 15.
• [16] Cundall P. A., Strack O. D. L.: Discrete numerical model for granular assemblies, Geotechnique 29 (1) (1979) 47-65.
• [17] Wittmann F. H., Roelfstra P. E., Sadouki H.: Simulation and analysis of composite structures, Mate. Sci. Eng. 68 (2) (1984) 239-248.
• [18] Cooper D. W.: Random-sequential-packing simulations in three dimensions for spheres, Phys. Rev. A 38 (1) (1988) 522-524.
• [19] Evans K. E., Ferrar M. D.: Packing of thick fibres, J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (2) (1989) 354-360.
• [20] Coelho D., Thovert J.-F., Adler P. M.: Geometrical and transport properties of random packings of spheres and spherical particles, Phys. Rev. E 55 (2)(1997) 1959-1978.
• [21] Sherwood J. D.: Packing of spheroids in three-dimensional space by random sequential addition, J. Phys. A: Math. Gen. 30 (1997) 839-843.
• [22] Lin X., Ng, T.-T.: A three-dimensional discrete element model Rusing arrays of ellipsoids, Geotechnique 47 (2) (1997) 319-329.
• [23] Thomas P. A., Bray J. D.: Capturing non-spherical shape of granular media with disk clusters, J. Geotech. Geoenviron. Eng. 125 (2-3) (1999) 169-178.
• [24] Stroeven M.: Discrete Numerical model for the structural assessment of composite materials, PhD Thesis, Delft University Press, Delft (1999).
• [25] Kochevets S., Buckmaster J., Jackson T. L., Hegab A.: Random packs and their use in modeling heterogeneous solid propellant combustion, J. Propul. Power 17 (4) (2001) 883-891.
• [26] Fu G., Dekelbab W.: 3-D random packing of poly-disperse particles and concrete aggregate grading, Powder Technol. 133(1-3) (2003) 147-155.
• [27] Williams S. R., Philipse A. P.: Random packings of spheres and spherocylinders simulated by mechanical contraction, Phys. Rev. E 67 (2003) 1-9.
• [28] German R. M.: Particle packing characteristics, Metal Powder Industries Federation, Princeton (1989).
• [29] Guo W.: Some material parameters on numerical statistical continuum mechanics of concrete, TU Delft Report 25-88-38, Delft (1988).