基于离散元模拟与图像处理的机制砂颗粒三维形态对堆积空隙异质性影响研究

本文通过离散元法(DEM)系统研究了机制砂(MS)颗粒三维形态参数（伸长指数EI、扁平指数FI、圆度Rd）对随机松散堆积空隙率及内部空隙分布的定量影响。研究结合真实颗粒实验与虚拟颗粒仿真，建立了基于核回归分析的堆积空隙率预测模型，为揭示机制砂几何形态影响混凝土流变性的内在机制提供了新视角。

　　

亮点

规则形态的真实颗粒

为校准模拟中的微观参数并验证提出的空隙率预测模型及相关形态参数的影响规律，采用五种规则棕刚玉颗粒（球形、正三棱柱、斜三棱柱、短圆柱、长圆柱）进行堆积实验及对应模拟。球形颗粒因形态规则且易获取标准参数而被选作基准参照。

随机松散堆积试验

松散堆积试验依照中国国家标准GB/T 14684-2022《建设用砂》对五类规则颗粒进行。首先需测量表观密度ρ_a：将300g干燥颗粒放入500mL容量瓶，浸水24小时后用滴管补水至刻度线并记录质量，同时测定仅装满500mL水的容量瓶质量。通过质量差计算颗粒体积，进而获得表观密度。随后采用标准漏斗自由落体法进行堆积：将500g颗粒通过漏斗从规定高度注入已知体积的量筒，刮平表面后称重，结合表观密度计算堆积空隙率。

模拟方案设计

颗粒形态参数的精准选取与合理配置是方案设计的核心。本节分析了采用圆度R_d、扁平指数FI和伸长指数EI作为关键参数的原因。通过控制变量法系统设计了六组颗粒形态方案，涵盖球体、长椭球、扁椭球、叶片状几何及不同棱角特征，为后续参数影响机理研究奠定基础。

堆积模型参数确定

如第3.2.2节所述，线性接触模型需校准其参数：法向刚度k_n、切向刚度k_s和摩擦系数μ。由于k_n、k_s与实验室力学参数间难以建立明确数学关系，刚度值通常依经验设定。参考采用线性接触模型的既往堆积研究参数设置（k_n与k_s同数量级且与颗粒弹性模量正相关），本研究设定k_n = k_s = 1×10⁸ N/m。摩擦系数μ通过堆积休止角实验标定：将2000个球形颗粒在PFC3D中从固定高度自由落入圆柱容器，移除挡板后记录稳定堆积角，通过调整μ使模拟休止角与实测值（32.5°）误差小于5%，最终确定μ=0.45。

结论

本研究采用PFC3D模拟规则颗粒堆积过程，优化了模型尺寸与最小堆积高度。设计六组具有显著几何特征的虚拟颗粒，系统研究了颗粒形状与棱角指数对随机松散堆积空隙率及内部空隙分布的影响，据此建立了空隙率的定量预测模型。通过真实非球形颗粒的实验与模拟结果进一步验证了模型的有效性。