Иерархическое моделирование строительных материалов как дисперсных систем: специализированная программная реализация

Утверждение о том, что подавляющее большинство строительных композиций и композитов являются дисперсными системами, представляется очевидным. По этой причине для исследования процессов структурообразования и выявления зависимостей влияния управляющих рецептурно-технологических переменных на структуру и свойства могут быть использованы многочисленные теоретические и полуэмпирические положения коллоидной химии и физико-химической механики. Применительно к задаче вычислительного моделирования дисперсно-наполненных композиций и композитов наиболее естественным является использование метода динамики частиц. Высокая универсальность данного метода, зарождение которого может быть отнесено к XIX в., а также наличие многочисленных теоретических, практических приложений обусловили доступность значительного числа программных инструментов. В то же время специфическая функциональность, необходимая для адекватного моделирования в строительном материаловедении, а также некоторые необходимые методы постобработки в существующих пакетах не реализованы. В настоящей работе после краткого рассмотрения задачи моделирования методом частиц обсуждаются отличительные особенности специализированного программного обеспечения, ориентированного на выполнение вычислительных экспериментов в строительном материаловедении, и выполняется решение актуальной расчетной задачи. На примере моделирования наноструктуры коллоидного модификатора показано, что применение разработанного программного обеспечения дает возможность регистрации ряда характеристик, важных не только с точки зрения решения практической задачи стабильности наномодификаторов, но и имеющих определенное теоретическое значение с точки зрения возможности сопоставления с результатами, полученными в рамках теории Смолуховского.

В.А. СМИРНОВ, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)
Е.В. КОРОЛЕВ, д-р техн. наук, директор научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

1. Gladkikh V.A., Korolev E.V., Smirnov V.A., Sukhachev I. Modeling the rutting kinetics of the sulfur-extended asphalt // Procedia Engineering. 2016. Vol. 165, pp. 1417–1423.
2. Гришина А.Н., Королев Е.В. Жидкостекольные строительные материалы специального назначения. Москва: Изд-во МГСУ, 2015. 223 с.
3. Bernal J.D., Finney J.L. Random close-packed hard-sphere model. II. Geometry of random packing of hard spheres // Discussions of the Faraday Society. 1967. Vol. 43, p. 62.
4. Scott G.D., Kilgour D.M. The density of random close packing of spheres // Journal of Physics D: Applied Physics. 1969. Vol. 2, pp. 863.
5. Xu R., Yang X.H., Yin A.Y., Yang S.F. A Three-dimensional aggregate generation and packing algorithm for modeling asphalt mixture with graded aggregates // Journal of Mechanics. 2011. Vol. 26 (2), pp. 65–171.
6. Stroeven P., Stroeven M. Assessment of packing characteristics by computer simulation // Cement and Concrete Research. 1999. Vol. 29 (8), pp. 1201–1206.
7. Jodrey W.S., Tory E.M. Computer simulation of isotropic, homogeneous, dense random packing of equal spheres // Powder Technology. 1981. Vol. 30 (2), pp. 111–118.
8. Mos´cin´ski J., Bargiel M., Rycerz Z.A., Jacobs P.W.M. The force-biased algorithm for the irregular close packing of equal hard spheres // Molecular Simulation. 1989. Vol. 3 (4), pp. 201–212.
9. Bezrukov A., Stoyan D., Bargiel M. Spatial statistics for simulated packings of spheres // Image Analysis and Stereology. 2001. Vol. 20, pp. 203–206.
10. Fu G., Dekelbab W. 3-D random packing of polydisperse particles and concrete aggregate grading // Powder Technology. 2003. Vol. 133 (1–3), pp. 147–155.
11. Королев Е.В., Прошин А.П., Смирнов В.А. Исследование устойчивости агрегатов в композиционных материалах // Известия вузов. Строительство. 2002. № 4. С. 40–45.
12. Прошин А.П., Данилов А.М., Королев Е.В., Смирнов В.А. Динамические модели при исследовании кластерообразования в композиционных материалах. Предельные системы // Известия вузов. Строительство. 2003. № 3. С. 32–38.
13. Прошин А.П., Данилов А.М., Королев Е.В., Смирнов В.А. Кинетическая модель процесса флокуляции в маловязких дисперсных системах // Известия вузов. Строительство. 2003. № 4. С. 53–57.
14. Королев Е.В., Прошин А.П., Данилов А.М., Смирнов В.А. Моделирование эволюции лиофобных дисперсных систем // Известия вузов. Строительство. 2004. № 1. С. 40–47.
15. Прошин А.П., Королев Е.В., Данилов А.М., Смирнов В.А. Метод численного анализа процесса структурообразования дисперсных систем // Вестник отделения строительных наук РААСН. 2004. № 6. С. 336–346.
16. Прошин А.П., Данилов А.М., Королев Е.В., Бормотов А.Н., Смирнов В.А. Моделирование процессов структурообразования дисперсных систем. Труды IV Международной конференции «Идентификация систем и проблемы управления». Москва: ИПУ РАН, 2005. С. 700–724.
17. Королев Е.В., Смирнов В.А., Иноземцев А.С. Динамическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве. 2012. № 3. С. 26–34.
18. Smirnov V.A., Evstigneev A.V., Korolev E.V. Multiscale material design in construction // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 106. Article 03027. https://doi.org/10.1051/matecconf/201710603027
19. Derjaguin B., Landau L.D. Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solutions of electrolytes // Acta Physicochimica U.R.S.S. 1941. Vol. 14, pp. 633–662.
20. Kinetics of Aggregation and Gelation. Ed. by Family F., Landau D.P. Amsterdam: North Holland, 1984. 294 p.
21. Smoluchowski M. Versuch einer mathematischen theorie der koagulationskinetik kolloider losungen // Zeitschrift f. Physik. Chemie. 1917. Vol. 92, pp. 129–168.
22. Berendsen H.J.C, van der Spoel D., van Drunen R. GROMACS – a message-passing parallel molecular-dynamics implementation // Computer Physics Communications. 1995. Vol. 91, pp. 43–56.
23. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // Journal of Computational Physics. 1995. Vol. 117, pp.  1–19.
24. Plimpton S., Hendrickson B. A new parallel method for molecular dynamics simulation of macromolecular systems // Journal of Computational Chemistry. 1996. Vol. 17, pp. 326–337.