基于CT图像处理技术的再生沥青混合料集料均匀性分析

再生沥青混合料的细观结构与其宏观力学性能密切相关。文中选用珍珠岩和玄武岩集料作为再生沥青混合料中的新旧集料,模拟现场热再生过程制备再生沥青混合料试件;应用CT技术和数字图像处理(DIP)技术,对再生沥青混合料试件截面的数字图像进行处理,提取混合料中新旧集料、空隙和沥青砂浆的数字图像信息,对其空间分布规律及新旧集料均匀性进行分析。结果表明,再生沥青混合料的新旧集料在空间上分布较均匀,试件中部的均匀性优于试件两端的均匀性;集料在试件高度方向上整体分布较均匀,各断层新旧集料的分布比例大致符合总体新旧料的比例;静压成型试件空隙率沿试件高度方向呈现一端大、一端小的现象。     

基于颗粒流程序的沥青混合料单边切口梁试验模拟分析

为了从细观角度深入分析沥青混合料断裂机理，运用离散元方法实现了沥青混合料小梁试件的虚拟断裂试验。借助数字图像技术获取了1．18mm粒径以上的沥青混合料细观结构，基于颗粒流程序构建了包含集料、沥青砂浆、空隙在内的离散元模型，通过虚拟试验，对小梁的断裂过程进行了分析。研究结果表明：虚拟试验与室内试验的结果曲线相似度较高，模型中应力分布范围和趋势与室内试验的常规认识相符，第一条裂纹出现在集料与砂浆界面，低温条件下集料会被裂纹贯穿，一定程度上也阻碍了裂纹的继续发展。     

沥青混合料非均质多层次形态特征虚拟试件的三维随机重构

为真实反映沥青混合料内部非均质(粗集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构特性,基于离散元方法,提出了模拟沥青混合料三维细观结构的随机生成算法。采用三维离散元程序(PFC3D)内球形单元相互重叠构成不规则形状的单个集料颗粒;结合区域内多个集料的随机投放技术,建立了可考虑集料不规则形状、级配特征、集料体积含量以及空隙分布的沥青混合料三维离散元虚拟试件。研究结果表明,该算法及程序操作简便,切实可行,为沥青混合料或其他矿物质混合料空间结构重构提供了一种新途径,有效缓解制备试件样本对试验室条件以及人力物力的依赖。     

基于精细化DEM建模的冷再生混合料断裂性能分析

冷再生沥青混合料包含水泥、乳化沥青、旧料等成分，具有材料组成复杂、界面结构多变的特点，其对冷再生混合料的抗裂性能具有显着影响。以冷再生沥青混合料的断裂性能为研究对象，提出一种精细化的数值建模方法，该方法包括细观结构特征精细重构和力学参数精确获取。采用彩色乳化沥青区分材料内部真实组成结构，并经过图像处理和MATLAB程序处理导入离散元（DEM）数值仿真软件中，进行冷再生混合料结构精细化重构；结合SEM原位力学测试方法获取考虑试件尺寸和加载速率影响的沥青砂浆精确力学参数，建立精细化的离散元数值仿真模型；基于精细化建模开展冷再生沥青混合料断裂性能和关键失效机理分析，并通过室内试验进行验证。数值仿真和室内试验结果表明：基于细观结构精细化重构和材料参数精确获取的离散元建模方法可以有效模拟分析冷再生沥青混合料的断裂性能；冷再生混合料的整体断裂特性属于脆性断裂，抗拉强度低的冷再生沥青砂浆是混合料内部的薄弱区域，混合料内部主要断裂界面为冷再生沥青砂浆-骨料界面。提高沥青砂浆黏聚强度和材料内部界面强度可以显著改善冷再生沥青混合料的抗裂性能。     

基于虚拟单轴贯入试验研究集料对沥青混合料抗剪性能的影响

基于X-ray CT技术对集料进行二维断层扫描,并将扫描图像二值化后使用MATLAB将集料轮廓点导入PFC3D中生成集料几何模型。在PFC3D中分别建立粗集料相、砂浆相和空隙相构建沥青混合料虚拟试件,随后根据接触对象分别设置相应的接触模型和微观参数,进行虚拟单轴贯入试验,探究集料对沥青混合料抗剪性能的影响。结果表明:通过离散元法构建沥青混合料的模型并进行虚拟单轴贯入试验来探究其抗剪性能是可行的;增大集料最大公称直径有利于提升沥青混合料的抗剪性能;在集料最大公称直径相同的情况下,骨架密实结构的沥青混合料的抗剪性能优于密实悬浮结构,而骨架空隙结构的沥青混合料的抗剪性能则表现最差;沥青混合料试件横向内部集料的少量增加可以提升沥青混合料的抗剪性能,但内部集料增加过多则会减弱沥青混合料的抗剪性能,而横向外部集料的增加将会导致沥青混合料抗剪性能的下降,但综合来说集料横向分布均匀时沥青混合料实际的抗剪性能表现更加优秀;当集料纵向分布采用不同的结构时,沥青混合料的抗剪强度受上层结构层的影响较大;针片状集料的含量增加以及针片状集料的长细比的增大均会导致沥青混合料的抗剪性能的下降;增大集料的摩擦系数、增加棱角型集料含量均有助于提升沥青混合料的抗剪性能。     

间接拉伸虚拟试验模式下沥青混合料的应力分布

为了更准确地评价间接拉伸模式下沥青混合料的二维应力分布状态,利用X-ray CT扫描沥青混合料试件,获取混合料内部真实三维细观结构(集料、砂胶和空隙),根据三维重构理论和重构算法,建立沥青混合料三维虚拟试样.在此基础上,对沥青混合料虚拟试样进行低温、快速加载条件下的间接拉伸虚拟试验仿真.结果表明:不同于以往基于弹性理论解的二维应力均匀分布结论,混合料试件水平轴向和竖直轴向上的应力都不再均匀对称分布,最大应力也不再出现在试件中心处.间接拉伸虚拟试验方法克服了以往忽略混合料内部细观结构的缺陷,可以更为真实地模拟试件受荷作用下的力学状态.研究方法是对计算机数字化设计沥青混合料目标的有益探索.     

基于虚拟劈裂试验研究影响沥青混合料低温抗裂性能的因素

使用X-ray CT扫描粗集料,在PFC3D中重建颗粒,按照集料级配设计随机生成各档集料,构建沥青砂浆相并结合空隙相的实际分布,在重力作用和伺服机制控制下生成沥青混合料虚拟试件,随后设置合适的接触模型以及微观参数,进行虚拟劈裂试验,对影响混合料低温性能的因素进行分析。结果表明：本研究使用虚拟劈裂试验研究沥青混合料的低温抗裂性能是可行的；增大沥青砂浆间以及集料与沥青砂浆间的粘结强度可以提升沥青混合料的低温抗裂性能；增大集料体积分数、空隙率会减弱沥青混合料的低温抗裂性能；集料摩擦系数与沥青混合料的低温抗裂性能无明显相关性。     

基于离散单元法设计骨架密实型沥青混合料

为了减少沥青混合料设计过程中的误差和工作量,提高沥青混合料设计的社会经济效益,提出基于离散单元法进行骨架密实型混合料级配可视化设计和评价的方法,并对理想骨架结构的细观力学指标进行了定量分析。结果表明:在应用离散元方法进行混合料级配设计过程中,不需测量集料毛体积密度和混合料体积指标等中间变量,操作方便、数据变异小,克服了传统试验误差较大和试验量大的不足,极大地提高了沥青混合料设计的效率和经济性;骨架密实型混合料内部平均接触力与最大接触力呈线性相关关系,平均接触力、最大接触力与混合料的空隙率并无明显的相关关系;由粒径大于2.36mm理想球形粗集料构成的主骨架结构,平均配位数一般在3.3~3.5之间,当细集料掺入时,混合料的平均配位数有所降低;随着次一档集料的掺入,混合料内部的应力发生重分布,应力逐渐向细集料转移。对骨架密实抗车辙型沥青混合料设计来说,较粗的级配应提高主骨架的嵌挤能力,而较细的级配重点在于改善沥青砂浆的抗变形能力。     

开级配大粒径沥青碎石混合料劈裂试验的离散元数值分析

为了弥补现有沥青路面结构设计理论中将沥青混合料当作完全弹性体进行计算分析的不足,以AC-16,AC-20,开级配大粒径沥青碎石混合料OLSM-25的劈裂强度为研究对象,采用离散元方法,运用二维颗粒流程序(PFC2D),从细观角度入手,对AC-16,AC-20,OLSM-25的劈裂(间接拉伸)试验进行数值模拟,对比分析AC-16,AC-20,OLSM-25圆柱体试件内部集料颗粒之间的接触力、位移矢量、微裂缝数量及其分布规律.结果表明:在峰值轴向力作用下,当沥青混合料圆柱体试件开裂破坏时,随着沥青混合料公称最大粒径、空隙率的增大以及油石比的减小,试件内部集料颗粒之间的接触力由基本均匀趋于相对离散分布,位移矢量存在显著差异,微裂缝数量逐渐减少.与AC-16,AC-20相比,OLSM-25的间接拉伸抗裂效果显著.     

沥青混合料裂纹发展过程的颗粒流模拟

为了在细观尺度下描述沥青混合料的裂纹发展行为,运用离散元程序PFC2D内置“Fish”语言,重构了沥青混合料非均质(集料、胶浆和空隙)多层次(矿料级配)结构虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟3点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,在二维尺度下探索了沥青混合料的部分断裂机理.结果表明:虚拟试验得到的宏观断裂力学响应与室内试验结果的吻合度较好,仅采用试件单面图像信息构建模型进行力学性能预测缺乏可信度;虚拟试验模拟的二维裂纹扩展路径与室内数字摄影法结果较为相似,二者都体现出材料脆性断裂特点,二维模型往往夸大了粗集料在混合料断裂过程中的作用;基于离散元程序的裂纹扩展行为分析方法,可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段.     

基于Mimics的沥青混合料三维重构技术研究

CT断层扫描图像的三维重构技术为沥青混合料的细观结构可视化研究提供了重要途径.为了对沥青混合料试件进行三维重构,该文采用64排螺旋CT机对SAC-16级配的马歇尔试件进行扫描,将得到的断层图片保存为Dicom格式导入Mimics软件中,实现了沥青混合料的三维可视化,通过-471 HU、1 700 HU两个CT阈值的控制对粗集料、沥青砂浆、空隙进行识别与分离,研究细观结构的分布规律及体积分数组成.与Matlab自编程序相比,基于Mimics的沥青混合料三维重构在操作难易程度、阈值控制、细观结构分离方面优势明显,便于实际工程应用.     

沥青混合料细观结构离散元分析

为了在细观层次上分析沥青混合料的力学特性,本文用多边形单元模拟粗集料,球形单元粘结在一起模拟沥青玛蹄脂,在细观尺度上建立比较直观、清晰的离散元数值模型,采用3种接触模型描述沥青混合料内部的相互作用,并进行单轴压缩虚拟试验,分析沥青混合料的变形与应力情况。论文对虚拟试验结果进行分析,得出一些重要结论,并对本文的后继研究提出有意义的建议。     

基于间接拉伸模式的沥青混合料内部力链分布特征

为了表征沥青混合料在间接拉伸模式下的力链分布特征，成型3种骨架结构沥青混合料的马歇尔试件，以及旋转压实试件和相应3种类型的沥青砂浆静压试件。利用简单性能试验分别测试不同温度条件下沥青混合料和沥青砂浆的动态模量、相位角，在获取沥青混合料旋转压实试件和马歇尔试件截面图像的基础上，结合数字图像处理技术和MATLAB编程，借助离散元方法重构了3种类型沥青混合料的旋转压实和马歇尔数字试件。对旋转压实数字试件进行虚拟简单性能试验，运用反演算法计算数字试件的细观参数，校验细观模型的准确性和合理性。对马歇尔数字试件开展虚拟间接拉伸试验，提取颗粒间接触力力链信息，以力链概率分布和角度分布作为量化指标进行分布特征分析。研究结果表明：利用离散元方法重构的3种骨架结构沥青混合料黏弹性细观模型具有较高的预测精度，动态模量和相位角的实测与预测最大差异分别为9.64%、0.24°；间接拉伸荷载模式下，3种骨架结构沥青混合料的内部法向压力力链概率分布均随f(接触力与平均接触力的比值)的增大而衰减，强力链(f≥1)的概率分布较小，而弱力链(f＜1)的概率分布较大，随着温度的升高，力链的最大概率分布基本呈增大的趋势；不同温度的压力力链角度分布差异较大，呈沿0°-180°水平线和90°-270°垂直线的非对称分布，0°-180°水平线以上分布占主导，随着温度的升高，角度分布均向外延伸，但延伸幅度不大，最大仅为3.954%；不同截面的沥青混合料具有一致的法向力链概率分布和角度分布。研究结果为从细观角度认知沥青混合料的非均匀力学响应及荷载传递演化提供了理论依据。     

基于计算机扫描技术的沥青混合料集料质量均匀性评价

运用 CT（Computer Technology）获得沥青混合料的内部微观结构已成为现阶段研究热点之一,但是现阶段结合沥青混合料的 CT扫描断面图具有的特点进行数字图像系统处理的研究相对较少,而且将其用于区分内部材质的技术目前比较粗糙,无法有效将数字图像处理和混合料无损检测技术结合起来。基于混合高斯模型（GMM）E M算法的基础上,对沥青混合料的集料特性进行分割,进而对细观结构的质量均匀性分析进行判断,最后通过试验深层次探索内部体积组成结构情况。研究结果表明本文采用的混合高斯模型能较好的对 CT扫描断层图片进行处理,通过扇形扫描方法可对沥青混合料集料的分布情况进行判断,进而通过对集料颗粒的面积比进行统计分析,进而评价沥青混合料的集料分布均匀性,本文研究结果可为沥青混合料微观领域研究提供借鉴和参考意义。     

集料分布状态及其与沥青混合料性能研究进展

通过分析集料分布状态及其与沥青混合料性能研究现状,评述基于集料分布状态进行沥青混合料性能数值模拟研究进展,展望集料分布状态及其与沥青混合料性能研究趋势,对集料分布状态及其与沥青混合料性能关系进行深入研究。研究表明:沥青混合料三维虚拟试件几何重构,集料三维分布状态指标建立,集料-沥青界面接触效应分析等,将是未来集料分布状态及其与沥青混合料性能研究的3个重点。     

基于Matlab的沥青混合料内部空隙率测定与分析

为了研究沥青混合料CT图像空隙率大小及其分布特征,基于Matlab图像处理软件对各层位扫描CT图像进行图像增强、图像锐化处理。采用二维最大熵阈值分割法对沥青混合料不同层位的CT图像进行二值化,利用Canny算子模板进行边缘检测,检测出图像边缘内部空隙点数与试件CT图像总点数做熵运算,计算空隙占整个试件的百分率。同时,对试件空隙率检测计算结果差异的显著性进行数理统计检验。结果表明:空隙率随层位呈两头大中间小的分布趋势,验证了沥青混合料内部微观结构的非均匀性;CT图像计算的空隙率均值可以作为试件的空隙率值,同时试验数据结果与图像处理结果具有一致性,表明图像处理具有一定的准确性和可信度。     

基于X-ray CT和离散元法级配离析对沥青混合料骨架结构力学性能的影响

为从细观角度探究分析级配离析对沥青混合料骨架结构力学性能的影响,基于X-ray CT断层图像扫描技术和离散元法建立三维混合料骨架模型,对不同级配离析情况下的混合料骨架内部受力情况、抵抗荷载性能、应力传递性能等方面进行了对比和研究。结果表明:提出了利用X-ray CT断层图像扫描技术构建更接近于真实形态的集料颗粒模型的方法;骨架结构中较粗集料承受了主要的外力荷载作用;以典型的SMA-16级配为例,4.75~9.5 mm档集料是构成该级配集料骨架的关键粒径;骨架结构中细集料的增多有助于提高骨架的抗压强度,发生粗集料离析时,抗压强度将随着离析程度的加剧而显著地降低;不同的级配离析状态对混合料骨架结构的竖向与横向应力传递性能产生不同影响,其中细集料离析对应力传递性能的影响更大。     

乳化沥青冷再生混合料成型方法优化研究

为选择一种能够有效模拟实际工程压实方式且操作简单的乳化沥青冷再生混合料成型方法，分别按照马歇尔击实成型、旋转压实成型和振动成型3种方法制备混合料试件，对不同成型方法混合料试件的孔隙率、劈裂强度、冻融劈裂强度比和无侧限抗压强度进行试验测定，并通过CT扫描试验对不同成型方法混合料试件的高度方向孔隙特征、最可几孔径和乳化沥青砂浆特征进行对比。结果表明，采用旋转压实成型方法制备的混合料试件力学性能最优，相较其他两种成型方法具有更好的承载能力与水稳定性；同时采用旋转压实成型的试件内部空隙分布更加均匀，且试件内部沥青砂浆厚度最大，粗集料之间的接触和嵌挤程度最佳。因此最终确定旋转压实法作为冷再生混合料的最佳成型方法，由此得到的混合料试件与实际道路碾压相似，可以有效提高路面的高温性能和水稳性能。     

橡胶沥青砂浆与混合料复合模量的关联性

为探究橡胶沥青砂浆与混合料复合模量的关联性,从橡胶沥青砂浆角度预测了混合料的动态模量。首先将粗集料、沥青砂浆作为独立的两个单元,确定了橡胶沥青砂浆级配。然后采用PCG旋转压实法测定了各档粗集料的骨架间隙率,选取最小骨架间隙率作为确定粗集料各档比例和衡量沥青砂浆用量的尺度,设计混合料的空隙率为4%。通过集料的比表面积和沥青膜厚计算了沥青用量,完成了沥青混合料设计。分别按骨架最小间隙体积的85%,95%,100%和110%填充沥青砂浆,采用PCG旋转压实法成型沥青混合料试件,在沥青混合料性能试验仪上测定了混合料的复合模量。采用静压成型法制备沥青砂浆试件,测量了其复合模量。结果表明:沥青砂浆和混合料的复合模量满足幂函数关系,具有极高的相关性,沥青砂浆的动态模量最小,相位角最大;在相同条件下,混合料的动态模量随着沥青砂浆填充率的增加呈增大趋势,相位角无较大差别;根据沥青砂浆和沥青混合料的动态模量数据,采用西格摩德数学模型拟合动态模量主曲线,不仅可对沥青混合料动态压缩模量水平3进行补充完善,推动30%掺量橡胶沥青混合料在沥青路面中的应用,而且可从沥青砂浆角度研究混合料复合模量的黏弹特性。     

基于CT扫描与图像处理技术的沥青混合料空隙特征分析

为了探究沥青混合料空隙特征,以不同级配类型与成型方式的沥青混合料为研究对象,采用CT无损扫描技术获取大量断面图像,应用Matlab软件对断面图像的空隙部分进行识别与分析,得到了空隙在试件内部的分布规律以及空隙分形维数的变化规律。采用压力机模拟沥青混合料马歇尔稳定度的试验过程,并在不同阶段扫描试件,获得其断面图像,确定了试验过程中混合料内部空隙的变化过程。结果表明:马歇尔试件的空隙率与空隙分形维数呈现出外部大、中间小的分布规律,而旋转压实试件的空隙率与分形维数分布较为均匀;在马歇尔稳定度的试验过程中,空隙面积与数量减少,试件先被压密,后随着荷载增大,空隙面积与数量增加,空隙逐渐变宽,直至试件破坏。