瀝青混合料三維數(shù)字設(shè)計(jì)方法的研究

瀝青混合料的設(shè)計(jì)是影響瀝青路面功能與壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前瀝青混合料設(shè)計(jì)方法存在很多的局限性。本項(xiàng)目基于X-射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)集料進(jìn)行三維重構(gòu)與計(jì)算，建立三維數(shù)字集料數(shù)據(jù)庫(kù)。包裝數(shù)字集料形成級(jí)配，通過(guò)集料接觸嵌擠分析進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化。瀝青混合料內(nèi)部每顆集料的等效直徑、表面積和體積的計(jì)算為瀝青混合料的設(shè)計(jì)，壓實(shí)過(guò)程中的磨耗，最佳壓實(shí)次數(shù)和瀝青混合料平均瀝青膜層厚度等研究打下了基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)室手段無(wú)法獲得瀝青混合料內(nèi)部孔隙的分布，這使得以前很多的研究在設(shè)計(jì)與規(guī)范中只能局限于使用整體的平均孔隙率。采用先進(jìn)的CT斷層掃描設(shè)備對(duì)瀝青混合料的孔隙進(jìn)行三維分布計(jì)算與分析,對(duì)混合料的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量監(jiān)控及性能評(píng)價(jià)具有重要意義。 長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員在連續(xù)介質(zhì)模型研究時(shí)都是假設(shè)瀝青混合料為各向同性，但是實(shí)際的瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)卻是各向異性的?；谔摂M技術(shù)構(gòu)建了瀝青混合料的三維數(shù)字試件，基于數(shù)字試件進(jìn)行有限元分析與虛擬力學(xué)性能測(cè)試，突破了傳統(tǒng)瀝青混合料研究方法的局限性,從微觀尺度研究了混合料結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響。應(yīng)用CT斷層掃描技術(shù)對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重構(gòu)與分析，是瀝青混合料研究領(lǐng)域的重大進(jìn)步。在瀝青混合料研究領(lǐng)域引入CT斷層掃描技術(shù)使得可以無(wú)損地重構(gòu)與分析瀝青混合料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能提高重構(gòu)精度。 研究開(kāi)發(fā)了一套瀝青混合料設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù)，主要包括三維數(shù)字圖像技術(shù)、數(shù)字試件重構(gòu)技術(shù)和虛擬測(cè)試技術(shù)，可以大幅度提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，降低設(shè)計(jì)成本。本研究成果也可應(yīng)用于建筑工程材料與結(jié)構(gòu)、巖土工程材料、復(fù)合材料、金屬制品探傷與加工精度檢驗(yàn)等研究領(lǐng)域。 2100433B

基于X-射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)集料進(jìn)行三維重構(gòu)與計(jì)算，建立三維數(shù)字集料數(shù)據(jù)庫(kù)。包裝數(shù)字集料形成級(jí)配，通過(guò)集料接觸嵌擠分析進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化并確定最佳瀝青含量。應(yīng)用耗散粒子動(dòng)力學(xué)（DPD）虛擬動(dòng)態(tài)壓實(shí)技術(shù)構(gòu)建瀝青混合料的三維數(shù)字試件?；跀?shù)字試件進(jìn)行有限元（離散單元）分析與虛擬力學(xué)性能測(cè)試。根據(jù)虛擬測(cè)試結(jié)果調(diào)整瀝青混合料集料的級(jí)配與瀝青含量，得出瀝青混合料的最佳配合比，并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較。研究旨在開(kāi)發(fā)一套數(shù)字虛擬技術(shù)進(jìn)行瀝青混合料的設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)。數(shù)字虛擬成套技術(shù)主要包括三維數(shù)字圖像技術(shù)、DPD動(dòng)態(tài)壓實(shí)技術(shù)、數(shù)字試件重構(gòu)技術(shù)和虛擬測(cè)試技術(shù)。瀝青混合料的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)可以大幅度提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，降低設(shè)計(jì)成本。本研究成果也可應(yīng)用于建筑工程材料與結(jié)構(gòu)、巖土工程材料、復(fù)合材料、金屬制品探傷與加工精度檢驗(yàn)等研究領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)整個(gè)材料工業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要的理論意義和推動(dòng)作用。

本項(xiàng)目基于使用性能確定瀝青混合料體積特性并研究設(shè)計(jì)瀝青混合料體積特性的數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上的按體積設(shè)計(jì)瀝青混合料。以瀝青和集料單體的力學(xué)行為作為混合料指標(biāo)和力學(xué)性能評(píng)價(jià)的基本單元較以往建立在各種假設(shè)基礎(chǔ)上的評(píng)價(jià)更真實(shí)可靠。設(shè)計(jì)混合料過(guò)程數(shù)字化可以大幅度提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)路面技術(shù)發(fā)展具有理論意義和推動(dòng)作用。 2100433B

數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已基本成熟完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在各個(gè)研究領(lǐng)域都得到推廣。它的出現(xiàn)，為瀝青混合料的研究提供了新的途徑。本論文利用工業(yè)CT技術(shù)，并基于對(duì)二維數(shù)字圖像統(tǒng)計(jì)特性的分析，對(duì)瀝青混合料的體積組成進(jìn)行了研究。 二維斷層圖像表達(dá)了某一截面的信息。但是，僅由二維斷層圖像人們很難建立起三維空間準(zhǔn)確的立體形象和結(jié)構(gòu)概念。為提高判別和仿真的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，需要建立混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀立體的效果，展現(xiàn)混合料的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)。 應(yīng)用工業(yè)CT對(duì)瀝青混合料三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別與分析，是瀝青混合料研究領(lǐng)域的一大進(jìn)步。使用德國(guó)YXLON公司生產(chǎn)的Compact-225型工業(yè)CT掃描了瀝青混合料試件，采用機(jī)器配置的圖像處理軟件VGStudio MAX 2.0重建并分析了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，測(cè)量了體積參數(shù)，并對(duì)瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布特性做了初步研究。 直接開(kāi)展瀝青砂膠和集料顆粒三維特性研究還存在集料顆粒復(fù)原困難、圖像重建和逆向工程等問(wèn)題。而從理論上和技術(shù)上都說(shuō)明，采用統(tǒng)計(jì)方法是能夠從批量二維圖像的分析中反映或計(jì)算出三維實(shí)體信息的，方法也容易實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目以二維斷層圖像或連續(xù)截面圖像為研究對(duì)象，運(yùn)用概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，通過(guò)分析工業(yè)CT掃描獲得的空隙斷層圖像，提出一種將三維體研究轉(zhuǎn)換為二維截面研究的體視學(xué)方法；進(jìn)一步以計(jì)算粗集料骨架間隙率VCAmix的過(guò)程為例，將這種方法加以推廣；另外通過(guò)把集料假設(shè)為球形，采用體視學(xué)方程由二維截面上的級(jí)配推導(dǎo)了瀝青混合料的三維體積級(jí)配。最后，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合體視學(xué)方法，通過(guò)分析一定數(shù)量截面中粗集料的分布狀態(tài)計(jì)算出粗集料在三維體積中的分布狀態(tài)，為均勻性的研究提供定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。 本項(xiàng)目研究所取得的成果為瀝青混合料數(shù)字圖像處理技術(shù)由二維向三維過(guò)渡奠定了基礎(chǔ)。 2100433B