瀝青混合料三維數(shù)字設計方法的研究項目摘要

基于X-射線計算機斷層掃描設備和計算機模擬技術(shù)，對集料進行三維重構(gòu)與計算，建立三維數(shù)字集料數(shù)據(jù)庫。包裝數(shù)字集料形成級配，通過集料接觸嵌擠分析進行級配優(yōu)化并確定最佳瀝青含量。應用耗散粒子動力學（DPD）虛擬動態(tài)壓實技術(shù)構(gòu)建瀝青混合料的三維數(shù)字試件?；跀?shù)字試件進行有限元（離散單元）分析與虛擬力學性能測試。根據(jù)虛擬測試結(jié)果調(diào)整瀝青混合料集料的級配與瀝青含量，得出瀝青混合料的最佳配合比，并與傳統(tǒng)設計方法相比較。研究旨在開發(fā)一套數(shù)字虛擬技術(shù)進行瀝青混合料的設計和性能預測。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動態(tài)壓實技術(shù)、數(shù)字試件重構(gòu)技術(shù)和虛擬測試技術(shù)。瀝青混合料的三維數(shù)字化設計可以大幅度提高設計的質(zhì)量和效率，降低設計成本。本研究成果也可應用于建筑工程材料與結(jié)構(gòu)、巖土工程材料、復合材料、金屬制品探傷與加工精度檢驗等研究領(lǐng)域，對促進整個材料工業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要的理論意義和推動作用。

瀝青混合料的設計是影響瀝青路面功能與壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，當前瀝青混合料設計方法存在很多的局限性。本項目基于X-射線計算機斷層掃描設備和計算機模擬技術(shù)，對集料進行三維重構(gòu)與計算，建立三維數(shù)字集料數(shù)據(jù)庫。包裝數(shù)字集料形成級配，通過集料接觸嵌擠分析進行級配優(yōu)化。瀝青混合料內(nèi)部每顆集料的等效直徑、表面積和體積的計算為瀝青混合料的設計，壓實過程中的磨耗，最佳壓實次數(shù)和瀝青混合料平均瀝青膜層厚度等研究打下了基礎。 實驗室手段無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計與規(guī)范中只能局限于使用整體的平均孔隙率。采用先進的CT斷層掃描設備對瀝青混合料的孔隙進行三維分布計算與分析,對混合料的設計、施工質(zhì)量監(jiān)控及性能評價具有重要意義。 長期以來，研究人員在連續(xù)介質(zhì)模型研究時都是假設瀝青混合料為各向同性，但是實際的瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)卻是各向異性的。基于虛擬技術(shù)構(gòu)建了瀝青混合料的三維數(shù)字試件，基于數(shù)字試件進行有限元分析與虛擬力學性能測試，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)對其性能的影響。應用CT斷層掃描技術(shù)對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行三維重構(gòu)與分析，是瀝青混合料研究領(lǐng)域的重大進步。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)，同時又能提高重構(gòu)精度。 研究開發(fā)了一套瀝青混合料設計的虛擬技術(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)和虛擬測試技術(shù)，可以大幅度提高設計的質(zhì)量和效率，降低設計成本。本研究成果也可應用于建筑工程材料與結(jié)構(gòu)、巖土工程材料、復合材料、金屬制品探傷與加工精度檢驗等研究領(lǐng)域。 2100433B

本項目基于使用性能確定瀝青混合料體積特性并研究設計瀝青混合料體積特性的數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)真正意義上的按體積設計瀝青混合料。以瀝青和集料單體的力學行為作為混合料指標和力學性能評價的基本單元較以往建立在各種假設基礎上的評價更真實可靠。設計混合料過程數(shù)字化可以大幅度提高設計的效率和質(zhì)量，對促進路面技術(shù)發(fā)展具有理論意義和推動作用。 2100433B

數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已基本成熟完善。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在各個研究領(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)，并基于對二維數(shù)字圖像統(tǒng)計特性的分析，對瀝青混合料的體積組成進行了研究。 二維斷層圖像表達了某一截面的信息。但是，僅由二維斷層圖像人們很難建立起三維空間準確的立體形象和結(jié)構(gòu)概念。為提高判別和仿真的準確性與科學性，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)。 應用工業(yè)CT對瀝青混合料三維空間結(jié)構(gòu)進行識別與分析，是瀝青混合料研究領(lǐng)域的一大進步。使用德國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)，測量了體積參數(shù)，并對瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布特性做了初步研究。 直接開展瀝青砂膠和集料顆粒三維特性研究還存在集料顆粒復原困難、圖像重建和逆向工程等問題。而從理論上和技術(shù)上都說明，采用統(tǒng)計方法是能夠從批量二維圖像的分析中反映或計算出三維實體信息的，方法也容易實現(xiàn)。本項目以二維斷層圖像或連續(xù)截面圖像為研究對象，運用概率和統(tǒng)計學理論，通過分析工業(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方法；進一步以計算粗集料骨架間隙率VCAmix的過程為例，將這種方法加以推廣；另外通過把集料假設為球形，采用體視學方程由二維截面上的級配推導了瀝青混合料的三維體積級配。最后，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合體視學方法，通過分析一定數(shù)量截面中粗集料的分布狀態(tài)計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價指標。 本項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)由二維向三維過渡奠定了基礎。 2100433B