瀝青混合料結構非均勻數值建模方法簡介

胡小松，蔡 彰，李沛洪

(長沙理工大學交通運輸工程學院 長沙市 410004)

瀝青混合料結構非均勻數值建模方法簡介

胡小松，蔡 彰，李沛洪

(長沙理工大學交通運輸工程學院 長沙市 410004)

論述了瀝青混合料材料的結構非均質模型重建的基本方法，對其非均勻數值建模的發展進行分析。

瀝青混合料；數值模擬；數字圖像處理技術；非均勻性

數值模擬已經被廣泛應用在研究瀝青混合料的細觀力學性能，而數值建模是進行數值模擬的必要一步，日前非均勻數值建模方法在瀝青混合料細觀結構建模方面得以迅速發展，相對于均質模型，非均勻模型能夠更好地模擬瀝青混合料的性能，與瀝青混合料的實際結構更接近，細觀尺度數值模擬已被廣泛應用于瀝青混合料復合行為，如應力應變關系、破壞行為、變形和疲勞行為等。數值模擬的前提條件是細觀模型重建。在早期階段，瀝青混合料被視為均質材料，隨著模型重建技術的發展，非均勻模型在最近二十年得到了迅速的發展。非均勻模式的關鍵是分配給集料和基體(瀝青膠漿)不同的材料屬性。相比均相模型，異質模型與實際情況更一致，以使數值模擬的結果更加可靠。數值模擬是定量分析物理系統演化的方法，特別是對于集料為基礎的瀝青混合料的數值模擬，能夠模擬集料之間的相互作用、變形、應力分布、裂紋萌生和擴展等。

1 基于數字圖像處理技術(DIP)的模型

數字圖像處理技術(DIP)就是利用CT掃描或高清數碼拍照(CDD)等設備把物理圖像轉化成離散的數字圖像，對數字圖像進行各種變換及量測，并通過各種算法從數字圖像中提取有用的信息。其主要內容包括圖像采集與數字化、圖像的壓縮、圖像的增強與復原、圖像的分割和圖像分析等。數字圖像處理技術開始于20世紀20年代，由于其處理速度快、成本低、再現性好、精度高、靈活性高等特點，已在工程學、生物學、航空航天、醫學、軍事、文化藝術等多個領域取得了巨大的成功和顯著的經濟效益。

基于數字圖像處理技術(DIP)的模型，通過CT掃描或高清數碼拍照(CDD)而獲得。主要包括三個步驟。首先，準備瀝青混合料試件，即按照相關試驗規范制作瀝青混合料馬歇爾試件、梁試件等,對于通過CDD高清數碼拍照的需要對試件進行切割及磨平；然后，利用CT掃描或高清數碼拍照(CDD)來獲取瀝青混合料試件的橫截面或表面的數字圖像，并對生成的數字圖像進行銳化、均衡化等預處理。根據經驗,可在集料與基體(瀝青膠漿)的界面處做增強處理,以得到利于進一步分析的圖像。在得到增強過的灰度圖后,再利用閡值法,將灰度圖轉換成二值圖,從而為圖像識別做好準備。最后，將瀝青混合料的各相的幾何信息導入到ABAQUS、ANSYS等有限元軟件中來重建一個數值模型。CDD高清數碼拍照只能得到試樣的表面上的信息，因此它僅用于重建的2D數字模型。相反，CT掃描可以獲得樣本的內部信息，所以它可用于3D模型重建。圖1為典型的基于CT掃描的數字圖象處理過程。

由圖2可知基于數字圖像處理技術的模型能夠捕獲各個階段的瀝青混合料內部結構的詳細幾何信息，但過程多、處理復雜，且涉及的集料數量大，導致其計算量大，因此其價格昂貴且耗時，并且該模型的精度也高度依賴于數字圖像處理技術(DIP)。

2 計算機生成模型

不同于數字圖像處理技術(DIP)的模型，計算機生成模型通過這兩步來重建：生成相應數量的骨料和安置骨料在相應的位置，其中生成合適的骨料是關鍵。一般而言，它可以分為兩種基本類型：用戶自定義骨料模型和現實骨料模型。

2.1 用戶自定義骨料模型

用戶自定義模型一般把集料等效為圓或者橢圓(二維)和球或者橢球(三維)，一般以粒徑2.36mm為界限劃分粗、細集料，即粒徑2.36mm以上的集料作為骨料，2.36mm以下的集料、礦粉、瀝青等作為瀝青膠漿及空隙。大量的研究表明將不規則集料等效為與原集料具有相同的最大弦長及面積的橢圓最為合理。這樣一方面保留了不規則集料的尺寸效應,另一方面保證了獲得的瀝青混合料數字試件的集料體分比與原試件是一致的，其建模的具體過程如圖3所示。

相對于直接基于數字圖像處理技術(DIP)的模型，用戶自定義骨料模型在一定程度下簡化了模型，使得建模更為容易，且計算量有所減少，但這種方法的一個顯著缺點是橢圓會丟失集料的部分幾何特征，尤其是棱角和表面紋理。

2.2 現實骨料模型

現實骨料模型是利用CT掃描或者高清數碼拍照(CDD)直接對集料進行圖像的采集，得到集料的的數字圖像及細觀特征(如圖4)，模型中骨料模型的形狀與原集料形狀非常相似，研究人員一直在尋求以產生模擬真實的瀝青混合料幾何形狀骨料的模型。類似于基于CT掃描或者CDD高清數碼拍照的瀝青混合料試件的數字圖像的獲得，集料數字圖像也可以通過CT掃描或者CDD高清數碼拍照獲得。相對于瀝青混合料試件的CT掃描或者CDD高清數碼拍照，直接對各骨料進行掃描生成的骨料模型可以重復使用，在其他設計參數改變的情況下不需要重新制作試件和模型，從而節約了時間和成本。其重點是把生成的骨料按照一定的規律放入到基體中，使得其放入的位置趨于合理，其骨料模型生成如圖4及圖5所示。

現實骨料生成模型能夠較好地反映瀝青混合料中骨料的形態，其只需對瀝青混合料骨料進行CT掃描或者CDD高清數碼拍照，而且骨料模型也能夠重復使用，對于不同設計參數的瀝青混合料試件，也不需要重新成型不同的試件，并分別對不同的試件進行CT掃描或者CDD高清數碼拍照，從而大大節約了成本，且耗時也較少，其關鍵是能夠把生成的骨料放入基體中合適的位置。

3 結論

(1)基于數字圖像處理技術(DIP)的模型能夠捕獲各個階段的瀝青混合料內部結構的詳細幾何信息，但它成本較高，并且該模型的精度也高度依賴于數字圖像處理技術。

(2)相對于直接基于數字圖像處理技術(DIP)的模型，用戶自定義骨料模型簡化了模型和建模過程，且使得模型的計算量有所減少，但此方法的一個顯著缺點是橢圓會丟失集料的部分幾何特征，尤其是棱角和表面紋理。

(3)現實骨料模型只需對瀝青混合料的骨料進行CT掃描或者CDD高清數碼拍照，且骨料模型也能夠重復使用，從而節省了時間和成本，其關鍵是能夠使生成的骨料放入基體中的位置趨于合理。

(4)由于數字圖像處理技術是影響模型重建質量的主要因素，因此數字圖像處理技術的發展將成為未來的一個重要的研究課題。

[1] 董澤蛟，龔湘兵，孫嶸蓉，等．基于彈性原理的瀝青混合料細觀模型數值模擬[J]. 中外公路，2013(2)．

[2] 汪海年，郝培文．瀝青混合料微細觀結構的研究進展[J]. 長安大學學報(自然科學版)，2008(3)．

[3] Xu Yang. Review on heterogeneous model reconstruction of stone-based composites in numerical simulation. Construction and Building Materials, 117(2016):229-243.

[4] Erdem Coleria, John T. Harveya, Kai Yangb. Development of a micromechanical finite element model from computed tomography images for shear modulus simulation of asphalt mixtures, 2012(30):783-793.

[5] 牛冬瑜．基于細觀力學的瀝青砂漿及骨架結構瀝青混合料性能研究[D]．西安：長安大學，2015．

[6] Bandyopadhyaya R,Das A, Basu S.Numerical simulation of mechanical behaviour of asphaltmix[J]. Construction and Building Materials,2008,22(6):1051-1058.

[7] 廖公云，黃曉明．ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用[M]．南京：東南大學出版社，2008．

[8] 朱興一．瀝青混凝土的細觀力學模型及數值模擬[D]．杭州：浙江大學，2015．

Brief Introduction of Heterogeneous Numerical Modeling Method for Asphalt Mixture Structure

HUXiao-song,CAIZhang,LIPei-hong

(School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

The basic method for rebuilding heterogeneous model for the structure of asphalt mixture material is discussed, and the analysis on the development of heterogeneous numerical modeling is made.

Asphalt mixture; Numerical modeling; Digital image processing technique; Heterogeneity

1673-6052(2016)11-0039-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.011

U414.7+5

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