CT在瀝青混合料三維微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用簡述

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

CT在瀝青混合料三維微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用簡述

梅亮

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步。CT也越來越被科研工作者們熟悉，它憑借自身快速，無損，準(zhǔn)確等強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域都占有一席之地。近幾年，道路工程的科研工作者們更加注重研究它在瀝青混合料的應(yīng)用，并且在不斷的研究中取得了一定的研究成果。本文介紹了CT在瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對今后相關(guān)研究具有一定借鑒意義。

CT；瀝青混合料；微觀結(jié)構(gòu)

0 前言

雖然土木工程科研人員現(xiàn)在早已開始慢慢重視CT的運(yùn)用了，但是目前相關(guān)研究還局限在這幾類：如直接觀測瀝青混凝土內(nèi)部組分的空間分布特征，研究其內(nèi)部的2D或者3D的體積參數(shù)，或者直接分析受力試件的掃描圖像的CT數(shù)，進(jìn)行相關(guān)的破壞研究。充分地利用CT斷層掃描圖片，然后得到試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的特征信息，將這些信息導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行一定的數(shù)值模擬，并且進(jìn)行一些經(jīng)典的力學(xué)模擬，而這些模擬實(shí)驗(yàn)主要集中在2D尺度下。

所以利用X-ray CT技術(shù)的瀝青混合料的相關(guān)研究，現(xiàn)在還是比較基礎(chǔ)的階段，并沒有完全充分的利用CT技術(shù)，構(gòu)建出高質(zhì)量的3D立體模型。因?yàn)槟壳把芯咳藛T對于其他學(xué)科的知識，特別是對目前人類最偉大的發(fā)明――計(jì)算機(jī)的融合還不是特別的充分，并且對于歷史悠久的傳統(tǒng)力學(xué)原理并沒有進(jìn)行充分的傳承和發(fā)揚(yáng)，所以廣大的土木工程科研人員還有許多可以進(jìn)一步進(jìn)行研究的空間。

1 三維微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1.1 三維模型的建立

首先要做就是，將二維的圖像直接轉(zhuǎn)化為三維圖像，許多的研究人員都做出了一定的成果，促使了這方面研究的進(jìn)展。

段躍華[1]也在探索著如何利用CT進(jìn)行三維模型的重建，他在文中使用了重合面積法來進(jìn)行三維的模型的重新構(gòu)造，研究人員采用了高精度的最新工業(yè)CT進(jìn)行實(shí)踐掃描，最后在Matlab軟件上進(jìn)行了相關(guān)編程，然后使用高效性能的惠普計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行計(jì)算，最后終于實(shí)現(xiàn)了三維試件的重新構(gòu)建。

王聰[2]也在三維重建方向進(jìn)行了研究，根據(jù)體繪制方法，首先利用CT儀掃描瀝青混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的大量特征信息，然后利用Mimics軟件將掃描的相關(guān)信息進(jìn)行存儲，接著再講將得到的連續(xù)CT無損掃描圖像采取一定的措施來處理。最后利用Calculate 3D模塊建立三維可視化模型。可視化模型的精度受到CT圖像數(shù)量、掃描厚度與掃描間距等參數(shù)的影響CT圖像的具體數(shù)目、掃描的層間距將會極大的影響。

1.2 三維下的體積特征

研究人員在三維尺度下的瀝青混合料體積特征的研究也取得了一定的可觀的成績。

萬成[3]在文中利用了Xray-CT進(jìn)行掃描。掃描儀主要由放射源和探測器兩個部分組成， 如果利用一般的CT進(jìn)行掃描，由于瀝青混凝土試件的密度過大，那么成像一般不清晰，所以研究人員采購了工業(yè)CT，并進(jìn)行了相關(guān)掃描。

吳文亮[4]在文章中分析了瀝青混合料的內(nèi)部空隙散布的特點(diǎn)，眾所周知，瀝青混合料一種極其復(fù)雜的復(fù)合材料，其內(nèi)部分布著大大小小的空隙，那么這些空隙必定對其力學(xué)性能有著一定的影響。但我們進(jìn)行瀝青混合料的設(shè)計(jì)的時候，我們一般會采用許多參數(shù)來控制質(zhì)量，但是這些參數(shù)僅僅從宏觀上來描述，根本沒有從微觀反應(yīng)空隙的具體空間散布特點(diǎn)，但是空隙的散布情況對整體的性能有著特別大的影響。如果利用工業(yè)CT，就能夠在不破壞對象的情況下，對被掃描物體進(jìn)行探測，然后在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行圖像處理，定量的測量內(nèi)部尺寸，和損傷。作者在文中制造了Marshall，其次對生成的試件進(jìn)行CT無損掃描，最后將掃描圖片用VGStudio MAx 2.0進(jìn)行處理，慢慢地構(gòu)造了較好質(zhì)量的3D試件。將瀝青混凝土試件當(dāng)做研究對象，對其周圍的暗影進(jìn)行優(yōu)化，然后通過大量的計(jì)算最后獲得了效果較好的分割閾值，然后對掃描得到的每個空隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

最后通過實(shí)驗(yàn)對比，得到結(jié)論Marshall方法制造的試件，其面空隙率沿試件縱向不斷變化；對于SGC成型的試件，在其中間范圍的空隙分布比較的平均；上、中、下面層取芯的試件，三個試件的孔隙率幾乎相同，試件的上面都有著最大的面孔隙率。

1.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬實(shí)際上應(yīng)該理解為用計(jì)算機(jī)來做實(shí)驗(yàn)。總所周知，例如飛機(jī)的設(shè)計(jì)很早以前就開始在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)了，在計(jì)算機(jī)上面可以清晰的察看機(jī)翼上的各種細(xì)微變化。并且能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)計(jì)算各種相關(guān)的數(shù)據(jù)。

數(shù)值模擬同樣可以用來對瀝青混合料細(xì)微結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下的變化進(jìn)行模擬。萬成[5]在文章中寫道：為了更好地預(yù)測瀝青混合料的動態(tài)模量，他使用高精度的工業(yè)CT無損掃描技術(shù)進(jìn)行瀝青混合料試件掃描，隨后進(jìn)行了動態(tài)模量相關(guān)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。在三維細(xì)觀尺度下，研究CT掃描圖像，從微觀尺度下研究宏觀的性能。運(yùn)用工業(yè)CT掃描圖像，然后獲得微觀的特征信息，然后自行研發(fā)了程序，一鍵生成了三維數(shù)值模型。設(shè)定集料為彈性，瀝青膠漿為粘彈性。并采用修正的廣義Maxwell模型來進(jìn)行表征，擬合出Prony級數(shù)的剪切松弛模量參數(shù)，然后生成有限元的模型。然后設(shè)定了和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的溫度下進(jìn)行了對應(yīng)的動態(tài)模量數(shù)值模擬。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：數(shù)值模擬能夠同實(shí)際實(shí)驗(yàn)很好的符合，可以利用數(shù)值模擬來預(yù)測實(shí)際。

萬蕾[6]在文中研究了離散元數(shù)值模擬。人們對數(shù)值模擬的結(jié)果的精度要求更高了。目前廣大的土木研究人員越來越關(guān)注離散元在數(shù)值模擬中的綜合運(yùn)用了。利用工業(yè)CT掃描瀝青試件，然后構(gòu)建了3D離散元幾何模型。此文告訴我們，綜合使用CT掃描技術(shù)和圖像數(shù)字處理技術(shù)，構(gòu)建三維模型。然后通過自行編寫的對應(yīng)程序，建立了有限元數(shù)值模型。最后進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果較好。這次嘗試對瀝青混合料力學(xué)性能離散元數(shù)值模擬奠定了一定的基礎(chǔ)。

2 結(jié)語

CT在瀝青混凝土的微觀尺度的研究已經(jīng)有很大的進(jìn)展了，強(qiáng)大的CT掃描技術(shù)幫助許多研究人員解決了以往難以解決的問題，并且是無損檢測。CT憑借其強(qiáng)大的無損掃描功能，將在未來繼續(xù)發(fā)揮強(qiáng)大的作用：

(1)CT掃描機(jī)以后如果隨著社會的發(fā)展，其價格有所降低的話，那會造福更多的科研機(jī)構(gòu)。如果能夠很好的利用CT進(jìn)行先關(guān)的研究，那么實(shí)驗(yàn)效率更好，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率會更高，實(shí)驗(yàn)方法會更加的豐富。

(2)如果以后CT能配備更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件，那么在瀝青混凝土的級配設(shè)計(jì)就夠更加優(yōu)化。有好的硬件設(shè)施，那下一步就是提供相關(guān)的更加強(qiáng)大的配套軟件，這樣研究人員使用CT技術(shù)的時候就不需要花費(fèi)更多的心思去自行開發(fā)先關(guān)的軟件。

(3)提升CT的性能。如果CT的性能提高，圖像更加清晰，計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖片處理后，得到的優(yōu)化后的圖片會更加的符合研究人員實(shí)驗(yàn)的需要，最后用此為基礎(chǔ)的研究會有更高的準(zhǔn)確度。

[1]段躍華. 基于X-ray CT的瀝青混合料粗集料基礎(chǔ)特性研究[D].華南理工大學(xué),2011.

[2]王聰. 基于CT技術(shù)的瀝青混合料力學(xué)行為及三維重構(gòu)研究[D].大連海事大學(xué),2012.

[3]萬成,張肖寧,王邵懷,吳文亮,吳志勇. 基于X-CT技術(shù)的瀝青混合料三維數(shù)值化試樣重建[J]. 公路交通科技,2010,11:33-37+42

[4]吳文亮,王端宜,張肖寧,李智. 基于工業(yè)CT技術(shù)的瀝青混合料內(nèi)部空隙分布特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,06:2343-2348.

[5]萬成. 瀝青混凝土材料細(xì)觀損傷的數(shù)值模擬[J]. 交通科技.2006.01.：56-58.

[6]萬蕾,范亮平. 瀝青混合料三維離散元幾何模型重構(gòu)研究[J]. 低溫建筑技術(shù),2016,01:3-5.

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