基于数字图像处理技术的沥青混合料各向异性特性研究

传统针对沥青混凝土的宏观唯象研究方法在一定程度上难以胜任复杂的沥青混凝土力学行为的分析。因此，本研究从细观结构入手，采用CCD数码相机获取沥青混凝土断面图像，利用MATLAB软件自行编写子程序对图像进行去噪、增强及集料间粘连分割处理，得到沥青混凝土的细观结构。基于此，对AC-13，SMA-13和OGFC-13三种不同级配集料分布特征规律进行了分析；考虑到沥青混凝土内部复杂的应力状态分布问题，首先对沥青胶砂的应力状态进行了统计分析，提出采用高斯函数模型描述沥青混凝土在单轴应力作用下的应力状态，研究了材料参数、级配形式、空隙含量、成型方式等对胶砂应力状态的影响规律；其次在室内制备了沥青胶砂试件，采用单轴压缩蠕变试验对沥青胶砂的非线性粘弹性行为进行了试验研究，提出采用最优分段方法对Burgers模型进行拟合，从而获取粘弹性参数；最后，结合理论和试验成果，采用矢量化建模方法建立了沥青混凝土有限元模型，对其力学性质的非均匀性及各向异性特性加以分析，从而揭示出沥青混凝土细观力学变化引起的宏观响应。 研究发现采用等效圆直径法与体视学原理可以解决以往不能同时识别沥青混凝土中粗细集料的问题；以拆分合并强度为判断指标的改进多边形逼近方法进行沥青混凝土建模，有效减小了数值模型的规模，提高了数值分析的计算效率；对不同级配形式沥青混凝土数值模型的分析结果表明骨架密实结构的沥青胶砂的应力统计平均值和应力偏差均好于其他类型的沥青混凝土，空隙的存在能够减小沥青胶砂的应力统计平均值，但同时也会使沥青胶砂的应力分布更加均匀；此外，对比分析了多尺度模型和各向同性假设下沥青路面应力分布的差异性，表明采用传统理论分析得到的沥青路面的应力值低于多尺度模型的计算结果；采用时域搜索拟合的方式并结合非线性寻优方法确定出拟合残差最小的分段时刻，最终得到了Burgers模型最优拟合参数；通过二次开发将非线性粘弹性模型运用到沥青混凝土粘弹性变形的预测中，发现采用非线性粘弹性模型的混凝土粘弹性变形预测值高于线性粘弹性预测值，并且与试验结果更加接近，考虑沥青胶砂的非线性粘弹性效应能更好反映沥青混凝土的真实粘弹性变形特性；对碾压成型试件不同方向的模拟和试验结果表明，沥青混凝土呈现微弱的各向异性特性，与以往各向同性材料的假设存在一定的差异。本研究构建了沥青混凝土细观结构与宏观力学响应之间的联系，具有重要的理论意义和工程应用价值。

传统的沥青混合料研究方法是从宏观角度进行唯象研究，以宏观力学指标作为设计检测的主要依据，但长期的实践经验表明，宏观力学指标的分析在一定程度上难以胜任复杂的沥青混合料力学行为的分析。因此，本研究从沥青混凝土的细观结构入手，利用细观力学的研究方法，对沥青混凝土材料及其力学性质的非均匀性加以分析，结合理论和试验成果建立真实的物理模型，对沥青混凝土材料的力学性能进行研究，从而揭示出沥青混合料细观力学变化引起的宏观响应，同时，真实反映出沥青混合料的受力传递机理和变形机理。具有重要的理论意义和工程应用价值。

数字图像处理技术出现于20世纪60年代，经过几十年的发展，现已基本成熟完善。随着计算机技术的迅猛发展，数字图像处理技术在各个研究领域都得到推广。它的出现，为沥青混合料的研究提供了新的途径。本论文利用工业CT技术，并基于对二维数字图像统计特性的分析，对沥青混合料的体积组成进行了研究。 二维断层图像表达了某一截面的信息。但是，仅由二维断层图像人们很难建立起三维空间准确的立体形象和结构概念。为提高判别和仿真的准确性与科学性，需要建立混合料内部结构直观立体的效果，展现混合料的内部三维结构与形态。 应用工业CT对沥青混合料三维空间结构进行识别与分析，是沥青混合料研究领域的一大进步。使用德国YXLON公司生产的Compact-225型工业CT扫描了沥青混合料试件，采用机器配置的图像处理软件VGStudio MAX 2.0重建并分析了试件内部结构，测量了体积参数，并对沥青混合料内部的空隙分布特性做了初步研究。 直接开展沥青砂胶和集料颗粒三维特性研究还存在集料颗粒复原困难、图像重建和逆向工程等问题。而从理论上和技术上都说明，采用统计方法是能够从批量二维图像的分析中反映或计算出三维实体信息的，方法也容易实现。本项目以二维断层图像或连续截面图像为研究对象，运用概率和统计学理论，通过分析工业CT扫描获得的空隙断层图像，提出一种将三维体研究转换为二维截面研究的体视学方法；进一步以计算粗集料骨架间隙率VCAmix的过程为例，将这种方法加以推广；另外通过把集料假设为球形，采用体视学方程由二维截面上的级配推导了沥青混合料的三维体积级配。最后，采用数字图像处理技术结合体视学方法，通过分析一定数量截面中粗集料的分布状态计算出粗集料在三维体积中的分布状态，为均匀性的研究提供定量评价指标。 本项目研究所取得的成果为沥青混合料数字图像处理技术由二维向三维过渡奠定了基础。 2100433B

青年基金项目对裂隙发展及其对土体强度影响规律进行了定量化研究，结果显示，膨胀土中裂隙分布具有明显的方向性，土体工程力学性质也因此呈现出各向异性特征。初步渗气试验结果表明，渗透性不仅能反映裂隙发育程度，也可表征裂隙的各向异性特征。要真正搞清裂隙对膨胀土性质的影响规律，深入研究裂隙分布的各向异性是前提和基础。本项目拟改进和完善现有测试手段和方法，采用CT法和电（导）法，在现场和室内进行膨胀土裂隙观测试验，研究裂隙的空间分布各向异性特征及演化规律；进行渗气和渗水试验，建立反映膨胀土裂隙各向异性的孔隙分布模型，结合数值模拟手段，分析裂隙形态及分布对土体渗透性各向异性特征的影响机理和规律。试验结合理论研究，定量地揭示膨胀土裂隙各向异性特征及其影响的相关规律，是本项目的特色和创新之处。本项目的研究将有助于加深对膨胀土特性的认识，进一步丰富特殊土研究理论和方法，也有助于膨胀土工程合理处置措施的选择。