沥青混合料三维数字设计方法的研究结题摘要

沥青混合料的设计是影响沥青路面功能与寿命的关键环节。然而，当前沥青混合料设计方法存在很多的局限性。本项目基于X-射线计算机断层扫描设备和计算机模拟技术，对集料进行三维重构与计算，建立三维数字集料数据库。包装数字集料形成级配，通过集料接触嵌挤分析进行级配优化。沥青混合料内部每颗集料的等效直径、表面积和体积的计算为沥青混合料的设计，压实过程中的磨耗，最佳压实次数和沥青混合料平均沥青膜层厚度等研究打下了基础。 实验室手段无法获得沥青混合料内部孔隙的分布，这使得以前很多的研究在设计与规范中只能局限于使用整体的平均孔隙率。采用先进的CT断层扫描设备对沥青混合料的孔隙进行三维分布计算与分析,对混合料的设计、施工质量监控及性能评价具有重要意义。 长期以来，研究人员在连续介质模型研究时都是假设沥青混合料为各向同性，但是实际的沥青混合料微观结构却是各向异性的。基于虚拟技术构建了沥青混合料的三维数字试件，基于数字试件进行有限元分析与虚拟力学性能测试，突破了传统沥青混合料研究方法的局限性,从微观尺度研究了混合料结构对其性能的影响。应用CT断层扫描技术对沥青混合料内部结构进行三维重构与分析，是沥青混合料研究领域的重大进步。在沥青混合料研究领域引入CT断层扫描技术使得可以无损地重构与分析沥青混合料的内部微观结构，同时又能提高重构精度。 研究开发了一套沥青混合料设计的虚拟技术，主要包括三维数字图像技术、数字试件重构技术和虚拟测试技术，可以大幅度提高设计的质量和效率，降低设计成本。本研究成果也可应用于建筑工程材料与结构、岩土工程材料、复合材料、金属制品探伤与加工精度检验等研究领域。 2100433B

基于X-射线计算机断层扫描设备和计算机模拟技术，对集料进行三维重构与计算，建立三维数字集料数据库。包装数字集料形成级配，通过集料接触嵌挤分析进行级配优化并确定最佳沥青含量。应用耗散粒子动力学（DPD）虚拟动态压实技术构建沥青混合料的三维数字试件。基于数字试件进行有限元（离散单元）分析与虚拟力学性能测试。根据虚拟测试结果调整沥青混合料集料的级配与沥青含量，得出沥青混合料的最佳配合比，并与传统设计方法相比较。研究旨在开发一套数字虚拟技术进行沥青混合料的设计和性能预测。数字虚拟成套技术主要包括三维数字图像技术、DPD动态压实技术、数字试件重构技术和虚拟测试技术。沥青混合料的三维数字化设计可以大幅度提高设计的质量和效率，降低设计成本。本研究成果也可应用于建筑工程材料与结构、岩土工程材料、复合材料、金属制品探伤与加工精度检验等研究领域，对促进整个材料工业技术发展具有重要的理论意义和推动作用。

本项目基于使用性能确定沥青混合料体积特性并研究设计沥青混合料体积特性的数字化技术实现真正意义上的按体积设计沥青混合料。以沥青和集料单体的力学行为作为混合料指标和力学性能评价的基本单元较以往建立在各种假设基础上的评价更真实可靠。设计混合料过程数字化可以大幅度提高设计的效率和质量，对促进路面技术发展具有理论意义和推动作用。 2100433B

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