林 超

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司),山西 太原 030006)

1 引 言

以往對(duì)瀝青混合料的研究大都局限于基于現(xiàn)象學(xué)的經(jīng)驗(yàn)方法,主要研究其宏觀性能和物理特性,但由于實(shí)際應(yīng)用中的種種因素影響,現(xiàn)行的材料設(shè)計(jì)體系并不準(zhǔn)確,與按使用性能設(shè)計(jì)材料之間仍有較大差距。近年來(lái),隨著CT成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、離散元等多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展,使研究可以向材料結(jié)構(gòu)的微觀世界擴(kuò)展,對(duì)瀝青混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)組成及性質(zhì)研究逐步加深。學(xué)者通過(guò)瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系,對(duì)應(yīng)力張量及應(yīng)變張量進(jìn)行研究,并運(yùn)用力學(xué)方法定量預(yù)估混合料的力學(xué)性能,從而反映混合料的宏觀性質(zhì)[1,2]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料的研究。在對(duì)瀝青混合料進(jìn)行微觀探索和研究后,優(yōu)化過(guò)程中通常存在兩個(gè)問(wèn)題。一種是對(duì)瀝青混合料實(shí)際成分的鑒定和表征,另一種是相對(duì)有限的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)瀝青混合料的手段。對(duì)于前者,通常使用CT無(wú)損檢測(cè)和圖像處理技術(shù)。對(duì)于后者,通過(guò)數(shù)值模擬建立離散元模型的方法具有較高的精度。2007年田莉等利用三維離散元模型及其重構(gòu)技術(shù)建立了瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)模型,更真實(shí)地反映了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特征[3,4]。2012年,張曉寧基于數(shù)字圖像處理技術(shù),提取了粗骨料的形態(tài)特征,研究了瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像重建。2013年,汪海年等用Burgers模型重建瀝青混合料,驗(yàn)證了數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的一致性。在2016年Vinotini使用高通算子H-Maxima優(yōu)化了圖像分割的細(xì)節(jié),可以更好地分離兩個(gè)聚合圖像并獲得更高的精度。目前,通過(guò)瀝青混合料的CT掃描獲得的切片圖像模糊,表征集料輪廓的數(shù)學(xué)方法尚缺乏研究,邊界難以區(qū)分,圖像難以分割。瀝青混合料很少采用離散元法,大多數(shù)模型為二維模型,模型過(guò)于簡(jiǎn)化,環(huán)境狀態(tài)模擬受限,與實(shí)際瀝青混合料的偏差較大[5-9]。這些模型模擬的實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲得準(zhǔn)確的數(shù)值,這限制了瀝青混合料的進(jìn)一步研究。

目前,利用CT掃描瀝青混合料試件所獲得的切片圖像較模糊,并且對(duì)表征集料輪廓的數(shù)學(xué)方法缺乏研究,邊界難以分辨,圖像不易分割。離散元方法在瀝青混合料應(yīng)用較少,模型多為二維,且過(guò)于簡(jiǎn)化,環(huán)境狀態(tài)模擬較局限,與瀝青混合料實(shí)際偏離較大[10-12]。研究中,使用X射線CT技術(shù)掃描真實(shí)樣本,并輔以MATLAB和離散元程序來(lái)提供圖像處理和建模方法。然后在此模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系,可以研究應(yīng)力張量和應(yīng)變張量,并可以通過(guò)力學(xué)方法定量預(yù)測(cè)混合物的力學(xué)性能,以便準(zhǔn)確地反映瀝青混合料的宏觀性能。

2 瀝青混合料試件CT斷層掃描

CT是電子計(jì)算機(jī)斷層掃描,它是利用精確的射線或聲波等,與靈敏度極高的探測(cè)器結(jié)合進(jìn)行斷面掃描。隨著CT技術(shù)的迅速發(fā)展,不僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,對(duì)于瀝青混合料的微觀研究也起到了重要作用?，F(xiàn)常采用的X-ray CT成像技術(shù)具有強(qiáng)大的輻射能力,可獲取高分辨率圖像,且具有無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

采用的CT設(shè)備是YXLON FF20CT,該設(shè)備掃描樣品直徑可達(dá)280 mm,高度可達(dá)700 mm,二維圖片的細(xì)節(jié)可視度可達(dá)150 nm,滿足試件大小要求,且可以提供精準(zhǔn)的成像圖片,有利于圖像處理和后期建模的準(zhǔn)確性。

研究表明瀝青混合料試件尺寸越大,圖像質(zhì)量越差,且試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式的成像質(zhì)量?jī)?yōu)于馬歇爾擊實(shí)成型方式。因而采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件,讓射線與試件高度方向保持一致,以此獲得橫斷面切片圖像。

3 瀝青混合料的數(shù)字化重構(gòu)

數(shù)字圖像在采集和傳輸過(guò)程中,難免會(huì)受到光源強(qiáng)度不均、機(jī)器老化、環(huán)境振動(dòng)、固有噪聲等干擾導(dǎo)致圖像識(shí)別困難。數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中抽象為一系列像素點(diǎn),每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)灰度值,不同密度的物質(zhì)經(jīng)過(guò)CT掃描后表現(xiàn)出不同的灰度值,灰度值的范圍是0～255,圖像處理主要就是基于灰度值對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)和分割等操作。

3.1 圖像增強(qiáng)

先基于Otsu算法計(jì)算全局圖像閾值,用閾值將灰度轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像以作為mask掩碼,將原始圖片經(jīng)過(guò)掩碼操作除去異物,僅保留瀝青混合料圖像,作為下一步圖像增強(qiáng)的對(duì)象。在圖像獲取過(guò)程中由于電子元器件、電路結(jié)構(gòu)等影響以及在圖像信號(hào)傳輸過(guò)程中由于傳輸介質(zhì)集和記錄設(shè)備的不完善,易在圖像中引入噪聲,采用中值濾波予以消除,中值濾波是一種非線性操作,在降低噪點(diǎn)的同時(shí)可以較好的保留邊緣。而后進(jìn)行圖像銳化增加圖像清晰度,清晰度實(shí)際上是不同顏色之間的對(duì)比度,銳化可以增加沿不同顏色相遇邊緣的對(duì)比度。最后使用直方圖均衡增強(qiáng)圖像對(duì)比度,瀝青混合料中的集料、空隙、砂漿的差異開(kāi)始凸顯,有較好的區(qū)分度。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 原始圖像

3.2 圖像分割

對(duì)于常用的密集配瀝青混合料,集料之間接觸十分緊密、空隙小,閾值選取的不恰當(dāng)經(jīng)常使兩個(gè)相鄰的集料粘結(jié)在一起,無(wú)法達(dá)到分割的目的,易誤將兩個(gè)集料當(dāng)作一個(gè)進(jìn)行處理,會(huì)對(duì)后續(xù)建立數(shù)字模型造成較大影響,圖像分割的目的主要就是將集料完全分割。為此,先對(duì)增強(qiáng)后的圖片進(jìn)行H-Maxima變換,抑制所有大于標(biāo)量值的CT圖像灰度值以消除圖像內(nèi)部集料顆粒像素密度的不均勻性。然后對(duì)圖像進(jìn)行基于分水嶺算法的圖像分割,分水嶺分割方法是一種數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分割方法,其大致思想是將圖像上每一點(diǎn)的灰度值當(dāng)作是該點(diǎn)的海拔高度,從盆地的最低點(diǎn)開(kāi)始注水,并在兩個(gè)盆地的水交接匯集的邊緣線上建立水壩,阻止水流匯集。顯然分水嶺線就是圖像中灰度的極大值點(diǎn),并且其原始的像素被某單一的像素取代。這樣圖像就被分成兩部分,一個(gè)是注水盆地像素集,一個(gè)是分水嶺線像素集,集料之間被完全分割。對(duì)分割后的圖像進(jìn)行二值化處理,可以將集料的完整形態(tài)顯現(xiàn)出來(lái)。并利用軟件獲取瀝青混合料成分的一些基本信息以備后續(xù)建模使用,如集料和空隙的空間位置、集料的形狀和面積、集料的棱角性等,見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 識(shí)別處理后的集料圖像

4 瀝青混合料離散元仿真

離散元方法是研究瀝青混合料微觀界面及力學(xué)性能的重要方法,具備處理非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),易于解決接觸面問(wèn)題,在道路工程數(shù)值模擬領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。瀝青混合料是離散顆粒粘結(jié)而成,采用離散元方法建模十分適合,建模主要分為集料的建模和瀝青砂漿的建模,采用PFC5.0軟件進(jìn)行建模仿真。

4.1 集料的建模

首先創(chuàng)建集料顆粒的形狀模板,將處理后的圖像導(dǎo)入PFC中,利用其內(nèi)置的Bubble Pack填充方法以及Clump塊體生成技術(shù),平衡仿真精度和程序計(jì)算速度以確定填充球體的參數(shù),沿著集料骨架在凸包內(nèi)形成一系列相互重疊的球體顆粒。對(duì)于集料的物理特征如密度、模量、摩擦等參數(shù)需要依據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,再進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。集料是一種均質(zhì)的同性的彈性材料,在建模過(guò)程中采用線性模型來(lái)附加力學(xué)參數(shù),線性模型提供了相互平行的線性組件和摩擦組件,線性組件提供線性彈性摩擦行為,而摩擦組件則提供粘性行為,這兩個(gè)部分作用于一個(gè)很小的區(qū)域,因此只傳遞力的作用。在顆粒的仿真中用generate函數(shù)生成集料顆粒,隨著球單元數(shù)量的增加,顆粒也越來(lái)越接近真實(shí)形狀。在實(shí)踐中,基于精度與效率相結(jié)合的原則,21.6 mm顆粒與2.36 mm顆粒采用不同的形態(tài)精度可以明顯的提高效率。因此,在實(shí)際的仿真中,應(yīng)該將精度、合理性與效率相結(jié)合,采用適宜的精度進(jìn)行力學(xué)仿真。其中粒徑小于2.36 mm的顆粒仿真精度較低,與實(shí)際誤差較大,且極大影響計(jì)算效率,因此采用球體單元ball替代,并調(diào)整顆粒尺寸系數(shù),不斷改變各檔集料顆粒的分布數(shù)量,對(duì)生成后的數(shù)值模型與室內(nèi)試驗(yàn)的試件進(jìn)行比較,若顆粒數(shù)誤差在5%以內(nèi),則仿真精度良好。

4.2 瀝青砂漿的建模

瀝青砂漿是一種粘彈塑性材料,是一種具有粘結(jié)、流變、斷裂等性質(zhì)的材料,對(duì)荷載、溫度、時(shí)間具有敏感性。瀝青混合料在下面層受拉應(yīng)力,中面層受剪應(yīng)力,當(dāng)材料應(yīng)力到達(dá)抗拉或抗剪極限時(shí),材料沿著軟弱面發(fā)生斷裂與破壞。研究基于C++程序、流變學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)理論、道路工程編寫了科學(xué)合理、符合實(shí)際、高效易用的瀝青砂漿Burgers模型。通過(guò)對(duì)Burgers模型的測(cè)試,在多核多線程CPU上的達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行,與官方的內(nèi)置模型相比較,兩者在效率不相伯仲。Burgers模型真實(shí)的描述了道路工程中瀝青砂漿的工程性質(zhì),為系統(tǒng)化、大規(guī)模的仿真試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

瀝青砂漿建模的基本思路是在集料建模的基礎(chǔ)上,利用球體單元ball在試件內(nèi)部全部填充作為砂漿,并根據(jù)clump與ball的接觸關(guān)系,逐一判斷兩者是否重疊,若重疊則刪除新單元,再根據(jù)數(shù)字重構(gòu)階段確定的瀝青混合料空隙的空間位置,將空隙部分刪除,那么剩下的即為瀝青砂漿部分。對(duì)于力學(xué)接觸模型的選擇,瀝青砂漿內(nèi)部單元的接觸以及瀝青砂漿和集料之間的接觸均采用Burgers模型,Burgers模型是通過(guò)Kelvin模型和Maxwell模型在法向和剪切方向串聯(lián)來(lái)模擬蠕變機(jī)制,Kelvin模型是線性彈簧和阻尼組件的并聯(lián)組合,而Maxwell模型是線性彈簧和阻尼組件的串聯(lián)組合。同時(shí),Burgers模型作用于一個(gè)特別小的區(qū)域,因此只傳遞力的作用。

利用伺服機(jī)制對(duì)生成的模型設(shè)置邊界條件,模擬加載狀態(tài),可以用來(lái)模擬瀝青混合料的壓縮試驗(yàn),將利用history命令記錄的仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)字模型可行性,從而進(jìn)一步由瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的探索向宏觀的力學(xué)性能發(fā)展。

5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)瀝青混合料的成分和分布數(shù)據(jù)庫(kù),利用團(tuán)塊邏輯生成骨料骨架,然后在所有瀝青混合料試件范圍內(nèi)生成瀝青砂漿以粘結(jié)骨料。最后,根據(jù)瀝青混合料組成和分布數(shù)據(jù)庫(kù),刪除了瀝青混合料中的空隙,完成了瀝青混合料試件的仿真。同時(shí),進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量校準(zhǔn)測(cè)試以準(zhǔn)確校準(zhǔn)混合物中骨料和瀝青砂漿的機(jī)械性能,見(jiàn)圖5。

圖5 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果比較

6 結(jié) 論

(1)基于工業(yè)CT技術(shù)掃描真實(shí)試件獲得瀝青混合料斷層圖像,盡可能選擇高精度的CT設(shè)備,清晰的原圖像比一套精妙復(fù)雜的圖像處理方法更有效。

(2)圖像在采集過(guò)程中受干擾因素不同, 因此對(duì)圖像的處理方法也不同,應(yīng)結(jié)合噪聲、對(duì)比度等因素綜合考慮處理方法,基于分水嶺算法的形態(tài)學(xué)處理可以除去邊緣的不平滑部分,達(dá)到很好的分割效果。

(3)對(duì)粗顆粒集料的仿真已經(jīng)達(dá)到很高的精度,但是對(duì)于細(xì)顆粒,尤其是粒徑小于2.36 mm的顆粒無(wú)法做到很好的仿真,并且計(jì)算量較大,仿真效率較低。未來(lái)應(yīng)優(yōu)化算法,基于自定義本構(gòu),重新定義單元間的接觸力學(xué)行為,達(dá)到更高的仿真精度,同時(shí)考慮多種環(huán)境狀態(tài)對(duì)材料的影響,從而更準(zhǔn)確的預(yù)估混合料的力學(xué)性能。