瀝青混合料數(shù)字化仿真研究

林 超

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

1 引 言

以往對瀝青混合料的研究大都局限于基于現(xiàn)象學(xué)的經(jīng)驗方法,主要研究其宏觀性能和物理特性,但由于實際應(yīng)用中的種種因素影響,現(xiàn)行的材料設(shè)計體系并不準確,與按使用性能設(shè)計材料之間仍有較大差距。近年來,隨著CT成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、離散元等多項技術(shù)的發(fā)展,使研究可以向材料結(jié)構(gòu)的微觀世界擴展,對瀝青混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)組成及性質(zhì)研究逐步加深。學(xué)者通過瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系,對應(yīng)力張量及應(yīng)變張量進行研究,并運用力學(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,國內(nèi)外越來越多的學(xué)者將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料的研究。在對瀝青混合料進行微觀探索和研究后,優(yōu)化過程中通常存在兩個問題。一種是對瀝青混合料實際成分的鑒定和表征,另一種是相對有限的試驗和監(jiān)測瀝青混合料的手段。對于前者,通常使用CT無損檢測和圖像處理技術(shù)。對于后者,通過數(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,驗證了數(shù)值模型與實驗室試驗的一致性。在2016年Vinotini使用高通算子H-Maxima優(yōu)化了圖像分割的細節(jié),可以更好地分離兩個聚合圖像并獲得更高的精度。目前,通過瀝青混合料的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,模型過于簡化,環(huán)境狀態(tài)模擬受限,與實際瀝青混合料的偏差較大[5-9]。這些模型模擬的實驗無法獲得準確的數(shù)值,這限制了瀝青混合料的進一步研究。

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,且過于簡化,環(huán)境狀態(tài)模擬較局限,與瀝青混合料實際偏離較大[10-12]。研究中,使用X射線CT技術(shù)掃描真實樣本,并輔以MATLAB和離散元程序來提供圖像處理和建模方法。然后在此模型的基礎(chǔ)上,通過瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系,可以研究應(yīng)力張量和應(yīng)變張量,并可以通過力學(xué)方法定量預(yù)測混合物的力學(xué)性能,以便準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是電子計算機斷層掃描,它是利用精確的射線或聲波等,與靈敏度極高的探測器結(jié)合進行斷面掃描。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,對于瀝青混合料的微觀研究也起到了重要作用。現(xiàn)常采用的X-ray CT成像技術(shù)具有強大的輻射能力,可獲取高分辨率圖像,且具有無損檢測等優(yōu)點。

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

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)壓實成型方式的成像質(zhì)量優(yōu)于馬歇爾擊實成型方式。因而采用旋轉(zhuǎn)壓實方法成型試件,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程中,難免會受到光源強度不均、機器老化、環(huán)境振動、固有噪聲等干擾導(dǎo)致圖像識別困難。數(shù)字圖像在計算機中抽象為一系列像素點,每一個像素點對應(yīng)一個灰度值,不同密度的物質(zhì)經(jīng)過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圖像進行增強和分割等操作。

3.1 圖像增強

先基于Otsu算法計算全局圖像閾值,用閾值將灰度轉(zhuǎn)換為二進制圖像以作為mask掩碼,將原始圖片經(jīng)過掩碼操作除去異物,僅保留瀝青混合料圖像,作為下一步圖像增強的對象。在圖像獲取過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傳輸過程中由于傳輸介質(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,在降低噪點的同時可以較好的保留邊緣。而后進行圖像銳化增加圖像清晰度,清晰度實際上是不同顏色之間的對比度,銳化可以增加沿不同顏色相遇邊緣的對比度。最后使用直方圖均衡增強圖像對比度,瀝青混合料中的集料、空隙、砂漿的差異開始凸顯,有較好的區(qū)分度。見圖1、圖2。

圖1 原始圖像

3.2 圖像分割

對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)常使兩個相鄰的集料粘結(jié)在一起,無法達到分割的目的,易誤將兩個集料當(dāng)作一個進行處理,會對后續(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,先對增強后的圖片進行H-Maxima變換,抑制所有大于標量值的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。然后對圖像進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的灰度值當(dāng)作是該點的海拔高度,從盆地的最低點開始注水,并在兩個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,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,一個是注水盆地像素集,一個是分水嶺線像素集,集料之間被完全分割。對分割后的圖像進行二值化處理,可以將集料的完整形態(tài)顯現(xiàn)出來。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,見圖3、圖4。

圖3 識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)問題的獨特優(yōu)勢,易于解決接觸面問題,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)真實實驗測定,再進行參數(shù)標定。集料是一種均質(zhì)的同性的彈性材料,在建模過程中采用線性模型來附加力學(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,這兩個部分作用于一個很小的區(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,顆粒也越來越接近真實形狀。在實踐中,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,與實際誤差較大,且極大影響計算效率,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,對生成后的數(shù)值模型與室內(nèi)試驗的試件進行比較,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,對荷載、溫度、時間具有敏感性。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)力到達抗拉或抗剪極限時,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)、機械振動理論、道路工程編寫了科學(xué)合理、符合實際、高效易用的瀝青砂漿Burgers模型。通過對Burgers模型的測試,在多核多線程CPU上的達到了滿負荷運行,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Kelvin模型和Maxwell模型在法向和剪切方向串聯(lián)來模擬蠕變機制,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,Burgers模型作用于一個特別小的區(qū)域,因此只傳遞力的作用。

利用伺服機制對生成的模型設(shè)置邊界條件,模擬加載狀態(tài),可以用來模擬瀝青混合料的壓縮試驗,將利用history命令記錄的仿真過程中的數(shù)據(jù)結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比,驗證數(shù)字模型可行性,從而進一步由瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)的探索向宏觀的力學(xué)性能發(fā)展。

5 試驗結(jié)果

根據(jù)瀝青混合料的成分和分布數(shù)據(jù)庫,利用團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,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,進行動態(tài)模量校準測試以準確校準混合物中骨料和瀝青砂漿的機械性能,見圖5。

圖5 仿真結(jié)果與測試結(jié)果比較

6 結(jié) 論

(1)基于工業(yè)CT技術(shù)掃描真實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)圖像在采集過程中受干擾因素不同, 因此對圖像的處理方法也不同,應(yīng)結(jié)合噪聲、對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,達到很好的分割效果。

(3)對粗顆粒集料的仿真已經(jīng)達到很高的精度,但是對于細顆粒,尤其是粒徑小于2.36 mm的顆粒無法做到很好的仿真,并且計算量較大,仿真效率較低。未來應(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,達到更高的仿真精度,同時考慮多種環(huán)境狀態(tài)對材料的影響,從而更準確的預(yù)估混合料的力學(xué)性能。