CT在沥青混合料三维微观结构的应用简述

（重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074）

CT在沥青混合料三维微观结构的应用简述

梅亮

（重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074）

随着社会的发展，科技的进步。CT也越来越被科研工作者们熟悉，它凭借自身快速，无损，准确等强大的优点，在各个领域都占有一席之地。近几年，道路工程的科研工作者们更加注重研究它在沥青混合料的应用，并且在不断的研究中取得了一定的研究成果。本文介绍了CT在沥青混合料微观结构中的应用，对今后相关研究具有一定借鉴意义。

CT；沥青混合料；微观结构

0 前言

虽然土木工程科研人员现在早已开始慢慢重视CT的运用了，但是目前相关研究还局限在这几类：如直接观测沥青混凝土内部组分的空间分布特征，研究其内部的2D或者3D的体积参数，或者直接分析受力试件的扫描图像的CT数，进行相关的破坏研究。充分地利用CT断层扫描图片，然后得到试件内部微观结构的特征信息，将这些信息导入有限元软件进行一定的数值模拟，并且进行一些经典的力学模拟，而这些模拟实验主要集中在2D尺度下。

所以利用X-ray CT技术的沥青混合料的相关研究，现在还是比较基础的阶段，并没有完全充分的利用CT技术，构建出高质量的3D立体模型。因为目前研究人员对于其他学科的知识，特别是对目前人类最伟大的发明――计算机的融合还不是特别的充分，并且对于历史悠久的传统力学原理并没有进行充分的传承和发扬，所以广大的土木工程科研人员还有许多可以进一步进行研究的空间。

1 三维微观结构的应用

1.1 三维模型的建立

首先要做就是，将二维的图像直接转化为三维图像，许多的研究人员都做出了一定的成果，促使了这方面研究的进展。

段跃华[1]也在探索着如何利用CT进行三维模型的重建，他在文中使用了重合面积法来进行三维的模型的重新构造，研究人员采用了高精度的最新工业CT进行实践扫描，最后在Matlab软件上进行了相关编程，然后使用高效性能的惠普计算机平台进行计算，最后终于实现了三维试件的重新构建。

王聪[2]也在三维重建方向进行了研究，根据体绘制方法，首先利用CT仪扫描沥青混合料内部微观结构的大量特征信息，然后利用Mimics软件将扫描的相关信息进行存储，接着再讲将得到的连续CT无损扫描图像采取一定的措施来处理。最后利用Calculate 3D模块建立三维可视化模型。可视化模型的精度受到CT图像数量、扫描厚度与扫描间距等参数的影响CT图像的具体数目、扫描的层间距将会极大的影响。

1.2 三维下的体积特征

研究人员在三维尺度下的沥青混合料体积特征的研究也取得了一定的可观的成绩。

万成[3]在文中利用了Xray-CT进行扫描。扫描仪主要由放射源和探测器两个部分组成， 如果利用一般的CT进行扫描，由于沥青混凝土试件的密度过大，那么成像一般不清晰，所以研究人员采购了工业CT，并进行了相关扫描。

吴文亮[4]在文章中分析了沥青混合料的内部空隙散布的特点，众所周知，沥青混合料一种极其复杂的复合材料，其内部分布着大大小小的空隙，那么这些空隙必定对其力学性能有着一定的影响。但我们进行沥青混合料的设计的时候，我们一般会采用许多参数来控制质量，但是这些参数仅仅从宏观上来描述，根本没有从微观反应空隙的具体空间散布特点，但是空隙的散布情况对整体的性能有着特别大的影响。如果利用工业CT，就能够在不破坏对象的情况下，对被扫描物体进行探测，然后在计算机内部进行图像处理，定量的测量内部尺寸，和损伤。作者在文中制造了Marshall，其次对生成的试件进行CT无损扫描，最后将扫描图片用VGStudio MAx 2.0进行处理，慢慢地构造了较好质量的3D试件。将沥青混凝土试件当做研究对象，对其周围的暗影进行优化，然后通过大量的计算最后获得了效果较好的分割阈值，然后对扫描得到的每个空隙进行统计分析。

最后通过实验对比，得到结论Marshall方法制造的试件，其面空隙率沿试件纵向不断变化；对于SGC成型的试件，在其中间范围的空隙分布比较的平均；上、中、下面层取芯的试件，三个试件的孔隙率几乎相同，试件的上面都有着最大的面孔隙率。

1.3 数值模拟

数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。总所周知，例如飞机的设计很早以前就开始在计算机上进行模拟实验了，在计算机上面可以清晰的察看机翼上的各种细微变化。并且能够运用计算机计算各种相关的数据。

数值模拟同样可以用来对沥青混合料细微结构在应力作用下的变化进行模拟。万成[5]在文章中写道：为了更好地预测沥青混合料的动态模量，他使用高精度的工业CT无损扫描技术进行沥青混合料试件扫描，随后进行了动态模量相关的数值模拟实验。在三维细观尺度下，研究CT扫描图像，从微观尺度下研究宏观的性能。运用工业CT扫描图像，然后获得微观的特征信息，然后自行研发了程序，一键生成了三维数值模型。设定集料为弹性，沥青胶浆为粘弹性。并采用修正的广义Maxwell模型来进行表征，拟合出Prony级数的剪切松弛模量参数，然后生成有限元的模型。然后设定了和实际实验相同的温度下进行了对应的动态模量数值模拟。最后的实验结果表明：数值模拟能够同实际实验很好的符合，可以利用数值模拟来预测实际。

万蕾[6]在文中研究了离散元数值模拟。人们对数值模拟的结果的精度要求更高了。目前广大的土木研究人员越来越关注离散元在数值模拟中的综合运用了。利用工业CT扫描沥青试件，然后构建了3D离散元几何模型。此文告诉我们，综合使用CT扫描技术和图像数字处理技术，构建三维模型。然后通过自行编写的对应程序，建立了有限元数值模型。最后进行了相应的实验模拟，结果较好。这次尝试对沥青混合料力学性能离散元数值模拟奠定了一定的基础。

2 结语

CT在沥青混凝土的微观尺度的研究已经有很大的进展了，强大的CT扫描技术帮助许多研究人员解决了以往难以解决的问题，并且是无损检测。CT凭借其强大的无损扫描功能，将在未来继续发挥强大的作用：

(1)CT扫描机以后如果随着社会的发展，其价格有所降低的话，那会造福更多的科研机构。如果能够很好的利用CT进行先关的研究，那么实验效率更好，实验准确率会更高，实验方法会更加的丰富。

(2)如果以后CT能配备更加强大的计算机软件，那么在沥青混凝土的级配设计就够更加优化。有好的硬件设施，那下一步就是提供相关的更加强大的配套软件，这样研究人员使用CT技术的时候就不需要花费更多的心思去自行开发先关的软件。

(3)提升CT的性能。如果CT的性能提高，图像更加清晰，计算机进行图片处理后，得到的优化后的图片会更加的符合研究人员实验的需要，最后用此为基础的研究会有更高的准确度。

[1]段跃华. 基于X-ray CT的沥青混合料粗集料基础特性研究[D].华南理工大学,2011.

[2]王聪. 基于CT技术的沥青混合料力学行为及三维重构研究[D].大连海事大学,2012.

[3]万成,张肖宁,王邵怀,吴文亮,吴志勇. 基于X-CT技术的沥青混合料三维数值化试样重建[J]. 公路交通科技,2010,11:33-37+42

[4]吴文亮,王端宜,张肖宁,李智. 基于工业CT技术的沥青混合料内部空隙分布特性[J]. 中南大学学报(自然科学版),2012,06:2343-2348.

[5]万成. 沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟[J]. 交通科技.2006.01.：56-58.

[6]万蕾,范亮平. 沥青混合料三维离散元几何模型重构研究[J]. 低温建筑技术,2016,01:3-5.

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