基于離散元數值仿真技術的瀝青混合料細觀模型可行性研究

朱榮，康愛紅，張垚，支偉棟，朱立

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

瀝青混合料是由集料、 瀝青砂漿和空隙組成的三相復合材料，具有復雜的內部結構。由于集料和瀝青砂漿材料本身的各向異性， 瀝青混合料具有多尺度的特性[1-2]。 瀝青混合料的研究尺度可以分為四個水平，分別為宏觀、 細觀、微觀和納觀[3]。 縱觀傳統室內試驗方法， 通常無法反映瀝青混合料內部結構各組分的空間分布特征， 試驗主要從宏觀尺度對瀝青混合料的整體特性與路用性能進行相關的研究。因此，目前對于瀝青混合料的微細觀結構，尤其是集料分布結構與路面性能之間的關系等方面的研究相對較少[4]。

CT 技術是一種用于獲取試件內部微觀結構的大量連續截面圖像的無損檢測技術。 近年來，該技術作為研究微觀結構與宏觀性能關系的最有效工具之一，已廣泛地用于瀝青混合料的結構表征。 此外，CT 儀器的易損性以及CT 技術流程的復雜性帶來了一系列工程應用的困境。

離散元法適用于非連續、非均勻、大變形等問題的研究，且該方法的特點和基本假設與瀝青混合料的材料性質較為符合，故廣泛應用于道路工程材料的研究工作中，許多研究者[5-8]利用離散元法研究瀝青混合料性能取得了大量研究成果。

在航拍前按照具體要求在測區內布設一定數量的像控點，然后利用無人機獲得測區地面影像數據(帶有POS數據的影像)。然后利用Smart 3D進行空三加密和重建生成模型，獲得測區的3D 模型、DSM和TDOM。接下來使用ArcGIS對DSM進行等高線提取。最后使用南方數碼iData加載3D模型和TDOM進行各種地物、地貌、植被范圍、高程注記點采集，并修改受植被、各種建(構)筑物高度影響的等高線?；胤派傻牡匦螆D進行外業調繪檢查，實地調繪房屋縮檐數據，調查地物、土質、植被屬性和各類名稱注記，最終完成地形圖編輯制作。具體作業流程，見圖1。

綜上所述，在操作與結果等方面，通過離散元法獲取的瀝青混合料模型都更具優勢性。 文章以AC-13 瀝青混合料為例，運用CT 掃描技術獲取真實瀝青混合料模型，為離散元法獲取的瀝青混合料模型提供數值參考，驗證其模型準確性。

1 原材料與配合比設計

1.1 瀝青與礦料

本研究采用成品SBS 改性瀝青（PG76-22），按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 中相關試驗方法對瀝青性能指標進行試驗，集料分別為石灰巖和玄武巖，礦粉為石灰巖礦粉，均滿足相關的規范要求。

1.2 配合比設計

（2）根據計算出的各檔粗細集料體積，使用PFC 2D 軟件通過ball generate 命令在選定計算區域內逐檔生成粗細集料顆粒群，使用ball attribute 命令賦予集料顆粒密度，阻尼參數值和重力等，使用cmat default 命令設置集料顆粒與墻體均為線性剛度模型，使用cycle 命令控制顆粒初步平衡。

表1 AC-13 瀝青混合料設計級配

2 CT 圖像處理及離散元模型

2.1 瀝青混合料CT 模型獲取

2.1.1 CT 掃描

本研究采用西門子CT 機對AC-13 瀝青混合料馬歇爾試件進行CT 掃描。 CT 設備包括幾個部分，為掃描部分、計算機部分和操作控制部分。 西門子CT 機的有效檢測厚度為10 mm，空間分辨率為0.5 mm×0.5 mm，掃描電壓為140 kV。 每6 mm 逐層掃描一次標準成型的馬歇爾試件的橫斷面，將每個試件掃描10 次，獲得瀝青混合料各層的10 幅CT 圖像。

學習研究習近平新時代中國特色社會主義思想，既為“形勢與政策”課教學提供了思想指引，也為其提供了豐富的教學素材。推動這一思想融入“形勢與政策”課教學的重要意義，主要體現在以下三個方面。

運用MATLAB 軟件， 可以對所獲得的切面圖像進行圖像增強， 通過調用Matlab 工具箱中提供的histeq 函數對瀝青混合料CT 圖像進行直方圖均衡化，以均衡圖像各灰度級的比例。然后，通過運用medfilt2 函數來實現中值濾波處理， 有效地濾除脈沖干擾，降低CT 掃描中產生的噪聲，均值濾波模糊掃描圖像細節的問題得以解決。

將AC-13 級配瀝青混合料粗集料表面輪廓轉化為STL 格式模型，并導入PFC 2D 軟件中。 使用PFC 2D 軟件中自帶的clump template 命令， 通過內置算法使用pebble 顆粒填充模型形成clump 顆粒以生成對應的粗集料顆粒模型。 同時，為保持計算機的運算效率以及保證clump 顆粒表面輪廓的準確性，pebble 顆粒的數量應控制在10～20。 重復多次進行以上的過程，可建立粗集料模板庫。

2.2 瀝青混合料離散元模型獲取

2.2.1 粗集料模板庫構建

AC-13 級配瀝青混合料各檔粗集料的照片利用SONY Alpha 6400 相機獲取。 在16～13.2 mm、13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm 的四檔粗集料中各挑選若干顆集料，將其洗凈并放干。 然后，放置工作臺上獲取其照片，照片尺寸為1 024×1 024 像素。

對社區服刑人員的矯正工作需要高素質的工作人員來完成。社區矯正工作人員隊伍除了應包括專職工作人員外，還應廣泛吸納社會志愿者。對于社區矯正專職工作人員，由于他們的知識背景、專業學歷、經驗儲備等方面參差不齊，省市司法局應定期組織開展社區矯正工作培訓活動，豐富他們的專業知識，提升他們的工作能力。對于社會志愿者，省市司法局也應對他們進行必要的崗前培訓，引導志愿者了解社區矯正的工作規范和工作流程。

基于Matlab 軟件編寫程序， 對獲取的AC-13級配瀝青混合料各檔粗集料照片分別進行圖像增強與圖像分割， 進而獲取AC-13 級配瀝青混合料粗集料二維表面輪廓的二值化圖像。

根據獲取的二值化圖像，從集料像素點中篩選出集料輪廓像素點，以粗集料質心為原點建立坐標系， 獲得集料所有輪廓像素點的二維坐標點陣集合，如圖1 所示。

圖1 粗集料輪廓點篩選

最后，進行二值化圖像分割，保留原始圖像的信息，區分礦料與礦料間隙。 本研究使用OTSU 算法進行圖像分割， 該方法又稱作最大類間方差法，是一種自適應的閾值確定方法，通過計算圖像的最佳閾值來區分目標圖像和背景圖像。

2.1.2 CT 圖像處理

使用Image Pro Plus 對瀝青混合料CT 模型和離散元模型的骨架空隙特征參數進行提取，具體步驟包括：①對瀝青混合料CT 模型和離散元模型進行空間校準，確定比例尺；②在瀝青混合料CT 模型中選取代表骨架空隙的綠色像素，在瀝青混合料離散元模型中選取代表骨架空隙的紅色像素；③選擇需要測量的骨架空隙特征參數，分別為骨架空隙最短軸、骨架空隙最長軸、骨架空隙平均軸；④點擊計算并對計算結果進行修正，主要為圖像邊緣黏連部分進行分離，手動增加自動識別遺漏的選擇對象以及對圖像中像素模糊的小顆粒進行合并與剔除；⑤導出骨架空隙最短軸，骨架空隙最長軸，骨架空隙平均軸數據。

五四時期，中國的各派軍閥依靠不同的帝國主義列強不斷混戰，社會亟需一次徹底的革命，推翻腐朽倒退的軍閥暴政，而不是進行漸進緩慢的社會改良，馬克思主義主張采取革命斗爭的方式對社會進行徹底的改造，重建一個全新的公平社會，因為自近代以來的屢次改良沒能使既存政治系統煥發活力，反而貽誤了一次又一次融入世界現代化潮流的歷史機遇，馬克思主義的出現，為中國社會指明了前行的道路，特別是蘇俄十月革命的勝利，讓探索中的仁人志士看到了中國革命的曙光，中國共產黨在馬克思主義指引下，開始了中國化的實踐歷程，成為中國革命的中流砥柱，馬克思主義的影響也因此不斷擴大，傳播力不斷增強。

⑧Helen Nissenbaum，“Privacy as Contextual Integrity”，Washington Law Review，79(1)，2004，pp．119 ～158．

利用AC-13 級配瀝青混合料各檔集料顆粒體積生成瀝青混合料礦料的分布模型，具體生成過程如下：

粗細集料各檔粒徑為D1，D2，D3，…，Dn，各檔通過率依次為100%，PD2，PD3，…，PDn，根據各參數結果可計算出各檔粗細集料的體積如表2 所示。

表2 各檔集料體積

依據配合比設計的結果， 計算各檔粗細集料體積和礦料間隙率。粗集料顆粒粒徑為2.36～16 mm，細集料顆粒粒徑為0.075～2.36 mm， 瀝青密度ρa=1.038 g/cm3，粗細集料密度ρb=2.7 g/cm3，瀝青混合料試件總體積為V=15 000 mm3， 設計空隙率VV=4%，粗細集料體積為v，最佳油石比α=4.8%。 則礦料間隙率為除粗細集料以外部分占試件的比例見式（1）。

（1）定義計算區域及生成墻體，在進行數值模擬計算前需先定義計算區域，再使用wall generate命令在區域邊界生成墻體，賦予墻體剛度，墻體尺寸為100 mm×150 mm。

依據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》進行AC-13 瀝青混合料的級配設計，確定其最佳油石比為4.8%，AC-13 瀝青混合料設計級配見表1。

（1）提出了一種將電子數據存證與區塊鏈技術相結合的系統，電子數據的存證用于對各類數據的存儲和驗證，區塊鏈技術用于對獲取到的電子數據進行固定保存。

（3）從粗集料模板庫中隨機取出集料模板，編寫fish 函數，利用不規則集料clump 顆粒隨機取代球形ball 集料， 使用clump attribute 命令賦予集料顆粒密度、阻尼參數值和重力等，使用cmat default 命令設置集料顆粒與墻體均為線性剛度模型，再次運用cycle 命令使生成的粗集料顆粒與細集料顆?；ゲ恢丿B， 最終生成AC-13 級配瀝青混合料離散元模型。

3 骨架空隙特征參數識別驗證

3.1 骨架空隙特征參數識別

2.2.2 AC-13 級配瀝青混合料離散元細觀模型的生成

3.2 骨架空隙特征參數對比分析

提取獲得的骨架空隙最長軸、 骨架空隙最短軸、骨架空隙平均軸，統計其在區間(0，1)、[1，2)、[2，3)、……、[n-1，n)的數量，i 為1～n 的整數，根據骨架空隙參數的分布，由于三種參數在9 mm 以上的分布較少，故n 取9。 骨架空隙最長軸、最短軸、平均軸三種骨架空隙參數的數量分布頻次依次如圖2 所示。

圖2 瀝青混合料骨架空隙特征參數數量頻次分布

由圖2 可知，AC-13 瀝青混合料的骨架空隙最長軸基本服從正態分布， 其中4～5 mm 最多，約占20%；AC-13 瀝青混合料的骨架空隙最短軸基本服從正態分布， 其中2～3 mm 最多， 約占20%；AC-13 瀝青混合料的骨架平均最長軸分布較平均，其中2～3 mm、5～7 mm 較多，約占14%。 依次對比瀝青混合料CT 模型和瀝青混合料離散元模型中提取的骨架空隙最長軸、最短軸、平均軸分布，發現其數值基本擬合，說明瀝青混合料離散元模型對骨架空隙最長軸、最短軸、平均軸均取得較良好的識別效果且誤差較小。

4 結論

（1）通過CT 掃描技術獲取瀝青混合料切面圖像， 利用MATLAB 完成對瀝青混合料初始試件的二值化處理，將骨料和礦料間隙區別開來，得到瀝青混合料CT 模型，并提取其骨架空隙特征參數。

第五，“南海核心利益說”是中國對當時世界實力格局變化認識的產物。國際金融危機背景下的大國實力格局發展出現有利于中國的重大變化。中國意識到：中國實力發展及其國際影響的確大幅接近美國，正處在GDP超過日本并將大幅超過日本等國的關鍵階段，中國發展正取得重大進展。這種現實及趨勢符合學術界一直討論的全球權力重心正處在由大西洋向亞太轉移的觀點。鑒于當時美國受金融危機打擊較重且深陷伊拉克、阿富汗事務，美國和中國間的美國相對衰落、中國相對增強觀念對中國影響較大，中國開始在一系列問題上力圖通過下先手棋為自己贏得更多的利益和機會。[17]

（2）通過圖像處理技術，獲取基于真實粗集料輪廓的瀝青混合料粗集料clump 模板，并建立瀝青混合料粗集料clump 模板庫。

大豆分離蛋白會對肉制品的風味、色差產生重要影響，有很強的功能性，它可以降低水和油的表面張力，有很強的保水能力，有利于薏米雞肉餅的狀態穩定。適當添加大豆分離蛋白，能夠起到調節口感風味的作用；如果用量偏大，則會導致薏米雞肉餅質地偏硬。所以，大豆分離蛋白的用量一定要控制好。根據試驗結果，確定大豆分離蛋白的添加量為10.0%左右最為合適。

（3）通過PFC 2D 軟件編寫程序，基于瀝青混合料粗集料模板庫生成瀝青混合料離散元模型,并提取其骨架空隙特征參數。

（4）對比驗證空隙特征參數發現瀝青混合料離散元模型對骨架空隙特征參數取得了較為良好的識別效果且誤差較小。