基于離散元數(shù)值仿真技術(shù)的瀝青混合料細(xì)觀模型可行性研究

朱榮，康愛(ài)紅，張垚，支偉棟，朱立

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)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(fù)合材料，具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。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(gè)水平，分別為宏觀、 細(xì)觀、微觀和納觀[3]。 縱觀傳統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)方法， 通常無(wú)法反映瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)各組分的空間分布特征， 試驗(yàn)主要從宏觀尺度對(duì)瀝青混合料的整體特性與路用性能進(jìn)行相關(guān)的研究。因此，目前對(duì)于瀝青混合料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，尤其是集料分布結(jié)構(gòu)與路面性能之間的關(guān)系等方面的研究相對(duì)較少[4]。

CT 技術(shù)是一種用于獲取試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的大量連續(xù)截面圖像的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 近年來(lái)，該技術(shù)作為研究微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系的最有效工具之一，已廣泛地用于瀝青混合料的結(jié)構(gòu)表征。 此外，CT 儀器的易損性以及CT 技術(shù)流程的復(fù)雜性帶來(lái)了一系列工程應(yīng)用的困境。

離散元法適用于非連續(xù)、非均勻、大變形等問(wèn)題的研究，且該方法的特點(diǎn)和基本假設(shè)與瀝青混合料的材料性質(zhì)較為符合，故廣泛應(yīng)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(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)，然后利用無(wú)人機(jī)獲得測(cè)區(qū)地面影像數(shù)據(jù)(帶有POS數(shù)據(jù)的影像)。然后利用Smart 3D進(jìn)行空三加密和重建生成模型，獲得測(cè)區(qū)的3D 模型、DSM和TDOM。接下來(lái)使用ArcGIS對(duì)DSM進(jìn)行等高線提取。最后使用南方數(shù)碼iData加載3D模型和TDOM進(jìn)行各種地物、地貌、植被范圍、高程注記點(diǎn)采集，并修改受植被、各種建(構(gòu))筑物高度影響的等高線?；胤派傻牡匦螆D進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪檢查，實(shí)地調(diào)繪房屋縮檐數(shù)據(jù)，調(diào)查地物、土質(zhì)、植被屬性和各類(lèi)名稱(chēng)注記，最終完成地形圖編輯制作。具體作業(yè)流程，見(jiàn)圖1。

綜上所述，在操作與結(jié)果等方面，通過(guò)離散元法獲取的瀝青混合料模型都更具優(yōu)勢(shì)性。 文章以AC-13 瀝青混合料為例，運(yùn)用CT 掃描技術(shù)獲取真實(shí)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(shù)值參考，驗(yàn)證其模型準(zhǔn)確性。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青與礦料

本研究采用成品SBS 改性瀝青（PG76-22），按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 中相關(guān)試驗(yàn)方法對(duì)瀝青性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，集料分別為石灰?guī)r和玄武巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，均滿(mǎn)足相關(guān)的規(guī)范要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

（2）根據(jù)計(jì)算出的各檔粗細(xì)集料體積，使用PFC 2D 軟件通過(guò)ball generate 命令在選定計(jì)算區(qū)域內(nèi)逐檔生成粗細(xì)集料顆粒群，使用ball attribute 命令賦予集料顆粒密度，阻尼參數(shù)值和重力等，使用cmat default 命令設(shè)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(shè)計(jì)級(jí)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(mén)子CT 機(jī)對(duì)AC-13 瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行CT 掃描。 CT 設(shè)備包括幾個(gè)部分，為掃描部分、計(jì)算機(jī)部分和操作控制部分。 西門(mén)子CT 機(jī)的有效檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)成型的馬歇爾試件的橫斷面，將每個(gè)試件掃描10 次，獲得瀝青混合料各層的10 幅CT 圖像。

學(xué)習(xí)研究習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想，既為“形勢(shì)與政策”課教學(xué)提供了思想指引，也為其提供了豐富的教學(xué)素材。推動(dòng)這一思想融入“形勢(shì)與政策”課教學(xué)的重要意義，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

運(yùn)用MATLAB 軟件， 可以對(duì)所獲得的切面圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)， 通過(guò)調(diào)用Matlab 工具箱中提供的histeq 函數(shù)對(duì)瀝青混合料CT 圖像進(jìn)行直方圖均衡化，以均衡圖像各灰度級(jí)的比例。然后，通過(guò)運(yùn)用medfilt2 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)中值濾波處理， 有效地濾除脈沖干擾，降低CT 掃描中產(chǎn)生的噪聲，均值濾波模糊掃描圖像細(xì)節(jié)的問(wèn)題得以解決。

將AC-13 級(jí)配瀝青混合料粗集料表面輪廓轉(zhuǎn)化為STL 格式模型，并導(dǎo)入PFC 2D 軟件中。 使用PFC 2D 軟件中自帶的clump template 命令， 通過(guò)內(nèi)置算法使用pebble 顆粒填充模型形成clump 顆粒以生成對(duì)應(yīng)的粗集料顆粒模型。 同時(shí)，為保持計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率以及保證clump 顆粒表面輪廓的準(zhǔn)確性，pebble 顆粒的數(shù)量應(yīng)控制在10～20。 重復(fù)多次進(jìn)行以上的過(guò)程，可建立粗集料模板庫(kù)。

2.2 瀝青混合料離散元模型獲取

2.2.1 粗集料模板庫(kù)構(gòu)建

AC-13 級(jí)配瀝青混合料各檔粗集料的照片利用SONY Alpha 6400 相機(jī)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(tái)上獲取其照片，照片尺寸為1 024×1 024 像素。

對(duì)社區(qū)服刑人員的矯正工作需要高素質(zhì)的工作人員來(lái)完成。社區(qū)矯正工作人員隊(duì)伍除了應(yīng)包括專(zhuān)職工作人員外，還應(yīng)廣泛吸納社會(huì)志愿者。對(duì)于社區(qū)矯正專(zhuān)職工作人員，由于他們的知識(shí)背景、專(zhuān)業(yè)學(xué)歷、經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備等方面參差不齊，省市司法局應(yīng)定期組織開(kāi)展社區(qū)矯正工作培訓(xùn)活動(dòng)，豐富他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提升他們的工作能力。對(duì)于社會(huì)志愿者，省市司法局也應(yīng)對(duì)他們進(jìn)行必要的崗前培訓(xùn)，引導(dǎo)志愿者了解社區(qū)矯正的工作規(guī)范和工作流程。

基于Matlab 軟件編寫(xiě)程序， 對(duì)獲取的AC-13級(jí)配瀝青混合料各檔粗集料照片分別進(jìn)行圖像增強(qiáng)與圖像分割， 進(jìn)而獲取AC-13 級(jí)配瀝青混合料粗集料二維表面輪廓的二值化圖像。

根據(jù)獲取的二值化圖像，從集料像素點(diǎn)中篩選出集料輪廓像素點(diǎn)，以粗集料質(zhì)心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系， 獲得集料所有輪廓像素點(diǎn)的二維坐標(biāo)點(diǎn)陣集合，如圖1 所示。

圖1 粗集料輪廓點(diǎn)篩選

最后，進(jìn)行二值化圖像分割，保留原始圖像的信息，區(qū)分礦料與礦料間隙。 本研究使用OTSU 算法進(jìn)行圖像分割， 該方法又稱(chēng)作最大類(lèi)間方差法，是一種自適應(yīng)的閾值確定方法，通過(guò)計(jì)算圖像的最佳閾值來(lái)區(qū)分目標(biāo)圖像和背景圖像。

2.1.2 CT 圖像處理

使用Image Pro Plus 對(duì)瀝青混合料CT 模型和離散元模型的骨架空隙特征參數(shù)進(jìn)行提取，具體步驟包括：①對(duì)瀝青混合料CT 模型和離散元模型進(jìn)行空間校準(zhǔn)，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(cè)量的骨架空隙特征參數(shù)，分別為骨架空隙最短軸、骨架空隙最長(zhǎng)軸、骨架空隙平均軸；④點(diǎn)擊計(jì)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，主要為圖像邊緣黏連部分進(jìn)行分離，手動(dòng)增加自動(dòng)識(shí)別遺漏的選擇對(duì)象以及對(duì)圖像中像素模糊的小顆粒進(jìn)行合并與剔除；⑤導(dǎo)出骨架空隙最短軸，骨架空隙最長(zhǎng)軸，骨架空隙平均軸數(shù)據(jù)。

五四時(shí)期，中國(guó)的各派軍閥依靠不同的帝國(guó)主義列強(qiáng)不斷混戰(zhàn)，社會(huì)亟需一次徹底的革命，推翻腐朽倒退的軍閥暴政，而不是進(jìn)行漸進(jìn)緩慢的社會(huì)改良，馬克思主義主張采取革命斗爭(zhēng)的方式對(duì)社會(huì)進(jìn)行徹底的改造，重建一個(gè)全新的公平社會(huì)，因?yàn)樽越詠?lái)的屢次改良沒(méi)能使既存政治系統(tǒng)煥發(fā)活力，反而貽誤了一次又一次融入世界現(xiàn)代化潮流的歷史機(jī)遇，馬克思主義的出現(xiàn)，為中國(guó)社會(huì)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(guó)革命的曙光，中國(guó)共產(chǎn)黨在馬克思主義指引下，開(kāi)始了中國(guó)化的實(shí)踐歷程，成為中國(guó)革命的中流砥柱，馬克思主義的影響也因此不斷擴(kuò)大，傳播力不斷增強(qiáng)。

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

利用AC-13 級(jí)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(guò)程如下：

粗細(xì)集料各檔粒徑為D1，D2，D3，…，Dn，各檔通過(guò)率依次為100%，PD2，PD3，…，PDn，根據(jù)各參數(shù)結(jié)果可計(jì)算出各檔粗細(xì)集料的體積如表2 所示。

表2 各檔集料體積

依據(jù)配合比設(shè)計(jì)的結(jié)果， 計(jì)算各檔粗細(xì)集料體積和礦料間隙率。粗集料顆粒粒徑為2.36～16 mm，細(xì)集料顆粒粒徑為0.075～2.36 mm， 瀝青密度ρa(bǔ)=1.038 g/cm3，粗細(xì)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(shè)計(jì)空隙率VV=4%，粗細(xì)集料體積為v，最佳油石比α=4.8%。 則礦料間隙率為除粗細(xì)集料以外部分占試件的比例見(jiàn)式（1）。

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

依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行AC-13 瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)，確定其最佳油石比為4.8%，AC-13 瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表1。

（1）提出了一種將電子數(shù)據(jù)存證與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，電子數(shù)據(jù)的存證用于對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和驗(yàn)證，區(qū)塊鏈技術(shù)用于對(duì)獲取到的電子數(shù)據(jù)進(jìn)行固定保存。

（3）從粗集料模板庫(kù)中隨機(jī)取出集料模板，編寫(xiě)fish 函數(shù)，利用不規(guī)則集料clump 顆粒隨機(jī)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(shù)值和重力等，使用cmat default 命令設(shè)置集料顆粒與墻體均為線性剛度模型，再次運(yùn)用cycle 命令使生成的粗集料顆粒與細(xì)集料顆粒互不重疊， 最終生成AC-13 級(jí)配瀝青混合料離散元模型。

3 骨架空隙特征參數(shù)識(shí)別驗(yàn)證

3.1 骨架空隙特征參數(shù)識(shí)別

2.2.2 AC-13 級(jí)配瀝青混合料離散元細(xì)觀模型的生成

3.2 骨架空隙特征參數(shù)對(duì)比分析

提取獲得的骨架空隙最長(zhǎng)軸、 骨架空隙最短軸、骨架空隙平均軸，統(tǒng)計(jì)其在區(qū)間(0，1)、[1，2)、[2，3)、……、[n-1，n)的數(shù)量，i 為1～n 的整數(shù)，根據(jù)骨架空隙參數(shù)的分布，由于三種參數(shù)在9 mm 以上的分布較少，故n 取9。 骨架空隙最長(zhǎng)軸、最短軸、平均軸三種骨架空隙參數(shù)的數(shù)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(shù)數(shù)量頻次分布

由圖2 可知，AC-13 瀝青混合料的骨架空隙最長(zhǎng)軸基本服從正態(tài)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(tài)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(zhǎng)軸分布較平均，其中2～3 mm、5～7 mm 較多，約占14%。 依次對(duì)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(zhǎng)軸、最短軸、平均軸分布，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值基本擬合，說(shuō)明瀝青混合料離散元模型對(duì)骨架空隙最長(zhǎng)軸、最短軸、平均軸均取得較良好的識(shí)別效果且誤差較小。

4 結(jié)論

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

第五，“南海核心利益說(shuō)”是中國(guó)對(duì)當(dāng)時(shí)世界實(shí)力格局變化認(rèn)識(shí)的產(chǎn)物。國(guó)際金融危機(jī)背景下的大國(guó)實(shí)力格局發(fā)展出現(xiàn)有利于中國(guó)的重大變化。中國(guó)意識(shí)到：中國(guó)實(shí)力發(fā)展及其國(guó)際影響的確大幅接近美國(guó)，正處在GDP超過(guò)日本并將大幅超過(guò)日本等國(guó)的關(guān)鍵階段，中國(guó)發(fā)展正取得重大進(jìn)展。這種現(xiàn)實(shí)及趨勢(shì)符合學(xué)術(shù)界一直討論的全球權(quán)力重心正處在由大西洋向亞太轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)。鑒于當(dāng)時(shí)美國(guó)受金融危機(jī)打擊較重且深陷伊拉克、阿富汗事務(wù)，美國(guó)和中國(guó)間的美國(guó)相對(duì)衰落、中國(guó)相對(duì)增強(qiáng)觀念對(duì)中國(guó)影響較大，中國(guó)開(kāi)始在一系列問(wèn)題上力圖通過(guò)下先手棋為自己贏得更多的利益和機(jī)會(huì)。[17]

（2）通過(guò)圖像處理技術(shù)，獲取基于真實(shí)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(kù)。

大豆分離蛋白會(huì)對(duì)肉制品的風(fēng)味、色差產(chǎn)生重要影響，有很強(qiáng)的功能性，它可以降低水和油的表面張力，有很強(qiáng)的保水能力，有利于薏米雞肉餅的狀態(tài)穩(wěn)定。適當(dāng)添加大豆分離蛋白，能夠起到調(diào)節(jié)口感風(fēng)味的作用；如果用量偏大，則會(huì)導(dǎo)致薏米雞肉餅質(zhì)地偏硬。所以，大豆分離蛋白的用量一定要控制好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(guò)PFC 2D 軟件編寫(xiě)程序，基于瀝青混合料粗集料模板庫(kù)生成瀝青混合料離散元模型,并提取其骨架空隙特征參數(shù)。

（4）對(duì)比驗(yàn)證空隙特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)瀝青混合料離散元模型對(duì)骨架空隙特征參數(shù)取得了較為良好的識(shí)別效果且誤差較小。