基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于集料‑砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，该方法包括细观结构建模、界面断裂规律分析与损伤预测模型三部分，细观结构建模利用X‑Ray CT设备建立不同集料颗粒的空间细观结构模型，结合粘弹性材料本构与断裂能参数计算集料‑砂浆界面断裂状况；界面断裂规律分析根据数值计算结果，提取断裂耗散能作为界面断裂行为的评价指标，并计算对应集料的四项空间参数：体积、表面积、球形度与三维分形值；损伤预测模型以集料四项空间参数作为输入值，断裂耗散能作为输出值，建立集料空间参数与损伤状况的预测关系。本发明专利技术相对传统沥青混凝土损伤预测方法，考虑了其本质是集料颗粒引起的界面断裂，显著地提高了损伤预测的有效性。

Damage prediction method of asphalt concrete based on interfacial fracture law of aggregate-mortar

The invention discloses an asphalt concrete damage prediction method based on the interfacial fracture law of aggregate-mortar. The method includes three parts: meso-structure modeling, interfacial fracture law analysis and damage prediction model. The meso-structure modeling uses X Ray CT equipment to establish spatial meso-structure model of different aggregate particles, and calculates aggregate by combining the constitutive and fracture energy parameters of viscoelastic materials. 108 The relationship between spatial parameters and damage status is predicted. Compared with the traditional asphalt concrete damage prediction method, the present invention considers that the essence of the damage prediction method is the interface fracture caused by aggregate particles, and remarkably improves the effectiveness of the damage prediction.

【技术实现步骤摘要】
基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法
本专利技术属于沥青混凝土损伤预测研究领域，尤其涉及一种基于沥青混凝土CT图像的细观结构重构与损伤预测技术。
技术介绍
沥青混凝土是由集料颗粒、矿粉与沥青材料按照比例混合而成的土木工程材料，其广泛地应用于市政道路与高速公路工程的建设中，为我国社会经济的发展提供了重要基础。然而，沥青混凝土在使用过程中逐渐出现病害损伤，对道路基础设施的耐久性与安全性产生不利影响。因此，为评估沥青混凝土在荷载作用下可能出现的损伤状况，需要建立其有效的损伤预测技术，为材料与结构设计的优化提供参考。沥青混凝土结构损伤的预测是道路工程研究领域的重点，也是长期存在的难点。由于沥青混凝土内部存在不同形貌的的集料颗粒，而不同形貌的集料颗粒体对损伤产生随机性的影响，特别是在集料-砂浆界面由于应力集中现象的不可预见性，往往难以有效地判断界面薄弱部位的损伤状况。现阶段对沥青混凝土损伤领域的研究已经从宏观大尺度向微观小尺度进行转变，建立了多种适用于损伤评价的细观结构模型，如中国专利技术专利“基于沥青路面试件X-rayCT图像的集料细观实体模型重构方法CN201510197932.4”，但并未有效地开展沥青混凝土结构损伤及其预测的研究。另一方面，集料与砂浆间界面的损伤是造成沥青混凝土损伤的关键，如何有效地建立界面损伤的评价技术是开展沥青混凝土损伤预测的重要基础。进一步地，传统数值计算耗费大量的人力物力，因此开展集料与砂浆界面损伤规律研究，构建集料特征与界面损伤关系数据库是预测沥青混凝土在荷载作用下损伤状况的有效途径。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上现状与存在的问题，本专利技术提出一种基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，本专利技术建立了不同集料颗粒与砂浆间界面损伤行为的模拟方法，并结合BP神经网络模型搭建了基于集料特征的界面损伤预测技术，该方法解决了以往损伤预测存在的重复计算问题，可根据拟制备沥青混凝土的集料颗粒原材料特征评估可能出现的损伤状况。为了实现上述技术目的，本发买采用如下技术方案：一种基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，该方法包括以下步骤：S1、细观结构建模利用X-RayCT设备建立不同集料颗粒的空间细观结构模型，结合粘弹性材料本构与断裂能参数计算集料-砂浆界面断裂状况；S2、界面断裂规律分析根据步骤S1得到的不同集料颗粒的空间细观结构模型以及集料-砂浆界面断裂状况获取集料-砂浆界面断裂耗散能，提取所述集料-砂浆界面断裂耗散能作为界面断裂行为的评价指标，并计算对应集料的四项空间参数：体积、表面积、球形度与三维分形值；S3、损伤预测模型以集料四项空间参数作为输入值，断裂耗散能作为输出值，建立集料空间参数与损伤状况的预测模型。步骤S1具体包括如下子步骤：S1.1、选取多个集料颗粒作为统计对象，采用X-RayCT设备对所有集料颗粒进行扫描，获取集料颗粒的断层扫描图像数据；S1.2、根据步骤S1.1所得的各集料颗粒断层扫描图像数据，通过图像处理技术建立各集料颗粒的空间细观结构模型。步骤S2具体是：根据步骤S1.2所得集料颗粒的空间细观结构模型，一方面进行空间图像分析，计算集料颗粒的四项空间参数：体积，表面积，球形度与三维分形维数，另一方面采用数值软件模拟集料-砂浆界面断裂行为，并获取界面断裂耗散能指标。步骤S3具体包括以下子步骤：S3.1、以集料颗粒四项空间参数为输入端数据，对应的断裂耗散能指标为输出端数据，建立基于BP算法的神经网络模型，训练得出四项空间参数与断裂耗散能间的预测关系；S3.2、根据步骤S3.1所得预测关系，依据沥青混凝土集料特征开展损伤状况预测。步骤S1中，选取集料颗粒的粒径范围为2.36mm～16mm，颗粒数量大于200颗，以确保足够的样本数；所选取的集料颗粒放置于多层格状模具中，并通过X-RayCT进行扫描，扫描分辨率为10μm～100μm，扫描间距为0.1mm～0.2mm。所述步骤S1中，采用MATLAB软件编写具备批量处理功能的集料颗粒识别与提取程序，通过MATLAB函数im2bw对集料颗粒的断层扫描图像进行二值化处理，建立不同集料颗粒的空间结构模型。所述步骤S2中，采用MATLAB软件根据集料颗粒二值图像的像素数与扫描间距，结合图像分辨率尺寸可计算集料颗粒的体积与表面积，进一步地，可由体积与表面积经过公式换算得到集料颗粒的球形度；通过MATLAB软件编写集料颗粒的三维分形维数计算程序，三维分形维数计算的网格尺寸范围为1倍分辨率～100倍分辨率间，通过上述过程获得集料颗粒的四项空间参数。所述步骤S2中集料颗粒引起的所述的界面断裂耗散能指标具体通过如下方法获得：采用ABAQUS有限元软件建立直径5cm～10cm，高5cm～10cm的圆柱体，选取任意单独集料颗粒导入该圆柱体，确保两者质心重合；通过布尔操作在该圆柱体中切割与集料颗粒完全相同的内腔，并将集料颗粒外表面与内腔表面以内聚力行为设置接触界面；接触界面采用粘弹性材料本构，并通过设置断裂能参数实现接触界面的损伤模拟；圆柱体与集料颗粒均采用C3D8单元划分网格，尺寸为0.1mm～0.5mm，圆柱体底部施加完全固定的边界条件，顶部设置恒定速率的下压力，速率控制为1mm/s～2mm/s。所述步骤S3中，采用MATLAB编译基于BP算法的神经网络模型，选取所有集料颗粒的四项空间参数为输入端数据，对应的断裂耗散能指标作为输出端数据，通过基于BP算法神经网络模型的训练得到基于空间参数的断裂耗散能的预测模型。所述步骤S3.2中，针对某类型的沥青混凝土结构，根据设计级配比例配置混凝土材料并成型试验试件，经过X-RayCT扫描后确定试件内部各集料颗粒的四项空间参数，并由神经网络预测模型确定所有集料颗粒可能造成的累积断裂耗散能，通过累积断裂耗散能对沥青混凝土的易损伤性能进行评估。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：(1)本专利技术建立了一种基于集料颗粒特征的沥青混凝土损伤预测方法，为沥青混凝土结构的优选提供了有效评估技术。(2)在集料颗粒特征参数方面，提出了采用体积、表面积、球形度与三维分形维数进行表征，明确了集料不规则特征的量化指标。(3)在沥青混凝土损伤预测方面，采用神经网络系统建立了集料颗粒特征与集料-砂浆界面损伤关系，提高了预测精度。(4)此外，该技术避免了传统预测技术需要耗费大量人力物力的现场，仅需不断完善损伤数据库，即可对不同结构类型的沥青混凝土损伤进行预测。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图2为不同特征的集料颗粒；其中，a为集料类型1照片，b为集料类型2照片；图3为集料颗粒放置盒结构示意图；图4为集料颗粒的X-RayCT扫描与重构图；其中，a1为集料类型1重构图，b1为集料类型2重构图；图5为集料颗粒三维分形维数；图6为集料颗粒界面断裂数值模拟；图7为集料颗粒应力状况与界面断裂过程；其中，c为不同时间集料颗粒应力状况图，d为不同时间集料颗粒界面断裂过程图；图8为基于BP算法的神经网络模型；图9为神经网络模型预测单独集料颗粒有效性；图10为沥青混凝土损伤预测结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。本专利技术所述的一种基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于集料‑砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、细观结构建模利用X‑Ray CT设备建立不同集料颗粒的空间细观结构模型，结合粘弹性材料本构与断裂能参数计算集料‑砂浆界面断裂状况；S2、界面断裂规律分析根据步骤S1得到的不同集料颗粒的空间细观结构模型以及集料‑砂浆界面断裂状况获取集料‑砂浆界面断裂耗散能，提取所述集料‑砂浆界面断裂耗散能作为界面断裂行为的评价指标，并计算对应集料的四项空间参数：体积、表面积、球形度与三维分形值；S3、损伤预测模型以集料四项空间参数作为输入值，断裂耗散能作为输出值，建立集料空间参数与损伤状况的预测模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、细观结构建模利用X-RayCT设备建立不同集料颗粒的空间细观结构模型，结合粘弹性材料本构与断裂能参数计算集料-砂浆界面断裂状况；S2、界面断裂规律分析根据步骤S1得到的不同集料颗粒的空间细观结构模型以及集料-砂浆界面断裂状况获取集料-砂浆界面断裂耗散能，提取所述集料-砂浆界面断裂耗散能作为界面断裂行为的评价指标，并计算对应集料的四项空间参数：体积、表面积、球形度与三维分形值；S3、损伤预测模型以集料四项空间参数作为输入值，断裂耗散能作为输出值，建立集料空间参数与损伤状况的预测模型。2.根据权利要求1所述的基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下子步骤：S1.1、选取多个集料颗粒作为统计对象，采用X-RayCT设备对所有集料颗粒进行扫描，获取集料颗粒的断层扫描图像数据；S1.2、根据步骤S1.1所得的各集料颗粒断层扫描图像数据，通过图像处理技术建立各集料颗粒的空间细观结构模型。3.根据权利要求2所述的基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，其特征在于，步骤S2具体是：根据步骤S1.2所得集料颗粒的空间细观结构模型，一方面进行空间图像分析，计算集料颗粒的四项空间参数：体积，表面积，球形度与三维分形维数，另一方面采用数值软件模拟集料-砂浆界面断裂行为，并获取界面断裂耗散能指标。4.根据权利要求1所述的基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下子步骤：S3.1、以集料颗粒四项空间参数为输入端数据，对应的断裂耗散能指标为输出端数据，建立基于BP算法的神经网络模型，训练得出四项空间参数与断裂耗散能间的预测关系；S3.2、根据步骤S3.1所得预测关系，依据沥青混凝土集料特征开展损伤状况预测。5.根据权利要求1所述的基于集料-砂浆界面断裂规律的沥青混凝土损伤预测方法，其特征在于，步骤S1中，选取集料颗粒的粒径范围为2.36mm~16mm，颗粒数量大于200颗，以确保足够的样本数；所选取的集料颗粒放置于多层格状模具中，并通过X-RayCT进行扫描，扫描分辨率为10μm~100μm，扫描间距为0.1mm~0.2mm。6.根据权利要求1所述的一种基于集料-砂浆界面断裂规律...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡靖，钱振东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32