基于离散元的大空隙沥青混凝土粘结失效行为研究
发布时间：2021-01-05 19:35
大空隙沥青混凝土路面因其卓越的排水、降噪、抗滑以及防眩的功能特性广泛应用于公路工程建设,但是它的耐久性问题突出,根本原因在于使用过程中出现粘结失效。气候环境和车辆荷载的长期作用加速了大空隙沥青混凝土集料-砂浆界面或砂浆-砂浆界面脱粘导致路面出现松散病害。鉴于此,本文考虑水、温度、荷载等因素,借助离散元对大空隙沥青混凝土内部粘结失效行为进行研究,从细观角度揭示粘结失效行为机理,为提高大空隙沥青混凝土的耐久性提供理论基础。首先,本文基于CT扫描技术以及数字图像处理技术获取大空隙沥青混凝土的二维结构信息,构建几何模型。选用平行粘结模型、Burgers模型、接触刚度模型、滑动模型描述大空隙沥青混凝土中不同材料力学特征,通过单轴压缩试验以及单轴蠕变试验获取不同工况下材料的接触参数。其次,利用CT扫描图像的级配信息构建虚拟粘结失效试验模型,赋予不同温度、环境条件下的接触参数后,进行静态荷载作用下的粘结失效研究。研究表明:升温、水浴、冻融条件都会增大路面变形量,扩大颗粒间剥离趋势,加剧粘结失效;60℃高温条件下随着粘结失效的形成,空隙结构中部分空隙被压缩的同时伴随小空隙生成,虽然空隙个数增多,但空隙...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
扫描试件Fig.2-1Testspecimens
13图2-4灰度直方图Fig.2-4GradationhistogramOTSU法对于每一个像素选取了同一个阈值进行判断，在实际中，由于光照不均、突发噪声、背景变化过大等现象，如果采用单一的阈值进行划分会导致背景前景分割错误的现象，自适应阈值的思想主要是尽可能的对每一个像素选取合适的阈值。本文在预处理后的基础上选用OTSU法进行阈值分割。分割效果如下图所示。集料与集料之间并没有明显的分割开来，而是发生了非常严重的“黏连”情况，严重影响后续建模。(a)灰度图(b)阈值分割图图2-5分割效果图Fig.2-5Segmentationresults为了解决上述情况，本文首先尝试了图像形态学算法。形态学算法运用特定形状的结构元素对图像进行各种运算。膨胀和腐蚀是数学形态学中最常见的运算。用结构元素S来腐蚀X得到的集合是S完全包括在X中时S的原点位置的集合，用公式表示为：Xs{x|SxX}(2.5)相对的，灰度膨胀是指把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中X，记下这个a点。所有满足上述条件的a点组成的集合称做X被B膨胀的结果，其公式为：XS{x|Sxx}(2.6)对于集料的“黏连”情况，可以挑选合适的结构元素形状以及大小，对图像进行先腐蚀后膨胀的操作(开运算)，去除目标外的孤立点。然而，在腐蚀操作过程中会使得原二值图像目标物面积减小，膨胀过程中会导致目标物面积增大，在开始操作的过程中结构元素选取的过小无法彻底分割“黏连”集料，结构元素过大会不但会减小原图像集料的面积，而且会抹消细集料，这对于后续判断集料二维级配信息极其不利。考虑到上述不利条件，本文放弃使用形态学算法，尝试利用分水岭分割法进行“黏连”
14集料的分割。然而，即使使用了限制分水岭分割算法，也出现了过分割的现象。为了更精确的分割集料，本文利用IMAGEPRO-PLUS6.0(IPP)对于MATLAB处理后的集料图像进行手动分割。主要操作如图2-6所示，具体操作如下：：(1)识别集料块首先导入MATLAB处理过的二值图像，利用软件自带的计数功能，选择合适的阈值即可选中所有集料块(由于图像已实现二值化，阈值的选取只要在大于0且小于255的范围中即可)。随后通过计数命令识别集料块并计数。由下图可见，由于“黏连”情况，许多集料块被视为一块计数。(2)分割通过Split命令将可见的“黏连”集料分离，适当平滑图像，完成图像分割。由于手动分割的主观性相对较强，在分割完成后需要将其与原CT图进行对比观察，确认分割效果良好后在下一节进级配验证，以判断该图能否反映原沥青混合料试件的级配特征。图2-6分割流程图Fig.2-6Segmentationflowchart基于OTSU法后不同处理方式的结果如图2-7所示，人工分割法减少了形态学开操作以及限制分水岭法产生的粘连、过分割情况，仅从图形上来看要优于前两者，本文后续会通过体视学原理进一步优选合适图像。(a)形态学开操作(b)限制分水岭法(c)人工分割法图2-7分割结果对比图Fig.2-7Segmentationresultsbetweenthreemethods2.4几何模型重构为了在离散元软件PFC2D(ParticleFlowCode)中建立合适的二维纵向模型，需要对CT扫描图进行上节所述的图像处理，然后利用体视学理论根据图像二维级配推断出所代表的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离散元法的荷载作用下排水沥青路面细观分析[J]. 孙爽,张铁志,周群华. 公路交通科技. 2019(11)
[2]基于离散元法与分形维数的沥青混合料间接拉伸试验[J]. 李雪连,刘雪莹,吕新潮,叶峻宏. 长安大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]浅谈沥青混凝土路面常见水损害与防治措施[J]. 朱亚婷. 青海交通科技. 2019(05)
[4]沥青混合料粘附性理论与水损坏影响因素研究[J]. 赵海东. 华东公路. 2019(04)
[5]颗粒离散元岩石模型的颗粒尺寸效应研究[J]. 宿辉,杨家琦,胡宝文,高轩,马辉. 岩土力学. 2018(12)
[6]基于原子力显微技术的混合料中沥青微尺度性能测试方法[J]. 刘黎萍,邢成炜,王明. 同济大学学报(自然科学版). 2018(09)
[7]沥青混合料车辙变形的离散元数值模拟[J]. 高虎,杨新华,唐鹏. 固体力学学报. 2018(03)
[8]基于表面能的沥青黏附机理与评价[J]. 张旭,袁峻,杨雨婷. 中外公路. 2017(06)
[9]PFC数值模拟中平行粘结细观参数标定过程研究[J]. 刘畅,陈晓雪,张文,王率. 价值工程. 2017(26)
[10]基于颗粒堆积理论的沥青混合料细观结构特性研究[J]. 谭忆秋,邢超,任俊达,张磊. 中国公路学报. 2017(07)
博士论文
[1]基于DEM的沥青混合料低温断裂特性的宏细观分析[D]. 任皎龙.东南大学 2017
[2]沥青混合料细观疲劳机制与疲劳预估模型研究[D]. 王毅.长安大学 2015
[3]基于细观力学的沥青砂浆及骨架结构沥青混合料性能研究[D]. 牛冬瑜.长安大学 2015
[4]基于细观力学性能的功能型沥青混合料研究[D]. 石立万.华南理工大学 2014
[5]沥青混合料内部应力分布及其对粘弹性能的影响研究[D]. 郭庆林.吉林大学 2013
[6]基于界面行为的多孔沥青混合料冻融损伤特性研究[D]. 易军艳.哈尔滨工业大学 2012
[7]沥青、集料的表面自由能及水分在沥青中的扩散研究[D]. 魏建明.中国石油大学 2008
硕士论文
[1]大空隙沥青混合料渗透特性及细观结构研究[D]. 王炯月.南京林业大学 2019
[2]车路相互作用下沥青路面细观力学行为研究[D]. 王朝辉.石家庄铁道大学 2018
[3]基于离散单元法的沥青混合料疲劳概率分布多尺度研究[D]. 李明汇.华南理工大学 2018
[4]基于复杂网络理论的颗粒力链网络的拓扑力学数值模拟[D]. 李自蹊.湘潭大学 2017
[5]基于三维离散元方法的沥青混合料抗剪强度研究[D]. 包健西.浙江大学 2017
[6]基于离散元方法的沥青混合料高温变形特性研究[D]. 黄敏.东南大学 2017
[7]基于X-ray CT技术的沥青混合料细观结构虚拟力学试验研究[D]. 焦丽亚.东南大学 2016
[8]集料—沥青胶浆界面粘结特性研究[D]. 王元.哈尔滨工业大学 2015
[9]基于离散元法均匀性对沥青混合料力学性能影响研究[D]. 王振.浙江大学 2015
[10]集料均匀性对沥青混合料力学性能影响的离散元模拟[D]. 范亮平.浙江大学 2014
本文编号：2959182
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
扫描试件Fig.2-1Testspecimens
13图2-4灰度直方图Fig.2-4GradationhistogramOTSU法对于每一个像素选取了同一个阈值进行判断，在实际中，由于光照不均、突发噪声、背景变化过大等现象，如果采用单一的阈值进行划分会导致背景前景分割错误的现象，自适应阈值的思想主要是尽可能的对每一个像素选取合适的阈值。本文在预处理后的基础上选用OTSU法进行阈值分割。分割效果如下图所示。集料与集料之间并没有明显的分割开来，而是发生了非常严重的“黏连”情况，严重影响后续建模。(a)灰度图(b)阈值分割图图2-5分割效果图Fig.2-5Segmentationresults为了解决上述情况，本文首先尝试了图像形态学算法。形态学算法运用特定形状的结构元素对图像进行各种运算。膨胀和腐蚀是数学形态学中最常见的运算。用结构元素S来腐蚀X得到的集合是S完全包括在X中时S的原点位置的集合，用公式表示为：Xs{x|SxX}(2.5)相对的，灰度膨胀是指把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中X，记下这个a点。所有满足上述条件的a点组成的集合称做X被B膨胀的结果，其公式为：XS{x|Sxx}(2.6)对于集料的“黏连”情况，可以挑选合适的结构元素形状以及大小，对图像进行先腐蚀后膨胀的操作(开运算)，去除目标外的孤立点。然而，在腐蚀操作过程中会使得原二值图像目标物面积减小，膨胀过程中会导致目标物面积增大，在开始操作的过程中结构元素选取的过小无法彻底分割“黏连”集料，结构元素过大会不但会减小原图像集料的面积，而且会抹消细集料，这对于后续判断集料二维级配信息极其不利。考虑到上述不利条件，本文放弃使用形态学算法，尝试利用分水岭分割法进行“黏连”
14集料的分割。然而，即使使用了限制分水岭分割算法，也出现了过分割的现象。为了更精确的分割集料，本文利用IMAGEPRO-PLUS6.0(IPP)对于MATLAB处理后的集料图像进行手动分割。主要操作如图2-6所示，具体操作如下：：(1)识别集料块首先导入MATLAB处理过的二值图像，利用软件自带的计数功能，选择合适的阈值即可选中所有集料块(由于图像已实现二值化，阈值的选取只要在大于0且小于255的范围中即可)。随后通过计数命令识别集料块并计数。由下图可见，由于“黏连”情况，许多集料块被视为一块计数。(2)分割通过Split命令将可见的“黏连”集料分离，适当平滑图像，完成图像分割。由于手动分割的主观性相对较强，在分割完成后需要将其与原CT图进行对比观察，确认分割效果良好后在下一节进级配验证，以判断该图能否反映原沥青混合料试件的级配特征。图2-6分割流程图Fig.2-6Segmentationflowchart基于OTSU法后不同处理方式的结果如图2-7所示，人工分割法减少了形态学开操作以及限制分水岭法产生的粘连、过分割情况，仅从图形上来看要优于前两者，本文后续会通过体视学原理进一步优选合适图像。(a)形态学开操作(b)限制分水岭法(c)人工分割法图2-7分割结果对比图Fig.2-7Segmentationresultsbetweenthreemethods2.4几何模型重构为了在离散元软件PFC2D(ParticleFlowCode)中建立合适的二维纵向模型，需要对CT扫描图进行上节所述的图像处理，然后利用体视学理论根据图像二维级配推断出所代表的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离散元法的荷载作用下排水沥青路面细观分析[J]. 孙爽,张铁志,周群华. 公路交通科技. 2019(11)
[2]基于离散元法与分形维数的沥青混合料间接拉伸试验[J]. 李雪连,刘雪莹,吕新潮,叶峻宏. 长安大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]浅谈沥青混凝土路面常见水损害与防治措施[J]. 朱亚婷. 青海交通科技. 2019(05)
[4]沥青混合料粘附性理论与水损坏影响因素研究[J]. 赵海东. 华东公路. 2019(04)
[5]颗粒离散元岩石模型的颗粒尺寸效应研究[J]. 宿辉,杨家琦,胡宝文,高轩,马辉. 岩土力学. 2018(12)
[6]基于原子力显微技术的混合料中沥青微尺度性能测试方法[J]. 刘黎萍,邢成炜,王明. 同济大学学报(自然科学版). 2018(09)
[7]沥青混合料车辙变形的离散元数值模拟[J]. 高虎,杨新华,唐鹏. 固体力学学报. 2018(03)
[8]基于表面能的沥青黏附机理与评价[J]. 张旭,袁峻,杨雨婷. 中外公路. 2017(06)
[9]PFC数值模拟中平行粘结细观参数标定过程研究[J]. 刘畅,陈晓雪,张文,王率. 价值工程. 2017(26)
[10]基于颗粒堆积理论的沥青混合料细观结构特性研究[J]. 谭忆秋,邢超,任俊达,张磊. 中国公路学报. 2017(07)
博士论文
[1]基于DEM的沥青混合料低温断裂特性的宏细观分析[D]. 任皎龙.东南大学 2017
[2]沥青混合料细观疲劳机制与疲劳预估模型研究[D]. 王毅.长安大学 2015
[3]基于细观力学的沥青砂浆及骨架结构沥青混合料性能研究[D]. 牛冬瑜.长安大学 2015
[4]基于细观力学性能的功能型沥青混合料研究[D]. 石立万.华南理工大学 2014
[5]沥青混合料内部应力分布及其对粘弹性能的影响研究[D]. 郭庆林.吉林大学 2013
[6]基于界面行为的多孔沥青混合料冻融损伤特性研究[D]. 易军艳.哈尔滨工业大学 2012
[7]沥青、集料的表面自由能及水分在沥青中的扩散研究[D]. 魏建明.中国石油大学 2008
硕士论文
[1]大空隙沥青混合料渗透特性及细观结构研究[D]. 王炯月.南京林业大学 2019
[2]车路相互作用下沥青路面细观力学行为研究[D]. 王朝辉.石家庄铁道大学 2018
[3]基于离散单元法的沥青混合料疲劳概率分布多尺度研究[D]. 李明汇.华南理工大学 2018
[4]基于复杂网络理论的颗粒力链网络的拓扑力学数值模拟[D]. 李自蹊.湘潭大学 2017
[5]基于三维离散元方法的沥青混合料抗剪强度研究[D]. 包健西.浙江大学 2017
[6]基于离散元方法的沥青混合料高温变形特性研究[D]. 黄敏.东南大学 2017
[7]基于X-ray CT技术的沥青混合料细观结构虚拟力学试验研究[D]. 焦丽亚.东南大学 2016
[8]集料—沥青胶浆界面粘结特性研究[D]. 王元.哈尔滨工业大学 2015
[9]基于离散元法均匀性对沥青混合料力学性能影响研究[D]. 王振.浙江大学 2015
[10]集料均匀性对沥青混合料力学性能影响的离散元模拟[D]. 范亮平.浙江大学 2014
本文编号：2959182
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