沥青混合料中空隙结构的三维细观建模及分析研究

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1、沥青混合料中空隙结构的三维细观建模及分析研究-->第一章绪论1.1课题背景及意义高速公路的里程随着我国经济、科学技术的跨越式发展也随之增加。沥青路面和其它结构路面相比，有着噪音低、平整性好、行车舒适和方便养护等优点，这也就使沥青路面成为众多路面结构中的主要类型之一。目前，国内已经规划建成以及在建的高速公路的路面，大多均是沥青路面。在以后的道路工程建设路面结构选择中，选用沥青路面作为路面结构仍将是主要选择之一。但是，近年来随着我国经济高速发展随之带来的交通量和车载重量的加速增加，沥青结构路面出现了严重的损坏，如开裂、车辙、松散和水损等工程中的病害，这些损害产生的原因和沥青混合料中空隙结构的存

2、在有着很大的关系。这就需要对沥青混合料中空隙结构与其沥青特性间的关系研究进一步加深。宏观实验是进行反复的基础性实验，研究空隙率与沥青混合料路用性能之间的关系，该方法实验周期长、任务量大，还可能导致经济损失等，而且仅用空隙率太过单一，不能完全表现出空隙细观结构与沥青结构路面路用性能之间的关系，这就要考虑从细观角度对空隙结构进行研究[1]。随着我国科技技术发展，图像处理技术和计算机图形学用于细观研究，基于此，国内外各大研究学者从细观角度出发，对沥青混合料的细观建模与分析开展了大量研究[2,3]。由于，X-rayCT图像能够完全、无破坏的获取沥青混合料断面结构，在这些研究中，沥青混合料试件的X-

3、rayCT图像通常被用作模型构建的数据源[4]。...............1.2国内外研究现状细观结构研究是分析沥青混合料力学行为特征的重要途径和理论基础之一，从细观角度出发研究混合料的宏观力学行为逐渐成为国内外道路领域的研究热点[5-7]。下面对与本课题相关的沥青混合料的组成设计、沥青混合料X-rayCT图像处理技术、三维建模及空隙结构统计分析等相关的国内外研究现状进行介绍。沥青混合料由三相材质组成，分别是集料、沥青胶浆和空隙[8]，其中集料和沥青是主要部分。空隙率是混合料重要体积特征参数和组成设计的重要参数之一，其大小直接影响混合料的耐久性和稳定性[9]。空隙率过小或过大时，沥青路

4、面会由于其塑性流动引起路面车辙。另外，沥青混合料的设计及其施工条件对其内部空隙的几何形状及分布都有着直观的影响[10,11]。...............第二章X-rayCT图像中空隙信息的检测与提取2.1数据源选择利用数字图像处理技术开展沥青混合料细观研究的数据源有X-rayCT图像和数码相机拍摄的图像两类。数码相机是科技发展的产物，集合了电子技术、机械技术和光学技术一体化的产品，成功实现了图像信息的数字存储和传输，以及后续的处理。要获取指定高度的试件内部结构图像，就要把混合料试件按预先指定的位置切开，拍摄获取界面图像。数码相机拍摄的照片，以CCD图像为代表，是由电耦合元件获取沥青混合

5、料试件截面信息。电耦合元件，如图2.1（a）所示，是数码相机中的重要组成部分，把光学信号转化成数字信号，又名CCD图像传感器。...............2.2CT图像处理如图2.2(b)所示的X-rayCT图像中，我们可以看到图像中白色为集料颗粒，黑色的为空隙结构，介于两者之间的为沥青胶浆。近年来，国内外学者基于X-rayCT图像/CCD图像开展了大量的沥青混合料细观研究工作；其中，图像处理技术、三维建模技术以及力学仿真试验等日趋成熟。但是在目前的图像处理方法不能有效的精确分离空隙、集料和沥青胶浆。本节总结了图像处理阶段常用的方法，并分别指出各自的优缺点，CT图像处理分为图像预处理和图

6、像分割两个阶段。数字图像[43]即为位图图像，以像素为基本单元。图像主要有亮度、对比度和直方图三个基本属性；亮度也称灰度，是图像中物质颜色的明暗变化；对比度是灰度的比值，反应到沥青混合料CT图像中就是黑、白的比值，即为黑白变化的渐变层次；若，图像中黑白变化层次越多，图像的色彩表现就越丰富；直方图用来表示包含某一灰度等级像素的数目，在图像中的表现，就是某一种的灰度出现的频率。...............第三章沥青混合料中空隙三维模型构建...............243.1三维建模技术...............243.2空隙三维几何模型构建...............26第四章空隙

7、几何及分布特征统计...............334.1空隙分布对混合料路用性能的影响...............334.2空隙平面尺寸计算及分布研究...............35第五章实例分析...............385.1空隙细观结构三维重构过程...............385.2空隙二维几何特征及分布...............42第五章实例分析5.1空隙细观结构三维重构过程本课题以直径为15