一种基于3D打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法与流程

本发明涉及道路工程技术领域，更具体地说，涉及一种基于3d打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法。

背景技术：

沥青混合料是典型的颗粒物质体系，是一种多孔缺陷体，其材料组成中颗粒状的集料按质量比计算占90％以上，主要组成部分为粗集料、细集料、沥青和其它外掺剂构成，沥青混合料细观结构的非均质性对其物理力学性能有较大的影响。沥青混合料内部结构中，粗集料构成主骨架，细集料、沥青和其它外掺剂构成的沥青胶浆填充主骨架之间的空隙，对主骨架进行粘结和约束，使沥青混合料形成一个具有较高强度的整体。目前，国内外主要借助数字图像处理技术和数值方法对沥青混合料细观结构及力学行为进行分析，两种方法均不同程度存在缺陷。数字图像处理技术主要对ct扫描或切割机切割的沥青混合料二维切片进行分析，并进行了三维沥青混合料试件重构的初步工作，还无法精确描述三维沥青混合料的结构；离散元和有限元等数值模拟方法是生成虚拟试件，是否反映沥青混合料内部结构的真实状态还不得而知。

3d打印技术是以实物的三维数字模型为依托得以快速成型的一种新兴先进技术。相对于传统制造技术，3d打印具有精度高、整体性高、周期短、个性化定制和减少材料浪费等优势，在建筑、医学、机械制造和航空航天等领域得到越来越广泛的应用，且生产出一系列经济价值良好的产品。但目前还存在打印制造高成本、打印材料种类受限和打印工艺需突破等多项需要改进的技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于3d打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法；该方法基于ct扫描技术和3d打印技术实现了沥青混合料三维数字模型实体化，进行粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙等细观结构组成三维可视化打印；利用三维实体结构模型分析沥青混合料细观结构组成特征和实现力学性能测试，可精确分析沥青混合料各组分材料的三维细观结构组成，使沥青混合料的设计达到数字化、精细化、可视化。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于3d打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

s1，制作沥青混合料试件；

s2，将沥青混合料试件进行ct扫描获取连续的二维断层扫描图像；

s3，将图像处理和分割，获取粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙的图像分布特征；

s4，重构沥青混合料的三维结构模型；

s5，将沥青混合料的三维结构模型发送至3d打印机，以根据沥青混合料的三维结构模型打印出三维实体结构模型，打印过程中在三维实体结构模型布设应力传感器；

s6，分析沥青混合料细观结构组成特征，进行力学试验。

优选地，所述步骤s1中，沥青混合料试件包括马歇尔试件标准试件和/或旋转压实试件。

优选地，所述步骤s2中，沥青混合料试件ct扫描时，沿着沥青混合料试件纵向连续扫描。

优选地，所述步骤s3中，将图像处理和分割是指：采用维纳滤波和中值滤波相结合来进行滤波降噪，采用三段分段线性变换法进行图像增强，采用双峰算法对图像进行三值化处理和阈值分割，采用分水岭算法分离粘连颗粒，最终获得粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙的图像分布特征。

优选地，图像三值化处理和阈值分割过程中，粗集料主骨架的灰度阈值范围为150～256，沥青胶浆的灰度阈值范围为40～150，空隙的灰度阈值范围为0～40。

优选地，所述步骤s5中，打印过程中在三维实体结构模型布设应力传感器，是指：在三维实体结构模型上沿高度方向设置若干层传感器组；每层传感器组均包括位于三维实体结构模型中轴线上的传感器一，以及至少两个传感器二；所有传感器二均布设在以传感器一为圆心的圆周上；传感器一和传感器二均采用无线微型应力传感器。

优选地，所述步骤s4中，利用三维可视化技术实现沥青混合料的三维结构模型可视化重构；沥青混合料的三维结构模型包括沥青混合料试件三维结构模型、粗集料主骨架三维结构模型、沥青胶浆三维结构模型和空隙三维结构模型。

优选地，所述步骤s5中，打印出的三维实体结构模型包括沥青混合料试件三维实体结构模型、粗集料主骨架三维实体结构模型、沥青胶浆三维实体结构模型和空隙三维实体结构模型；其中，沥青混合料试件三维实体结构模型包括粗集料主骨架区域、沥青胶浆区域和空隙区域。

优选地，沥青混合料试件三维实体结构模型的粗集料主骨架区域和粗集料主骨架三维实体结构模型采用的三维打印材料均是由粉碎磨细的建筑物废弃料和外掺剂混合制成的膏状体材料；外掺剂包括水泥、纤维和有机黏合剂；

沥青混合料试件三维实体结构模型的沥青胶浆区域和沥青胶浆三维实体结构模型采用的三维打印材料均是透明聚合物复合材料；

沥青混合料试件三维实体结构模型的空隙区域和空隙三维实体结构模型采用的三维打印材料均是网格支撑材料。

三维打印材料中，粗集料为非透明材料，沥青胶浆为透明材料，可非常方便地对沥青混合料内部细观结构进行微观观察和研究。

优选地，所述建筑物废弃料与外掺剂的掺配质量比例为95：5；所述外掺剂中，水泥、纤维与有机黏合剂的掺配质量比例为30％：35％：25％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明方法基于ct扫描技术和3d打印技术，实现了沥青混合料三维数字模型实体化，以及传统制造工艺无法完成的混凝土三相结构内部可视化模型的制备；打印过程精确高效、可重复，打印得到的3d数字虚拟试件与真实试件内部结构具有较高的几何相似性，为研究沥青混合料内部细观结构组成和力学性能提供了全新的途径，具有重要的科学研究及工程实践价值。

2、本发明方法利用三维实体结构模型来分析沥青混合料细观结构组成特征和实现力学性能测试，有利于精确分析沥青混合料各组分材料的三维细观结构组成，使沥青混合料的设计达到数字化、精细化、可视化。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为马歇尔试件标准试件ct扫描示意图；

图3为无线微型应力传感器安装平面布置图；

其中，1为马歇尔试件标准试件、2、ct扫描位置、3、马歇尔试件标准试件的直径方向、4、马歇尔试件标准试件的高度方向、5、无线微型应力传感器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

本实施例一种基于3d打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

s1，室内制作沥青混合料试件；沥青混合料试件包括但不限于马歇尔试件标准试件和/或旋转压实试件。

马歇尔试件标准试件(双面击实75次)：直径101.6mm×63.5mm圆柱体，适用于标准马歇尔试验、间接抗拉试验；

旋转压实试件：试样直径为150mm或100mm，适用于测量沥青混合料物理和力学性能等。

s2，将沥青混合料试件进行ct扫描获取连续的二维断层扫描图像；沥青混合料试件ct扫描时，设置好扫描间距，沿着沥青混合料试件纵向连续扫描，扫描间距优选设置为≤1.0mm。

s3，将图像处理和分割，获取粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙的图像分布特征。

将图像处理和分割是指：采用维纳滤波和中值滤波相结合来进行滤波降噪，采用三段分段线性变换法进行图像增强，采用双峰算法对图像进行三值化处理和阈值分割，采用分水岭算法分离粘连颗粒，最终获得粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙的图像分布特征。

其中，图像三值化处理和阈值分割过程中，粗集料主骨架的灰度阈值范围为150～256，沥青胶浆的灰度阈值范围为40～150，空隙的灰度阈值范围为0～40。

s4，利用三维可视化技术实现沥青混合料的三维结构模型可视化重构；沥青混合料的三维结构模型包括沥青混合料试件三维结构模型、粗集料主骨架三维结构模型、沥青胶浆三维结构模型和空隙三维结构模型。

s5，将沥青混合料的三维结构模型发送至3d打印机，以根据沥青混合料的三维结构模型打印出三维实体结构模型，打印过程中在三维实体结构模型布设应力传感器。

打印出的三维实体结构模型包括沥青混合料试件三维实体结构模型、粗集料主骨架三维实体结构模型、沥青胶浆三维实体结构模型和空隙三维实体结构模型；其中，沥青混合料试件三维实体结构模型包括粗集料主骨架区域、沥青胶浆区域和空隙区域。

优选方案是：沥青混合料试件三维实体结构模型的粗集料主骨架区域和粗集料主骨架三维实体结构模型采用的三维打印材料均是由粉碎磨细的建筑物废弃料和外掺剂混合制成的膏状体材料；外掺剂包括水泥、纤维和有机黏合剂。建筑物废弃料与外掺剂的掺配质量比例优选为95：5；外掺剂中，水泥、纤维与有机黏合剂的掺配质量比例优选为30％：35％：25％。

沥青混合料试件三维实体结构模型的沥青胶浆区域和沥青胶浆三维实体结构模型采用的三维打印材料均是透明聚合物复合材料。

沥青混合料试件三维实体结构模型的空隙区域和空隙三维实体结构模型采用的三维打印材料均是网格支撑材料。

三维打印材料中，粗集料为非透明材料，沥青胶浆为透明材料，可非常方便地对沥青混合料内部细观结构进行微观观察和研究。

在三维实体结构模型上布设应力传感器，是指：在三维实体结构模型上沿高度方向设置若干层传感器组，传感器组沿高度方向的间距根据试验要求确定；每层传感器组均包括位于三维实体结构模型中轴线上的传感器一，以及至少两个传感器二；所有传感器二均布设在以传感器一为圆心的圆周上。在精确位置植入传感器等感知器件，便于材料力学性能测试。传感器二数量为两个以上，例如两个、三个、四个、五个、六个，甚至更多。

s6，分析沥青混合料细观结构组成特征，进行力学试验。分析沥青混合料细观结构组成特征和进行力学试验可采用现有方法。

本发明方法基于ct扫描技术和3d打印技术，实现了沥青混合料三维数字模型实体化，以及传统制造工艺无法完成的混凝土三相结构内部可视化模型的制备；打印过程精确高效、可重复，打印得到的3d数字虚拟试件与真实试件内部结构具有较高的几何相似性，为研究沥青混合料内部细观结构组成和力学性能提供了全新的途径，具有重要的科学研究及工程实践价值。

本发明方法利用三维实体结构模型来分析沥青混合料细观结构组成特征和实现力学性能测试，有利于精确分析沥青混合料各组分材料的三维细观结构组成，使沥青混合料的设计达到数字化、精细化、可视化。

可将本发明方法得到的结果作更进一步利用，例如用于沥青混合料研发和试验中；将沥青混合料内部的三维细观结构精确分析来评价沥青混合料的性能，从而判断沥青混合料的配方和工艺是否符合设计要求。

实施例二

本实施例一种基于3d打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法，包括如下步骤：

s1、根据需要进行力学试验的沥青混合料级配，室内试验制作马歇尔试件标准试件，击实标准为双面击实75次，试件尺寸为直径101.6mm×63.5mm圆柱体。

s2、将马歇尔试件标准试件在干燥条件下进行ct扫描，ct扫描可以利用x射线三维显微镜等设备进行，选择旋转扫描方式，沿着马歇尔试件标准试件纵向连续扫描，扫描间距设置为0.5mm，如图2所示，每个马歇尔试件标准试件可获得126张二维断层扫描图像。

s3步，对获得的连续二维断层扫描图像进行滤波降噪、分段线性图像增强，使图像更加清晰便于分割。

滤波降噪采用维纳滤波和中值滤波相结合的办法，对图像中集料内部噪声点的去除效果较为理想。

中值滤波数学表达式为：

式中{xtj(i,j)∈i²}代表数字图像个点的灰度值。

维纳滤波数学表达式为：

minmse＝mine{e²(x,y)}＝mine{[g(x,y)-f(x,y)]²}

由于沥青混合料主要由粗集料主骨架、沥青胶浆以及空隙三部分组成，目前常用的是三段分段线性变换法对图像进行增强，将粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙变换为不同的灰度级别，以便后续的图像处理和分割，数学表达式为：

其中，t1和t2分别为图像灰度直方图中相应的波谷位置，代表各物质灰度值的分界点，m1和m2为对应变换后的灰度值。

图像初步处理完成后，采用双峰算法对图像进行三值化处理和阈值分割，然后用分水岭算法分离粘连颗粒，获取粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙的图像分布特征。图像三值化处理和阈值分割过程中，粗集料主骨架的灰度阈值范围为150～256，沥青胶浆的灰度阈值范围为40～150，空隙的灰度阈值范围为0～40。图像处理均通过matlab相应的函数进行操作。

s4、根据步骤s3获得处理后126张二维断层扫描图像后，按照顺序对图像进行叠加，利用vgstudio软件对沥青混合料试件、粗集料主骨架、沥青胶浆和空隙进行三维可视化重构，得到沥青混合料的三维结构模型；沥青混合料的三维结构模型包括沥青混合料试件三维结构模型、粗集料主骨架三维结构模型、沥青胶浆三维结构模型和空隙三维结构模型。

s5、将沥青混合料的三维结构模型发送至3d打印机，3d打印机进行实体模型打印。打印过程中，传感器组沿着三维实体结构模型高度每隔20mm安装；传感器组平面布置为：传感器一一个，位于三维实体结构模型中轴线上；传感器二四个，位于以传感器一为圆心的圆周上，如图3所示。传感器一和传感器二均采用无线微型应力传感器；无线微型应力传感器的外形尺寸为ф8×8mm，量程为0～60mpa。

s6，分析沥青混合料细观结构组成特征，进行力学试验。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。