[发明专利]一种基于3D打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法

说明书

本发明提供了一种基于3D打印沥青混合料三维可视化结构的分析方法：制作沥青混合料试件；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；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；重构沥青混合料的三维结构模型；将沥青混合料的三维结构模型发送至3D打印机，打印出三维实体结构模型，打印过程中布设应力传感器；分析沥青混合料细观结构组成特征，进行力学试验。本方法实现了沥青混合料三维数字模型实体化，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。

技术领域

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。

发明内容

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。