本發(fā)明屬于土木工程材料，具體涉及一種基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的灌漿鋼渣瀝青混凝土熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、灌漿鋼渣瀝青混凝土作為一種新型建筑材料，由于其良好的力學(xué)性能和耐久性，在道路工程中得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在高溫環(huán)境下，該材料的熱穩(wěn)定性表現(xiàn)尤為突出。然而，由于灌漿鋼渣瀝青混凝土的多相組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其熱膨脹系數(shù)的精確預(yù)測成為工程應(yīng)用中的一個(gè)難點(diǎn)。

2、目前，獲取材料熱膨脹系數(shù)的方法主要有實(shí)驗(yàn)室測試法，如膨脹儀測量法、差示掃描量熱法等。然而，這些實(shí)驗(yàn)方法不僅耗時(shí)，且測試結(jié)果容易受到外界環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致測量誤差較大。已有一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜诠浪銈鹘y(tǒng)混凝土的熱膨脹系數(shù)，但這些模型忽略了鋼渣和瀝青混合料內(nèi)部的復(fù)雜界面效應(yīng)以及多相組成結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。此外，有限元建模方法雖然可以考慮材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，但其計(jì)算復(fù)雜度高，耗費(fèi)大量資源，難以快速應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。

3、隨著材料科學(xué)與數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的建模方法為解決這一問題提供了新的研究方向。通過對灌漿鋼渣瀝青混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的表征，結(jié)合材料各組成相的熱物性參數(shù)，可以構(gòu)建更加準(zhǔn)確的熱膨脹系數(shù)計(jì)算模型。然而，如何有效表征材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，并確保計(jì)算模型在復(fù)雜工程環(huán)境中的適用性，仍然是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

4、因此，開發(fā)一種基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的灌漿鋼渣瀝青混凝土熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，通過對鋼渣和瀝青混合料內(nèi)部多相結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確表征，能夠提高熱膨脹系數(shù)的計(jì)算精度，對于提高道路工程材料的設(shè)計(jì)水平具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的灌漿鋼渣瀝青混凝土熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，以解決背景技術(shù)中提出的灌漿鋼渣瀝青混凝土熱膨脹系數(shù)計(jì)算復(fù)雜度高，耗費(fèi)大量資源，難以快速應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的灌漿鋼渣瀝青混凝土熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，包括以下步驟：

3、s1、對鋼渣骨料、瀝青砂漿、灌漿料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測量；

4、s2、對鋼渣骨料、瀝青砂漿、灌漿料的熱膨脹系數(shù)的進(jìn)行試驗(yàn)測量；

5、s3、選取鋼渣骨料樣品，獲取鋼渣骨料二維投影圖像，創(chuàng)建鋼渣二維骨料模板數(shù)據(jù)庫；

6、s4、建立灌漿鋼渣瀝青混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)字模型；

7、s5、基于數(shù)字圖像處理，建立灌漿鋼渣瀝青混凝土有限元模型，并進(jìn)行材料參數(shù)與邊界條件的設(shè)置，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分與模擬分析；

8、s6、根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合理論公式計(jì)算灌漿鋼渣瀝青混凝土的整體熱膨脹系數(shù)。

9、在一種具體的實(shí)施方式中，所述步驟s3的具體步驟為：

10、s3.1、從鋼渣骨料的不同粒徑范圍內(nèi)選取若干個(gè)鋼渣骨料作為代表樣本；將選取的鋼渣骨料放置在圖像采集設(shè)備上，獲取每個(gè)鋼渣骨料的二維投影圖像；

11、s3.2、將采集到的二維投影圖像導(dǎo)入matlab中，通過變成對采集圖像進(jìn)行灰度化處理，去除圖像中的噪聲；

12、s3.3、對處理后的灰度圖像進(jìn)行二值化操作，轉(zhuǎn)換為黑白圖像，其中黑色區(qū)域代表鋼渣骨料，白色區(qū)域代表背景；

13、s3.4、將二值化后的圖像轉(zhuǎn)換為矢量文件，用于后續(xù)的建模和計(jì)算；確保圖像輪廓的準(zhǔn)確性，邊緣應(yīng)光滑。

14、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s3.1中的不同粒徑范圍包括至少四個(gè)級別的粒徑范圍，分別采用孔徑為16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，篩選得到粒徑范圍為2.36~4.75mm、4.75~9.5mm、9.5~13.2mm以及13.2~16mm的鋼渣骨料，每個(gè)粒徑范圍內(nèi)至少選取80個(gè)不同尺寸的鋼渣骨料。

15、在一種具體的實(shí)施方式中，所述步驟s4的具體步驟為：

16、s4.1、將步驟s3中所得到的二維投影圖像的矢量文件導(dǎo)入到離散元建模軟件中作為隨機(jī)骨料模板；

17、s4.2、確定模型試件的長寬高尺寸，以及灌漿鋼渣瀝青混凝土骨架的配合比，包括鋼渣骨料的級配、油石比和試件孔隙率；然后通過計(jì)算目標(biāo)試件的體積確定粗骨料和瀝青砂漿各自體積，并計(jì)算每一級粗骨料的所占整體試件的體積分?jǐn)?shù)；

18、s4.3、基于隨機(jī)投放算法，在預(yù)設(shè)的投放區(qū)域內(nèi)投放不同粒徑的鋼渣骨料；

19、s4.4、所有鋼渣骨料投放完成后，導(dǎo)出鋼渣骨料骨架數(shù)字圖像，并將其導(dǎo)入matlab中，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)，參數(shù)包括配合比和孔隙率，確定瀝青砂漿層厚度；然后采用matlab對鋼渣骨料骨架進(jìn)行向外擴(kuò)展，通過布爾運(yùn)算得到瀝青砂漿層，則其余部分視為灌漿區(qū)域；即完成灌漿鋼渣瀝青混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)字模型的建立。

20、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s4.1中，離散元建模軟件為pfc?2d；步驟s4.2中，所述粗骨料為粒徑≥2.36mm的骨料；所述瀝青砂漿包括礦粉、瀝青和粒徑<2.36mm的細(xì)集料。

21、在一種具體的實(shí)施方式中，所述步驟s4.3中，在預(yù)設(shè)的投放區(qū)域內(nèi)投放不同粒徑的鋼渣骨料，粒徑范圍應(yīng)與實(shí)際設(shè)計(jì)級配一致，模型中鋼渣骨料在投放區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布；在投放的過程中，按照粗骨料粒徑從大到小分為4檔分別投放，每一檔投放時(shí)，從步驟s4.1中的骨料模板隨機(jī)抽取，根據(jù)該檔的粒徑范圍，抽取骨料將隨機(jī)放大或縮小至該范圍，并被賦予隨機(jī)朝向角與隨機(jī)投放位置；每一個(gè)骨料被投放成功后，都將自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前檔粗骨料的體積分?jǐn)?shù)，若小于s4.2中的計(jì)算結(jié)果，則繼續(xù)投放，反之進(jìn)行下一檔粗骨料的投放，直至所有粗骨料投放完成。

22、在一種具體的實(shí)施方式中，所述步驟s5的具體步驟為：

23、s5.1、將步驟s4中所得到的細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)字模型導(dǎo)出為.png格式文件，將其轉(zhuǎn)換為矢量圖.dxf格式，并將其導(dǎo)入abaqus中，建立幾何部件；

24、s5.2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)賦予每種材料相應(yīng)的物理屬性，包括導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)；

25、s5.3、對整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的尺寸根據(jù)骨料的尺寸和模型的細(xì)節(jié)要求進(jìn)行設(shè)置；

26、s5.4、設(shè)置溫度邊界條件，定義模型的初始溫度以及外部溫度場的變化情況；設(shè)置模型外邊界的溫度逐漸升高，從而模擬實(shí)際環(huán)境中的熱膨脹過程。

27、在一種具體的實(shí)施方式中，所述步驟s6的具體步驟為：

28、整體熱膨脹系數(shù)計(jì)算：根據(jù)模型的變形結(jié)果，利用下列公式計(jì)算復(fù)合材料的整體熱膨脹系數(shù)：

29、

30、其中：為整體熱膨脹系數(shù)，δl為模型的長度變化，l0為初始長度，δt為溫度變化量。

31、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s1的具體步驟為：

32、s1.1、分別準(zhǔn)備鋼渣骨料1、瀝青砂漿2和灌漿料3作為待測樣品，每種待測樣品準(zhǔn)備至少3個(gè)；

33、s1.2、將兩個(gè)同種類型的待測樣品放置在導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的樣品架上，將傳感器放置在兩個(gè)樣品中間，旋緊夾具使傳感器與兩個(gè)樣品完全接觸；

34、s1.3、開啟儀器開關(guān)并打開配套計(jì)算軟件，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)零操作；調(diào)零完成后，進(jìn)行樣品導(dǎo)熱系數(shù)測試，等待測試結(jié)束，記錄樣品的導(dǎo)熱系數(shù)；

35、s1.4、重復(fù)進(jìn)行上述操作，每種待測樣品需測量3次并取平均值。

36、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s2的具體步驟為：

37、s2.1、將s1.1中所得到的待測樣品安裝在熱膨脹儀的測試平臺(tái)上，確保樣品能夠均勻受熱，并且待測樣品兩端與儀器的支撐面接觸良好，設(shè)定測試參數(shù)；

38、s2.2、啟動(dòng)設(shè)備，開始加熱樣品；在溫度變化過程中，熱膨脹儀自動(dòng)記錄溫度與樣品長度變化的關(guān)系，并生成對應(yīng)的曲線；

39、s2.3、根據(jù)熱膨脹曲線中的溫度變化和樣品長度變化值，分別計(jì)算三種材料的熱膨脹系數(shù)：

40、其中：α為材料的熱膨脹系數(shù)，δl為模型的長度變化，l0為初始長度，δt為溫度變化量；

41、s2.4、重復(fù)進(jìn)行上述操作，每種待測樣品需測量3次并取平均值。

42、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

43、（1）通過構(gòu)建鋼渣骨料、瀝青砂漿和灌漿料的二維投影圖像和數(shù)字化模型，本發(fā)明能夠精確描述灌漿鋼渣瀝青混凝土的非均質(zhì)、復(fù)雜細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。這為熱膨脹系數(shù)的計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)方法難以有效考慮不同材料的細(xì)觀特征，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。

44、（2）本發(fā)明將數(shù)字圖像處理技術(shù)與有限元分析相結(jié)合，建立灌漿鋼渣瀝青混凝土的多尺度模型。通過模擬鋼渣骨料的隨機(jī)分布與級配，可以更真實(shí)地反映材料的熱膨脹行為。相比于傳統(tǒng)的均質(zhì)假設(shè)模型，本方法大幅提高了熱膨脹系數(shù)預(yù)測的精度。

45、（3）本發(fā)明的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型與有限元分析結(jié)合，能夠有效生成灌漿鋼渣瀝青混凝土在不同溫度條件下的熱膨脹模擬數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)測量相比，有限元方法極大地提升了模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)獲取的效率，為材料的熱膨脹性能預(yù)測提供了高效工具。

46、（4）本發(fā)明基于實(shí)驗(yàn)測得的鋼渣骨料、瀝青砂漿和灌漿料的物理性能參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，確保了模型輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性。結(jié)合理論公式和數(shù)值模擬結(jié)果，有效降低了模型誤差，提升了預(yù)測的可靠性。

47、（5）本方法不僅適用于灌漿鋼渣瀝青混凝土的熱膨脹系數(shù)計(jì)算，還可推廣至其他復(fù)合材料的熱膨脹性能分析。數(shù)字化建模方法的靈活性使得本方法能夠適應(yīng)不同材料體系，具有較強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性。

48、除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。