基于细观结构的灌浆钢渣沥青混凝土热膨胀系数计算方法

本发明属于土木工程材料，具体涉及一种基于细观结构的灌浆钢渣沥青混凝土热膨胀系数计算方法。

背景技术：

1、灌浆钢渣沥青混凝土作为一种新型建筑材料，由于其良好的力学性能和耐久性，在道路工程中得到了广泛应用。尤其是在高温环境下，该材料的热稳定性表现尤为突出。然而，由于灌浆钢渣沥青混凝土的多相组成及内部结构的复杂性，其热膨胀系数的精确预测成为工程应用中的一个难点。

2、目前，获取材料热膨胀系数的方法主要有实验室测试法，如膨胀仪测量法、差示扫描量热法等。然而，这些实验方法不仅耗时，且测试结果容易受到外界环境因素的影响，导致测量误差较大。已有一些经验模型用于估算传统混凝土的热膨胀系数，但这些模型忽略了钢渣和沥青混合料内部的复杂界面效应以及多相组成结构，导致计算结果与实际情况偏差较大。此外，有限元建模方法虽然可以考虑材料的细观结构特性，但其计算复杂度高，耗费大量资源，难以快速应用于工程设计中。

3、随着材料科学与数值分析技术的发展，基于细观结构的建模方法为解决这一问题提供了新的研究方向。通过对灌浆钢渣沥青混凝土内部细观结构的表征，结合材料各组成相的热物性参数，可以构建更加准确的热膨胀系数计算模型。然而，如何有效表征材料的细观结构，并确保计算模型在复杂工程环境中的适用性，仍然是当前研究的难点。

4、因此，开发一种基于细观结构的灌浆钢渣沥青混凝土热膨胀系数计算方法，通过对钢渣和沥青混合料内部多相结构的准确表征，能够提高热膨胀系数的计算精度，对于提高道路工程材料的设计水平具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于细观结构的灌浆钢渣沥青混凝土热膨胀系数计算方法，以解决背景技术中提出的灌浆钢渣沥青混凝土热膨胀系数计算复杂度高，耗费大量资源，难以快速应用于工程设计中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于细观结构的灌浆钢渣沥青混凝土热膨胀系数计算方法，包括以下步骤：

3、s1、对钢渣骨料、沥青砂浆、灌浆料的导热系数进行试验测量；

4、s2、对钢渣骨料、沥青砂浆、灌浆料的热膨胀系数的进行试验测量；

5、s3、选取钢渣骨料样品，获取钢渣骨料二维投影图像，创建钢渣二维骨料模板数据库；

6、s4、建立灌浆钢渣沥青混凝土的细观结构数字模型；

7、s5、基于数字图像处理，建立灌浆钢渣沥青混凝土有限元模型，并进行材料参数与边界条件的设置，并进行有限元网格划分与模拟分析；

8、s6、根据模拟结果，结合理论公式计算灌浆钢渣沥青混凝土的整体热膨胀系数。

9、在一种具体的实施方式中，所述步骤s3的具体步骤为：

10、s3.1、从钢渣骨料的不同粒径范围内选取若干个钢渣骨料作为代表样本；将选取的钢渣骨料放置在图像采集设备上，获取每个钢渣骨料的二维投影图像；

11、s3.2、将采集到的二维投影图像导入matlab中，通过变成对采集图像进行灰度化处理，去除图像中的噪声；

12、s3.3、对处理后的灰度图像进行二值化操作，转换为黑白图像，其中黑色区域代表钢渣骨料，白色区域代表背景；

13、s3.4、将二值化后的图像转换为矢量文件，用于后续的建模和计算；确保图像轮廓的准确性，边缘应光滑。

14、在一种具体的实施方式中，步骤s3.1中的不同粒径范围包括至少四个级别的粒径范围，分别采用孔径为16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm的筛网进行筛分，筛选得到粒径范围为2.36~4.75mm、4.75~9.5mm、9.5~13.2mm以及13.2~16mm的钢渣骨料，每个粒径范围内至少选取80个不同尺寸的钢渣骨料。

15、在一种具体的实施方式中，所述步骤s4的具体步骤为：

16、s4.1、将步骤s3中所得到的二维投影图像的矢量文件导入到离散元建模软件中作为随机骨料模板；

17、s4.2、确定模型试件的长宽高尺寸，以及灌浆钢渣沥青混凝土骨架的配合比，包括钢渣骨料的级配、油石比和试件孔隙率；然后通过计算目标试件的体积确定粗骨料和沥青砂浆各自体积，并计算每一级粗骨料的所占整体试件的体积分数；

18、s4.3、基于随机投放算法，在预设的投放区域内投放不同粒径的钢渣骨料；

19、s4.4、所有钢渣骨料投放完成后，导出钢渣骨料骨架数字图像，并将其导入matlab中，根据试验设计的参数，参数包括配合比和孔隙率，确定沥青砂浆层厚度；然后采用matlab对钢渣骨料骨架进行向外扩展，通过布尔运算得到沥青砂浆层，则其余部分视为灌浆区域；即完成灌浆钢渣沥青混凝土的细观结构数字模型的建立。

20、在一种具体的实施方式中，步骤s4.1中，离散元建模软件为pfc 2d；步骤s4.2中，所述粗骨料为粒径≥2.36mm的骨料；所述沥青砂浆包括矿粉、沥青和粒径<2.36mm的细集料。

21、在一种具体的实施方式中，所述步骤s4.3中，在预设的投放区域内投放不同粒径的钢渣骨料，粒径范围应与实际设计级配一致，模型中钢渣骨料在投放区域内随机分布；在投放的过程中，按照粗骨料粒径从大到小分为4档分别投放，每一档投放时，从步骤s4.1中的骨料模板随机抽取，根据该档的粒径范围，抽取骨料将随机放大或缩小至该范围，并被赋予随机朝向角与随机投放位置；每一个骨料被投放成功后，都将自动计算当前档粗骨料的体积分数，若小于s4.2中的计算结果，则继续投放，反之进行下一档粗骨料的投放，直至所有粗骨料投放完成。

22、在一种具体的实施方式中，所述步骤s5的具体步骤为：

23、s5.1、将步骤s4中所得到的细观结构数字模型导出为.png格式文件，将其转换为矢量图.dxf格式，并将其导入abaqus中，建立几何部件；

24、s5.2、根据实验数据赋予每种材料相应的物理属性，包括导热系数和热膨胀系数；

25、s5.3、对整个模型进行网格划分，网格的尺寸根据骨料的尺寸和模型的细节要求进行设置；

26、s5.4、设置温度边界条件，定义模型的初始温度以及外部温度场的变化情况；设置模型外边界的温度逐渐升高，从而模拟实际环境中的热膨胀过程。

27、在一种具体的实施方式中，所述步骤s6的具体步骤为：

28、整体热膨胀系数计算：根据模型的变形结果，利用下列公式计算复合材料的整体热膨胀系数：

29、

30、其中：为整体热膨胀系数，δl为模型的长度变化，l0为初始长度，δt为温度变化量。

31、在一种具体的实施方式中，步骤s1的具体步骤为：

32、s1.1、分别准备钢渣骨料1、沥青砂浆2和灌浆料3作为待测样品，每种待测样品准备至少3个；

33、s1.2、将两个同种类型的待测样品放置在导热系数测试仪的样品架上，将传感器放置在两个样品中间，旋紧夹具使传感器与两个样品完全接触；

34、s1.3、开启仪器开关并打开配套计算软件，对设备进行调零操作；调零完成后，进行样品导热系数测试，等待测试结束，记录样品的导热系数；

35、s1.4、重复进行上述操作，每种待测样品需测量3次并取平均值。

36、在一种具体的实施方式中，步骤s2的具体步骤为：

37、s2.1、将s1.1中所得到的待测样品安装在热膨胀仪的测试平台上，确保样品能够均匀受热，并且待测样品两端与仪器的支撑面接触良好，设定测试参数；

38、s2.2、启动设备，开始加热样品；在温度变化过程中，热膨胀仪自动记录温度与样品长度变化的关系，并生成对应的曲线；

39、s2.3、根据热膨胀曲线中的温度变化和样品长度变化值，分别计算三种材料的热膨胀系数：

40、其中：α为材料的热膨胀系数，δl为模型的长度变化，l0为初始长度，δt为温度变化量；

41、s2.4、重复进行上述操作，每种待测样品需测量3次并取平均值。

42、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

43、（1）通过构建钢渣骨料、沥青砂浆和灌浆料的二维投影图像和数字化模型，本发明能够精确描述灌浆钢渣沥青混凝土的非均质、复杂细观结构特征。这为热膨胀系数的计算奠定了坚实基础，而传统方法难以有效考虑不同材料的细观特征，导致计算结果误差较大。

44、（2）本发明将数字图像处理技术与有限元分析相结合，建立灌浆钢渣沥青混凝土的多尺度模型。通过模拟钢渣骨料的随机分布与级配，可以更真实地反映材料的热膨胀行为。相比于传统的均质假设模型，本方法大幅提高了热膨胀系数预测的精度。

45、（3）本发明的细观结构模型与有限元分析结合，能够有效生成灌浆钢渣沥青混凝土在不同温度条件下的热膨胀模拟数据。与传统的试验测量相比，有限元方法极大地提升了模型构建与数据获取的效率，为材料的热膨胀性能预测提供了高效工具。

46、（4）本发明基于实验测得的钢渣骨料、沥青砂浆和灌浆料的物理性能参数，如导热系数和热膨胀系数，确保了模型输入参数的准确性。结合理论公式和数值模拟结果，有效降低了模型误差，提升了预测的可靠性。

47、（5）本方法不仅适用于灌浆钢渣沥青混凝土的热膨胀系数计算，还可推广至其他复合材料的热膨胀性能分析。数字化建模方法的灵活性使得本方法能够适应不同材料体系，具有较强的通用性和适应性。

48、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面对本发明作进一步详细的说明。