一、概述 众所周知，沥青路面内部水分的长期作用会削弱其结构，胶浆颗粒的侵蚀以及水分通过胶浆向胶浆-骨料界面的扩散均会导致材料劣化。这种劣化在冬季会进一步加剧沥青对失效的敏感性，胶浆变脆更易开裂，滞留在沥青内部的水分在冻结成冰时产生的体积膨胀会引发附加损伤。沥青路面的冻融损伤是一个复杂的现象，受到多种因素如水分渗透、温度、沥青组成材料的力学性能及各组分间界面的影响。为构建包含上述所有参数的综合多尺度模型，需要开发一个结合水分渗透及相关损伤、孔隙内水分冻结引发的体积膨胀和机械损伤机制的微观力学模型。通过施加依赖于温度的体积膨胀实现孔隙冻胀，采用基于能量的损伤模型和粘聚区模型分别表征胶浆内的内聚损伤及胶浆-骨料界面的粘附损伤。为验证模型，对不同参数（冻融循环次数、微观结构级配和冻结时间）的影响进行模拟。 二、图像处理 使用开级配和密级配两种类型的沥青材料，采用 X 射线 CT 扫描获得微观结构。将获得的扫描图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理，基于阈值分割出骨料、胶浆、孔隙并为三个相分别设置不同的网格密度，导出高质量的 FE 体积网格模型。选择较小的子试样作为代表性体积单元（RVE），开级配微观结构的尺寸为 20 × 20 × 20 mm，由 59.36% 骨料、29.39% 胶浆、11.25% 孔隙组成，体积网格模型包含 59125 个四面体单元；密级配微观结构的尺寸为 17 × 17 × 10 mm，由 40.33% 骨料、57.11% 胶浆、2.56% 孔隙组成，体积网格模型包含 19937 个四面体单元。 图1：（a）开级配微观结构（b）骨料（c）胶浆（d）孔隙 图2：（a）密级配微观结构（b）骨料（c）胶浆（d）孔隙 三、模拟 本研究开发的微观力学模型由三个部分组成：水分输运、水到冰的膨胀、由水和机械载荷造成的损伤。首先，采用菲克第二定律模拟水分通过微观结构组分的渗透；其次，通过在孔隙中施加额外的体积应变模拟孔隙中水冻结成冰发生的膨胀；最后，使用连续介质损伤方法引入胶浆内和胶浆-骨料界面因水分和机械载荷造成的劣化。将模型嵌入到有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 中，未知变量（水分、损伤以及变形的粘弹性部分）通过软件内置的偏微分方程（PDE）求解计算，采用隐式求解耦合的本构方程。设置骨料和冰为线性弹性材料，胶浆为粘弹性。 表1：材料的物理特性 表2：水分的粘弹性 Prony 级数 所有微观结构在进行冻融循环前均需经历 24 h 的水分扩散过程。假设结构中孔隙初始即为完全满水状态，从而模拟极端损伤工况。扩散仅发生在从孔隙向其余两相传输的过程中，各相间所有边界均满足连续性条件。鉴于微观结构尺寸较小，假设试样中没有温度梯度。每个冻融循环后进行压缩试验，在顶部表面（不含孔隙区域）施加 0.1 MPa 压力，使用整个微观结构的有效杨氏模量评估并比较损伤演化对结构性能的影响。 图3：开级配微观结构（a、b）和密级配微观结构（c、d）的边界条件 通过不同工况设置验证模型，第一组针对已证实可影响冻融损伤的因素（孔隙和冻融循环次数）开展模拟，第二组研究微观结构在温度低于 […]

一、概述 透水混凝土主要由开级配材料组成，包含硅酸盐水泥、粗骨料、少量或没有细骨料、外加剂和水。由于其可增加透水性、减少地表径流（增加防滑阻力）、吸收噪声等，广泛应用于路面表面。透水混凝土人行道的结构性能受到内部孔隙网络的极大影响，随着非破坏性评估技术和计算机成像技术的进步，现在通常采用 CT 扫描确定路面材料的内部结构。基于图像处理的分割算法在计算透水混凝土孔隙网络特性时可能会产生重大差异。本研究采用分水岭（Watershed）分割算法进行 CT 图像数据的分割，比较选择不同的高程函数对孔隙网络特性如孔隙体积、平面度、伸长率、形状因子、球度分布的影响。 二、图像处理 由筛分后 2.38 – 4.75 mm 的硅质骨料制造直径为 150 mm 的透水混凝土圆柱体，使用 Somatom Emotion XRCT 设备获取试样的扫描数据。将图像导入 Simpleware 软件，采用 Multilevel Otsu segmentation 工具基于图像强度直方图进行全局阈值分割，计算每个组分的像素强度阈值，使组分之间的灰度方差最大，透水混凝土被分割为孔隙相和水泥-骨料相。应用 Watershed 工具的分水岭分割算法，根据高程函数将互通的透水混凝土孔隙结构分为若干较小的孔隙，在高程函数的选项中分别使用基于梯度的 Background gradient 和基于距离映射的 Mask distance transform。 图1：（a）CT 灰度图像（b）Otsu 分割后（c）基于分水岭-梯度分割孔隙（d）基于分水岭-距离映射分割孔隙 图2：三维透水混凝土孔隙网络结构（a）未应用分水岭算法（b）基于分水岭-梯度分割（c）基于分水岭-距离映射分割 三、结果与讨论 3.1 孔隙体积分布 由未进行分水岭算法分割的孔隙结构分析可观察到，单个互通的孔隙体积约在 238000-249000 mm3 的范围内，近 187 个独立的孔隙体积均小于 1000 mm3。通过不同高程函数的分水岭分割后，基于梯度的互通和孤立孔隙体积在 1264 mm3 内，基于距离映射的在 6059 mm3 内。 […]

在细观尺度上，混凝土是一种多相异质材料，全面了解底层力学并充分考虑微观结构的异质性对于更好地设计混凝土等下一代复合材料至关重要。本研究结合细观建模、原位 X 射线计算机断层扫描成像（XRCT）和原位 3D X 射线衍射（3DXRD）测量研究异质性（微米级骨料、水泥浆、界面过渡区、高密度相和气孔）对混凝土宏观和微观响应的影响。