Исследование микроструктуры асфальтобетона с использованием рентгеновской компьютерной томографии

В рамках проекта по утилизации полимерных композиционных материалов с волоконным армированием (стеклопластика) при производстве асфальтобетона разработан механический цифровой двойник образца материала — механическая конечно-элементная модель. В работе представлены результаты исследования микроструктуры асфальтобетона и расчета его эффективных механических параметров с использованием методов рентгеновской микрокомпьютерной томографии (КТ). Представлена последовательность обработки данных для создания цифрового двойника микроструктуры асфальтобетона на основе КТ-изображения, включающая следующие этапы: 1) предварительная обработка; 2) сегментация изображения; 3) анализ морфологии пор и твердых частиц; 4) преобразование сегментированного изображения в модель конечных элементов (КЭ) на основе вокселей. Показано, что разрешения КТ-изображения в 40 мкм достаточно для надежной идентификации параметров микроструктуры асфальтобетона: объемных долей фракций, распределения размеров, формы и положения пор, размеров измельченных хрупких добавок (крошки стеклопластика). КЭ-модель — цифровой двойник материала — после задания характеристик составляющих материала может применяться для моделирования термомеханических и функциональных свойств. Моделирование проиллюстрировано для расчета статистики модулей сжатия и сдвига асфальтобетона с добавлением крошки стеклопластика. Проведен анализ зависимости расчетных упругих характеристик от размера цифрового двойника. Выявлено, что при размере более 10 мм репрезентативность микроструктуры материала достаточна для расчета гомогенизированных свойств. Полученные результаты могут быть использованы для анализа микроструктуры и структурно-зависимых термомеханических свойств асфальтобетонов, предложенная КЭ-модель — для расчета вязкоупругого поведения асфальтобетона и циклических нагрузок.

1. Chen J., Zhang L., Du Y., et al. Three-dimensional microstructure based model for evaluating the coefficient of thermal expansion and contraction of asphalt concrete / Construction and Building Materials. 2021. Vol. 284. P. 122764. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122764

2. Wang L., Yao Y., Li J., Tao Y., et al. Review of visualization technique and its application of road aggregates based on morphological features / Applied Sciences. 2022. Vol. 12. P. 10571. DOI: 10.3390/app122010571

3. Wevers M., Nicolaï B., Verboven P., et al. Applications of CT for non-destructive testing and materials characterization / Industrial X-Ray Computed Tomography. 2018. P. 267 – 331. DOI: 10.1007/978-3-319-59573-3_8

4. Erpalov A. V., Khoroshevskiy K. A., Gadolina I. V. Actual problems of creating digital twins of machine engineering products in terms of durability assessment / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. P. 67 – 75 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-8-67-75

5. Coleri E., Harvey J., Yang K., et al. Development of a micromechanical finite element model from computed tomography images for shear modulus simulation of asphalt mixtures / Construction and Building Materials. 2012. Vol. 30 P. 783 – 93. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2011.12.071

6. Shakiba M., Darabi M., Abu Al-Rub R., et al. Three-dimensional microstructural modelling of coupled moisture-mechanical response of asphalt concrete / Int. J. Pavement Engineering. 2015. Vol. 16. P. 445 – 466. DOI: 10.1080/10298436.2015.1007239

7. Handle F., Füssl J., Neudl S., et al. Understanding the microstructure of bitumen: A CLSM and fluorescence approach to model bitumen ageing behavior / Asphalt Pavements. — CRC Press, 2014. DOI: 10.1201/b17219-68

8. Khan R., Grenfell J., Collop A. Micromechanical modelling of typical Dense Bitumen Macadam (DBM) from laboratory testing and X-ray Computed Tomography (CT) / Construction and Building Materials. 2015. Vol. 77. P. 1 – 6. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.12.028

9. Hu J., Qian Z., Xue Y., Yang Y. Investigation on fracture performance of lightweight epoxy asphalt concrete based on microstructure characteristics / J. Mater. Civil Eng. 2016. Vol. 28. P. 04016084. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001594

10. Zhang X., Wan C., Wang D., et al. Numerical simulation of asphalt mixture based on three-dimensional heterogeneous specimen / J. Central South Univ. Technol. 2011. Vol. 18. P. 2201 – 2206. DOI: 10.1007/s11771-011-0963-4

11. Schindelin J., Arganda-Carreras I., Frise E., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis / Nat. Meth. 2012. Vol. 9. P. 676 – 682. DOI: 10.1038/nmeth.2019

12. Straumit I., Lomov S., Wevers M. Quantification of the internal structure and automatic generation of voxel models of textile composites from X-ray computed tomography data / Composites. Part A. 2015. Vol. 69. P. 150 – 158. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.11.016

13. Straumit I., Vandepitte D., Wevers M., Lomov S. Identification of the flax fibre modulus based on an impregnated quasi- unidirectional fibre bundle test and X-ray computed tomography / Composites Sci. Technol. 2017. Vol. 151. P. 124 – 130. DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.07.029

14. Naouar N., Vasiukov D., Park C., et al. Meso-FE modelling of textile composites and X-ray tomography / J. Mater. Sci. 2020. Vol. 55. P. 16969 – 16989. DOI: 10.1007/s10853-020-05225-x

15. Botvina L. R., Shuvalov A. N., Tyutin M. R., et al. Effect of the sample size on the mechanical and acoustic characteristics of concrete / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. N 10. P. 55 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-10-55-63

16. Piggott M. R. Composite Mechanics. Load-Bearing Fibre Composites. — Elsevier, 1980. DOI: 10.1016/B978-0-08-024231-6.50009-X

17. Barksdale R. D. The Aggregates Handbook. — Alexandria, VA; The National Stone, Sand and Gravel Association, 2013. DOI: 10.1002/9781119643098

18. Du C., Liu P., Sun Y., et al. Characterizing asphalt mixtures with random aggregate gradations based on the three-dimensional locally homogeneous model / Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering. 2022. Vol. 37. P. 1687 – 1702. DOI: 10.1111/mice.12796

19. Chamis C. C. Simplified composite micromechanics equations for hygral thermal and mechanical properties. NASA Technical Memorandum 83320. — NASA, 1983. P. 1 – 19. DOI: 10.1177/073168448700600305

20. Li Y., Metcalf J. Two-step approach to prediction of asphalt concrete modulus from two-phase micromechanical models / J. Mater. Civil Eng. 2005. Vol. 17. P. 407 – 415. DOI: 10.1061/(ASCE)0899-1561(2005)17:4(407)