基于细观模型重构的透水混凝土性能预测方法的技术解读

一、背景与行业痛点

透水混凝土作为一种生态友好型建材，其透水性与强度直接受骨料分布、水泥包裹层及孔隙结构的综合影响。传统设计方法依赖《透水混凝土路面技术规程》推荐的体积法，仅能粗略估算总孔隙率，无法精细化预测连通孔隙率、孔径分布、孔道曲折度等关键参数，更难以准确评估透水性能和力学强度。这导致工程实践中常出现设计偏差，制约了透水混凝土的高效应用。

二、技术方案概述

本专利提出的方法通过X射线断层扫描（CT）与三维重构技术，结合形态学算法，构建透水混凝土的细观模型，实现对孔隙特征、透水系数及强度的多维度预测。其核心流程分为四个阶段：

1. 骨料结构数字化

• 采用CT扫描获取粗骨料紧密堆积的断层图像（图2a），通过灰度分割提取骨料分布区域，并三维重构粗骨料模型（图2b）。

• 计算水泥包裹层最大厚度（MPT）：基于骨料表面积、水泥基密度及包裹前后质量差，通过公式
  MPT=ρ⋅SM2−M1
  精确量化水泥包裹极限，确保模型符合实际配比。

2. 水泥包裹层的智能添加

• 未受挤压区域（骨料间距≥预设值）：采用像素膨胀算法均匀包裹（图4中V1区域）。

• 受挤压区域（骨料搭接或间距过小）：通过图像闭运算填充间隙（图4中V2区域），模拟水泥浆挤压流动特性。

• 形态学算法分层处理：

• 此步骤生成含包裹层的透水混凝土三维模型（图5b），精准复现水泥基的空间分布。

3. 孔隙网络建模

• 通过布尔运算剔除骨料与水泥基区域，提取孔隙分布（图6），重构孔隙三维模型。

• 采用边缘轮廓提取与中轴线追踪算法（图7），量化孔隙孔径分布与孔道曲折度
  τ=∑i=1jli/∑i=1jHi
  其中li为孔道长度，Hi为高差，反映流体渗透路径复杂度。

4. 多性能预测体系

• 透水系数：将孔隙模型导入流体仿真软件（如Fluent），计算单位时间透水流量Q，结合达西定律
  k=A⋅ΔhQ⋅L
  预测透水性能。

• 强度预测：基于孔隙率$\varphi$、骨料粒径da与平均孔径dp，建立经验公式
  fPC=fc⋅(1−mϕ)⋅(dpda)n
  综合反映孔隙结构与材料强度的关联性。

三、技术创新点

1. 全参数化孔隙表征
   突破传统单一孔隙率指标，首次实现连通孔隙率、孔径分布、孔道曲折度的同步预测，为透水性能评估提供多维度依据。

2. 形态学包裹层建模技术
   通过区分骨料挤压状态，结合膨胀算法与闭运算，精确模拟水泥浆的填充行为，解决传统体积法忽略骨料接触影响的缺陷。

3. 跨尺度性能预测框架
   集成CT扫描、三维重构与流体力学仿真，构建从微米级孔隙到宏观力学性能的跨尺度预测体系，预测精度较传统方法提升显著。

四、应用价值与行业影响

该方法为透水混凝土的精细化设计提供了科学工具，尤其适用于海绵城市、生态铺装等领域：

• 设计优化：通过调整骨料级配与水泥配比，快速预测不同配方的性能，缩短试验周期。

• 质量控制：结合现场CT检测，实现施工过程中孔隙结构的实时监控。

• 标准升级：推动行业从经验性规范向数字化设计转型，提升工程可靠性与材料利用率。

五、未来展望

随着CT分辨率与计算能力的提升，该方法可进一步融合AI算法优化模型参数，并拓展至再生骨料透水混凝土等新型材料研发，助力绿色建材技术创新。

结语
本专利通过创新性融合影像处理与数值模拟技术，解决了透水混凝土性能预测的行业难题，标志着透水材料设计从经验驱动迈向数据驱动的新阶段，具有显著的学术价值与工程应用前景。