基于XCT扫描技术的铁路路基翻浆冒泥机理研究

为研究铁路基床性翻浆冒泥的发生机理,本文结合XCT扫描试验技术试验观测了循环荷载下饱和基床翻浆冒泥通道形成全过程,以及发生翻浆冒泥时内部孔隙水的运移规律。研究表明,基床内翻浆冒泥通道的形成是铁路路基翻浆冒泥启动的关键。静荷载作用下,基床内不会出现翻浆冒泥通道,底部孔隙水随荷载次数增加而整体上升;当土体受到循环荷载时,基床孔隙水压迅速累积升高,在土体内部逐渐发育出输水通道,导致路基底层颗粒向上迁移而形成翻浆冒泥。基床性翻浆冒泥可分为3个阶段,孔压累积阶段、通道发展阶段与抽吸阶段。翻浆冒泥通道发展速度随着荷载幅值的增大而增加。最后采用嵌入强间断数值方法来模拟土体试验时翻浆冒泥通道的发展,分析了不同土体黏聚力对地基输水通道形成的影响规律,发现随着土体黏聚力的升高,土体内输水通道发展速度降低。本研究可为软土地基道路翻浆冒泥的预防与治理提供参考。

基于XCT扫描图像的混凝土二维细观受压断裂模拟

为了研究混凝土细观层次断裂力学特性,对混凝土试件进行原位XCT扫描,基于扫描图像提出了具有真实内部结构特征的混凝土二维细观模型,并预先在水泥砂浆和骨料-水泥砂浆界面插入零厚度粘结裂缝单元用以模拟潜在的裂缝。通过对该模型进行混凝土单轴受压数值仿真模拟,讨论其裂缝的发展过程以及不同细观结构和相应参数对混凝土断裂损伤行为的影响。结果表明:数值模拟得到的混凝土二维模型抗压强度与试验测得的强度相接近;混凝土的抗压强度受到水泥砂浆和骨料-砂浆界面裂缝单元的绝对数值影响,其中水泥砂浆裂缝单元强度对材料强度起控制作用;骨料-砂浆界面裂缝单元强度与水泥砂浆裂缝单元强度的比率对裂缝衍生发展有显著影响。

基于XCT扫描图像的混凝土粗骨料二维细观形态

混凝土中粗骨料的微细观形态特征对混凝土宏观力学性能具有重要影响。基于边长为20 mm的混凝土立方体试件的XCT(X-ray computed tomography)扫描图像,通过构建的规则程度指标、凹凸程度指标对骨料二维形态特征进行了研究。结果表明:可选择长宽比、椭圆相似度、棱角度三个参数来有效表征粗骨料二维形态特征;通过对大量骨料二维投影进行形态指标统计分析,发现长宽比、椭圆相似度、棱角度的数值分别主要集中在区间(1,3)、(0.8,1)、(1,1.1)内,且三者之间满足二次多项式分布。研究结果可为混凝土粗骨料三维形态表征研究提供基础参考。

应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究

物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技术,结合前沿的机器学习算法重建和定量分析多孔介质微观结构,可快速、批量创建高分辨率的复杂多孔介质研究样本。首先采用XCT技术,提取石英砂和散装土壤两类典型多孔介质的微观孔隙结构;而后基于生成对抗神经网络(GAN)模型重构复杂多孔介质的微观空间结构,与XCT扫描图像进行交叉验证;最后,计算获取Minkowski形态学参数,并基于多孔介质微观结构开展计算流体力学(CFD)数值模拟,计算石英砂和土壤多孔介质内的流动特征和渗透率。结果表明:1)GAN生成的合成数据与原始数据符合KS同分布,说明GAN能够成功合成与原始图像结构空间分布模式一致的图像;2)Minkowski宏观参数评价误差的较小,KS同分布结果表明,多孔介质样本的结构异质性会在一定程度上影响GAN模型的计算精度和效率;3)Open FOAM模拟计算得到的渗透率结果表明,GAN模型生成的多孔介质图像与原始图像具有一致的统计特征和物理性质。综上,综合运用前沿的XCT扫描、图像处理技术和机器学习算法,构建了土壤微观结构重建和定量分析模型,并结合多孔介质形态学和计算流体力学方法对模型进行了验证和分析。该研究为多孔介质微观结构研究提供了新技术和新方法,为进一步研究复杂多孔介质内溶质运移提供了科技支撑。

水泥浆体中石墨烯纳米片团聚的X射线计算机断层扫描解析

为了实现纳米颗粒在水泥基材料中的均匀分散以及探究如何无损地检验纳米颗粒的分散程度,利用石墨烯纳米片(GNPs)作为代表性的碳纳米添加剂,设置3种不同的超声分散方式(VSD)-直接、间接和直接-间接结合分散,得到具有不同GNPs分散状态的水泥浆体.利用X射线计算机断层扫描技术(XCT)对孔隙和石墨烯团聚体进行无损表征;基于两者的形状特征差异(球形度和紧密度)筛分出GNPs团聚体,解析其分布、数量和粒径等;利用扫描电子显微镜(SEM)对GNPs团聚体形貌进行观察;进行抗压强度测试以验证GNPs分散情况对宏观性能的影响.XCT结果表明基于形状特征能够无损地区分出GNPs团聚体,直接分散作用下GNPs团聚体数量和累计体积均最小;SEM观测结果表明GNPs团聚体具有复杂多样的形貌;力学测试结果表明抗压强度与分散质量呈正相关关系.

考虑级配影响的透水性基床填料细观空隙特征研究

大空隙级配碎石填料因其较好的渗透性能广泛应用于透(排)水性基床,然而级配对细观三维空隙特征的影响尚不明确。针对此不足,对3种代表性级配的透水性基床填料试样开展室内新型平板振动压实试验,并对压实后的试样进行高精度工业XCT扫描,重构其三维模型并获取其内部空隙,计算面空隙率、等效体积和三维形态等空隙结构特征指标,分析不同级配(颗粒堆积结构)对其三维形态及分布规律的影响。研究结果表明,不同级配的试样其内部面空隙率沿高度方向总体呈对称分布,即两端大中部小,骨架密实型颗粒堆积结构试样其面空隙率处于最低水平且沿高度方向的差异性最小,骨架空隙型颗粒堆积结构试样其面空隙率最大且不均匀性也最大;随着颗粒堆积结构从悬浮密实型过渡至骨架密实型再至骨架空隙型,试样内部空隙总数量大幅减小,孤立微空隙和小空隙数量减小,连通性较好的中空隙与大空隙增多;空隙形态逐渐演化为不规则型和长条型,并从较为圆润丰满型过渡至边缘残缺型,具有更好的连通性,可提供水气运移的通道。优化颗粒堆积结构有利于形成连通空隙并提供渗流通道,进而提升基床填料的水−力特性。研究结果可为透水性级配碎石基床填料的优化设计提供理论依据和技术参考。

基于X射线断层扫描术的黏性土-混凝土接触面剪切-渗流机理研究

高心墙堆石坝心墙和岸坡混凝土垫层接触部位错切变形大,常通过设置接触黏土来增强这一位置的变形协调性和抗渗透破坏能力。已有试验研究表明,黏性土和混凝土接触面一般在大剪切变形下的抗渗透破坏能力增强,但其机理尚不明确。本文对这一机理展开研究。对黏性土-混凝土接触面进行了一组剪切-渗流试验,并对其中一个试样在不同阶段于接触面附近取样,利用X射线断层扫描术(即XCT扫描)试验对其进行微观结构扫描。通过图像处理软件对试样进行三维结构重建,并提取了在试验过程中不同相对位移下接触面附近土样的表观孔隙率分布。通过对表观孔隙率的分布及XCT扫描的典型截面图像分析,研究了黏性土-混凝土接触面在一定固结压力下发生大剪切变形后抗渗能力增强的机理。

X射线计算机断层扫描成像在纺织技术中的应用

传统光学成像或扫描电镜成像作为微观结构的分析方法只能观测到材料外观形貌,难以实现材料内部结构的三维表征,在一定程度上限制了其在纺织领域中的应用。为促进三维电子计算机断层扫描(CT)技术在纺织领域的应用和发展,本文首先介绍X射线计算机断层扫描成像(XCT)在纺织应用上的测试设备、测试方式以及图像质量的影响因素;进一步综述XCT技术在织物内部结构表征、辅助建模预测织物性能(热传递性、压缩性)以及纱线研究等方面的应用进展;最后总结XCT技术在纺织应用上的优缺点,同时针对XCT在纺织领域中研究的匮乏,对未来XCT技术的潜在应用进行了展望。

利用多重-大津阈值算法和扫描电镜分割CT图像

XCT(X-ray computed tomography)是一种高效评价页岩三维特征和非均质性的方法。阈值通常用于在背景图像上分割孔隙-裂缝,但是很少对多元素分割体CT(computed tomography)图像进行研究。为了获取不同元素在三维尺度上的分布特征,综合利用大津阈值分割算法和场发射环境扫描电镜提出了一种新的分割方法:首先确定不同元素分布的灰度值,根据灰度值把页岩分成几个不同的矿物组分区域,利用大津阈值算法求取每个矿物组分区域,利用分割方法处理的页岩样品叠加形成CT图像,另一个CT图像用于验证该方法。结果表明,多元素分割方法可以利用C_T计算的数值成功分割叠加的CT图像,该方法与实验室进行的XRD(X-ray diffraction)、总有机碳质量分数、孔隙度测试等结果相符;相同物源和矿物组分的样品在背散射电子(BSE)和CT图像上有相同的灰度区域分布;该方法根据灰度区域分布原理对相同物源、矿物组分的页岩样品进行分割,比人为CT图像叠加分割样品方法更有效、更准确。因此,在页岩XCT图像分割中,进一步采用扫描电镜和多重-大津阈值算法进行多分量分割,能更好地提高页岩XCT图像分割的精度,同时该算法也能对其他区块页岩XCT图像研究起到一定的指导作用。

振动荷载下不同级配的基床粗粒土填料孔隙连通性特征研究

路基基床粗粒土填料多采用振动压实方法填筑碾压,然而,目前尚不清楚级配对其压实后的三维孔隙连通性及渗流特性等的定量影响。为此,基于颗粒堆积理论设计G/S(石砂质量比)为1.0、1.8、2.5的基床粗粒土填料,开展室内新型平板振动压实试验并确定最优激振参数组合,针对在最优压实工况下的填料试样进行工业X射线计算机断层扫描(XCT)和三维模型重构,结合图像处理技术和最大球算法等量化其三维孔喉的连通性,进而模拟并对比分析不同级配类型填料试样的渗流特性。研究结果表明:当干密度较大时,激振频率为25 Hz,激振力为1.4 kN且激振时间至少为60 s;随着G/S增大,孔隙的喉道长度及半径均增大,中孔隙及大孔隙数量增多,平均孔隙半径增大;孔喉比可更准确地表征填料的渗透性能,即孔喉比增大,孔隙的平均配位数增大,孔隙的喉道增长、半径增大,孔隙连通性增大;G/S主要通过影响孔隙半径、喉道长度、三维孔隙连通性决定渗流速度,即G/S增大,孔隙的喉道形态由细长型渐变为粗短型,直至形成粗而长的渗流通道;在保证压实质量和施工后受力变形稳定性的前提下,可选用G/S较大的级配,以确保粗粒土填料振动压实后的孔隙连通性及渗透性能。