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基于三维实体建模的集料形态学特征量化方法探索与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

集料作为复合材料的关键组成部分，在材料科学、道路工程等众多领域中发挥着不可或缺的作用。其形态学特征，包括形状、棱角性、表面纹理等，对复合材料的性能有着深远的影响。在材料科学领域，准确把握集料形态学特征与复合材料性能之间的关系，是研发高性能复合材料的基础。通过深入研究，可以为新型材料的设计提供关键依据，推动材料科学的发展，满足航空航天、汽车制造等高端领域对材料性能的严苛要求。在道路工程领域，集料的形态学特征直接关系到沥青混合料的性能，进而影响道路的使用寿命和行车安全。例如，棱角性好、表面纹理粗糙的集料，能够增强沥青与集料之间的粘附力，提高沥青混合料的抗滑性能和耐久性，减少道路病害的发生。

传统的集料形态学特征研究方法，如筛分法、游标卡尺法、间隙率法和流动时间法等，存在诸多局限性。这些方法操作复杂，需要耗费大量的时间和人力，且容易受到人为因素的干扰，导致测量结果的准确性和可靠性较低。同时，它们往往只能获取集料的部分形态信息，难以全面、准确地表征集料的三维形态特征，无法满足现代工程对集料性能深入研究的需求。

随着计算机技术和图像处理技术的飞速发展，三维实体建模技术应运而生，并逐渐应用于集料形态学特征的研究中。三维实体建模技术能够通过非接触式测量设备，如三维扫描仪、X射线计算机断层扫描（CT）等，快速、准确地获取集料表面的三维坐标数据，进而构建出精确的集料三维实体模型。借助该模型，可以从多个维度对集料的形态学特征进行全面、细致的量化分析，为集料性能的研究提供了更为丰富、准确的数据支持。这一技术的出现，极大地推动了集料形态学特征研究的发展，使研究人员能够更加深入地了解集料的性能，为复合材料的优化设计和工程应用提供了有力的技术支撑。

本文旨在深入研究基于三维实体建模的集料形态学特征量化方法，通过构建精确的集料三维实体模型，全面、准确地表征集料的形态学特征，并建立相应的量化指标体系。这一研究不仅有助于深化对集料性能的理解，揭示集料形态学特征与复合材料性能之间的内在联系，还能为复合材料的设计、生产和质量控制提供科学依据，具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论方面，丰富了集料形态学特征研究的方法和理论体系；在实际应用中，能够指导道路工程、建筑工程等领域合理选择和使用集料，提高工程质量，降低工程成本。

1.2国内外研究现状

在国外，三维实体建模技术在集料形态学特征量化研究方面起步较早。美国材料与试验协会（ASTM）在早期就开展了相关研究，致力于制定基于三维技术的集料形态学特征量化标准，推动了该领域研究的规范化和标准化发展。早期研究主要集中在利用简单的三维测量设备获取集料的基本形状信息，如使用三维激光扫描仪对集料进行扫描，获取其表面点云数据，进而计算集料的三轴尺寸、体积等基本参数，初步实现了对集料形状的量化描述。

随着技术的不断进步，国外学者开始深入研究集料的复杂形态特征。英国的一些研究团队利用先进的X射线CT技术，对集料进行高精度扫描，不仅能够获取集料的外部形状，还能清晰地观察到集料内部的结构特征。在此基础上，通过开发复杂的图像处理算法，实现了对集料棱角性、表面纹理等特征的量化分析。例如，通过对CT图像的分割和分析，提取集料的棱角数量、棱角长度等参数，用于评估集料的棱角性；利用灰度共生矩阵等方法，分析集料表面纹理的粗糙度和方向性，从而更全面地表征集料的表面纹理特征。

在国内，近年来基于三维实体建模的集料形态学特征量化研究也取得了显著进展。众多高校和科研机构纷纷开展相关研究工作，针对不同应用领域的需求，提出了一系列创新的方法和技术。华南理工大学的研究团队针对路用集料，设计了一种集料颗粒CT扫描装样装置，该装置能最大限度地提高集料的扫描与建模效率且具备结构简单、使用方便及便于推广的特点。通过断层扫描图像的标定与图像处理算法实现集料颗粒的三维重构，重构后的三维模型可用于集料的三维形态学评价、集料3D打印或用于考虑集料真实集料形态学特征的数值仿真。长安大学的学者则基于非接触式近景白光扫描仪，获取集料表面的特征点阵，建立颗粒的实体模型。采用6个相互独立的特征参数分别表征集料颗粒在不同层次的三维形貌特征，给出了基于集料扫描点云数据的特征参数计算与分析方法。定量评价了4种岩性路用集料的三维形貌特征，同时开展了集料的磨光试验，探讨了三维粗糙度指标的适用性。

尽管国内外在基于三维实体建模的集料形态学特征量化研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之处。一方面，现有研究中所采用的量化指标体系尚未完全统一，不同研究团队提出的指标和方法存在差异，导致研究结果之间缺乏可比性，难以形成广泛认可的通用标准。另一方面，目前对集料形态学特征与复合材料性能之间