一、背景與行業(yè)痛點(diǎn)

透水混凝土作為一種生態(tài)友好型建材，其透水性與強(qiáng)度直接受骨料分布、水泥包裹層及孔隙結(jié)構(gòu)的綜合影響。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法依賴(lài)《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》推薦的體積法，僅能粗略估算總孔隙率，無(wú)法精細(xì)化預(yù)測(cè)連通孔隙率、孔徑分布、孔道曲折度等關(guān)鍵參數(shù)，更難以準(zhǔn)確評(píng)估透水性能和力學(xué)強(qiáng)度。這導(dǎo)致工程實(shí)踐中常出現(xiàn)設(shè)計(jì)偏差，制約了透水混凝土的高效應(yīng)用。

二、技術(shù)方案概述

本專(zhuān)利提出的方法通過(guò)X射線(xiàn)斷層掃描（CT）與三維重構(gòu)技術(shù)，結(jié)合形態(tài)學(xué)算法，構(gòu)建透水混凝土的細(xì)觀模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙特征、透水系數(shù)及強(qiáng)度的多維度預(yù)測(cè)。其核心流程分為四個(gè)階段：

1. 骨料結(jié)構(gòu)數(shù)字化

• 采用CT掃描獲取粗骨料緊密堆積的斷層圖像（圖2a），通過(guò)灰度分割提取骨料分布區(qū)域，并三維重構(gòu)粗骨料模型（圖2b）。

• 計(jì)算水泥包裹層最大厚度（MPT）：基于骨料表面積、水泥基密度及包裹前后質(zhì)量差，通過(guò)公式
  MPT=ρ?SM2?M1
  精確量化水泥包裹極限，確保模型符合實(shí)際配比。

2. 水泥包裹層的智能添加

• 未受擠壓區(qū)域（骨料間距≥預(yù)設(shè)值）：采用像素膨脹算法均勻包裹（圖4中V1區(qū)域）。

• 受擠壓區(qū)域（骨料搭接或間距過(guò)?。和ㄟ^(guò)圖像閉運(yùn)算填充間隙（圖4中V2區(qū)域），模擬水泥漿擠壓流動(dòng)特性。

• 形態(tài)學(xué)算法分層處理：

• 此步驟生成含包裹層的透水混凝土三維模型（圖5b），精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)水泥基的空間分布。

3. 孔隙網(wǎng)絡(luò)建模

• 通過(guò)布爾運(yùn)算剔除骨料與水泥基區(qū)域，提取孔隙分布（圖6），重構(gòu)孔隙三維模型。

• 采用邊緣輪廓提取與中軸線(xiàn)追蹤算法（圖7），量化孔隙孔徑分布與孔道曲折度
  τ=∑i=1jli/∑i=1jHi
  其中li為孔道長(zhǎng)度，Hi為高差，反映流體滲透路徑復(fù)雜度。

4. 多性能預(yù)測(cè)體系

• 透水系數(shù)：將孔隙模型導(dǎo)入流體仿真軟件（如Fluent），計(jì)算單位時(shí)間透水流量Q，結(jié)合達(dá)西定律
  k=A?ΔhQ?L
  預(yù)測(cè)透水性能。

• 強(qiáng)度預(yù)測(cè)：基于孔隙率$?$、骨料粒徑da與平均孔徑dp，建立經(jīng)驗(yàn)公式
  fPC=fc?(1?m?)?(dpda)n
  綜合反映孔隙結(jié)構(gòu)與材料強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性。

三、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1. 全參數(shù)化孔隙表征
   突破傳統(tǒng)單一孔隙率指標(biāo)，首次實(shí)現(xiàn)連通孔隙率、孔徑分布、孔道曲折度的同步預(yù)測(cè)，為透水性能評(píng)估提供多維度依據(jù)。

2. 形態(tài)學(xué)包裹層建模技術(shù)
   通過(guò)區(qū)分骨料擠壓狀態(tài)，結(jié)合膨脹算法與閉運(yùn)算，精確模擬水泥漿的填充行為，解決傳統(tǒng)體積法忽略骨料接觸影響的缺陷。

3. 跨尺度性能預(yù)測(cè)框架
   集成CT掃描、三維重構(gòu)與流體力學(xué)仿真，構(gòu)建從微米級(jí)孔隙到宏觀力學(xué)性能的跨尺度預(yù)測(cè)體系，預(yù)測(cè)精度較傳統(tǒng)方法提升顯著。

四、應(yīng)用價(jià)值與行業(yè)影響

該方法為透水混凝土的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)工具，尤其適用于海綿城市、生態(tài)鋪裝等領(lǐng)域：

• 設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過(guò)調(diào)整骨料級(jí)配與水泥配比，快速預(yù)測(cè)不同配方的性能，縮短試驗(yàn)周期。

• 質(zhì)量控制：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)CT檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

• 標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)：推動(dòng)行業(yè)從經(jīng)驗(yàn)性規(guī)范向數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型，提升工程可靠性與材料利用率。

五、未來(lái)展望

隨著CT分辨率與計(jì)算能力的提升，該方法可進(jìn)一步融合AI算法優(yōu)化模型參數(shù)，并拓展至再生骨料透水混凝土等新型材料研發(fā)，助力綠色建材技術(shù)創(chuàng)新。

結(jié)語(yǔ)
本專(zhuān)利通過(guò)創(chuàng)新性融合影像處理與數(shù)值模擬技術(shù)，解決了透水混凝土性能預(yù)測(cè)的行業(yè)難題，標(biāo)志著透水材料設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)邁向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新階段，具有顯著的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用前景。