本發(fā)明屬于顆粒材料，具體涉及一種多孔易碎顆粒的破碎過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化的模擬方法。適用于分析顆粒破碎引起的孔隙率變化及孔隙結(jié)構(gòu)演化。

背景技術(shù)：

1、多孔易碎巖土顆粒材料，如碳酸鹽顆粒材料、火山巖顆粒材料、冰磧土顆粒材料、膨脹土顆粒材料等，在自然界和工程領(lǐng)域中廣泛存在。例如，以珊瑚粗粒為代表的碳酸鹽顆粒常見于熱帶和亞熱帶的沿海地區(qū)和陸地沉積地層，具有獨特的生物框架結(jié)構(gòu)因而內(nèi)部孔隙豐富，骨架易碎。這類材料通常因其高孔隙率和低抗壓強度，在自然環(huán)境中易因地震、坍塌、洪水等外力作用而發(fā)生顆粒破碎，進而引發(fā)孔隙結(jié)構(gòu)顯著演化，最終導(dǎo)致力學(xué)性能弱化及滲透特性變化。在工程領(lǐng)域中，因地制宜地取材能最大程度的降低經(jīng)濟成本，減少環(huán)境污染。存在于不同環(huán)境下的多孔易碎巖土顆粒材料往往是當(dāng)?shù)氐貙拥闹匾M成成分，在現(xiàn)實中，這些材料被廣泛應(yīng)用于堤壩、路基和填方等工程。然而其在工程荷載作用下易發(fā)生顆粒破碎，破碎過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化往往成為影響工程穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素。因此，研究這類材料的孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律對于理解其性能演變及優(yōu)化工程應(yīng)用具有重要意義。

2、目前，研究多孔易碎材料孔隙結(jié)構(gòu)演化的技術(shù)方法主要包括掃描電子顯微鏡(sem)、壓汞法(mip)和核磁共振成像(nmr)。其中，sem技術(shù)能夠精細觀測顆粒表面的孔隙形態(tài)和微觀特征，分辨率高且適合表征孔隙的局部幾何細節(jié)，但其視場范圍較小，僅能觀察樣品的局部區(qū)域，無法反映整體孔隙結(jié)構(gòu)特征，且只能用于靜態(tài)監(jiān)測。mip技術(shù)通過測定汞在不同壓力下的滲入特性，能夠量化總孔隙率和孔徑分布，特別適合描述材料的宏觀孔隙特征。然而，其測試過程具有破壞性，對樣品孔隙結(jié)構(gòu)造成不可逆損傷，同時無法捕捉顆粒破碎過程中孔隙結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。nmr技術(shù)則利用磁共振信號無損檢測樣品內(nèi)部的孔隙分布，具有無損、高效的優(yōu)點，但分辨率較低，難以準確表征復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)和多尺度孔隙結(jié)構(gòu)。總體而言，這些傳統(tǒng)技術(shù)主要局限于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，缺乏對顆粒破碎過程中孔隙率動態(tài)演化的連續(xù)監(jiān)測能力，也無法揭示孔隙結(jié)構(gòu)變化與材料力學(xué)性能、滲透行為之間的關(guān)聯(lián)機制，限制了其在動態(tài)過程研究中的應(yīng)用潛力。

3、近年來x射線計算機斷層掃描(x-ct)技術(shù)在多孔材料研究中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的三維無損重構(gòu)，但針對多孔易碎巖土顆粒材料破碎過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演化，現(xiàn)有研究仍以靜態(tài)分析為主，缺乏多尺度動態(tài)監(jiān)測與關(guān)聯(lián)建模的系統(tǒng)框架。這使得如何精確表征顆粒破碎過程中孔隙率、孔隙等效直徑和孔隙連通度等孔隙結(jié)構(gòu)性參數(shù)的動態(tài)變化，并進一步揭示其對力學(xué)行為和滲透性能的影響，成為當(dāng)前研究中亟待解決的重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于現(xiàn)有技術(shù)中多孔顆粒破碎過程孔隙率演化研究的不足，本發(fā)明提供了一種多孔易碎顆粒的破碎過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化的模擬方法，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中難以實現(xiàn)顆粒破碎過程中孔隙率連續(xù)動態(tài)監(jiān)測和定量分析的問題。

2、為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種多孔易碎顆粒的破碎過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化的模擬方法，包括以下步驟：

4、1、試樣準備：將試樣在溫度為110℃的烘箱內(nèi)烘干，當(dāng)含水率為0％時，將烘干后的試樣取出，過孔徑為2mm的篩子，挑選直徑d>2mm的顆粒，用細毛刷掃除樣品的表面的粉塵和雜質(zhì)，獲得待測樣品；

5、2、x-ct掃描：將試樣用雙面膠粘在高分辨率的x-ct掃描儀的試驗臺上，使試樣的長軸垂直于試驗臺，使用x-ct掃描儀對樣品進行掃描，掃描電壓120kv，電流150μa，分辨率20μm，獲得tiff格式的顆粒斷層圖像數(shù)據(jù)文件，tiff格式文件的分辨率需超過1000像素點；

6、3、圖像處理：將tiff格式文件導(dǎo)入avizo(2022版)軟件中，利用“non-localmeans”算法去除掃描過程中產(chǎn)生的噪聲，通過“volume?edit”功能切割圖像區(qū)域，去除固體界面外多余空間體素，得到分析體；

7、4、三維重構(gòu)：對步驟3中得到的分析體使用“thresholding”工具，設(shè)置閾值將孔隙與顆粒主體分離；采用“watershed”算法進一步細化孔隙區(qū)域的邊界；通過“volumerendering”功能基于處理后的圖像序列生成顆粒主體的三維渲染模型；

8、5、多尺度模擬：為模擬顆粒破碎帶來的顆粒體積減小，通過“extract?subvolume”功能，將步驟4中初始三維模型劃分為體積的多個不同尺度主體，并通過“volumerendering”功能分別建立多個不同尺度主體三維渲染模型；

9、6、孔隙提取：對步驟5中得到的多個不同尺度主體三維渲染模型，分別利用“thresholding”工具進行孔隙閾值分割，通過“volume?rendering”功能得到三維孔隙渲染模型；

10、7、孔隙率分析：利用“volume?fraction”模塊，計算模型的總孔隙率與二維切片面孔率，計算方法是：總孔隙率(φv)是由步驟6中各孔隙模型所占的體素體積(vpore)，以及步驟5中各主體模型所占的體素體積(vmodel)之間的百分比得到：φv越接近于1，說明模型的孔隙率越大，越接近于0，說明模型的孔隙率越??；二維切片面孔率(φs)是由切片孔隙面積(spore)，以及切片總面積(ss)的百分比得到：φs越接近于1，說明切片的面孔率越大，越接近于0，說明切片的面孔率越??；

11、8、孔隙連通性分析：利用“axis?connectivity”功能，對步驟6中的各體積尺度的孔隙三維渲染模型進行連通性分析。若分析結(jié)果中“data?info”顯示“min-max:0...1”，說明對應(yīng)的模型存在連通孔隙，即存在連通性；若分析結(jié)果中“data?info”顯示“min-max:0...0”，說明對應(yīng)的模型不存在連通孔隙，即不存在連通性；

12、9、連通孔隙率分析：若步驟8中孔隙三維渲染模型存在連通孔隙，進一步地，通過“volume?rendering”功能，基于步驟8中得到的連通孔隙數(shù)據(jù)體，計算連通孔隙率。計算方法是：利用連通孔隙三維渲染模型所占的體素體積(vtp)，以及步驟5中各主體三維渲染模型所占的體素體積(vmodel)的百分比得到連通孔隙率(φt)：φt越接近于1，模型的連通性越強，越接近于0，模型的連通性越弱；

13、10、孔隙結(jié)構(gòu)性參數(shù)分析：基于步驟6中得到的各體積尺度的孔隙三維渲染模型，采用“l(fā)abel?analysis”功能，根據(jù)輸出結(jié)果計算孔隙結(jié)構(gòu)性參數(shù)，孔隙結(jié)構(gòu)性參數(shù)是單個孔隙體積(vpi)、等效直徑(de)、形狀因子(gp)。其計算方法是：孔隙體積(vpi)直接由單個孔隙所占空間體素的體積得出；等效直徑(de)由關(guān)于單個孔隙體積(vpi)的公式得出：形狀因子(gp)則由孔隙橫截面積(s)和孔隙周長(p)定義得到：

14、優(yōu)選地，所述步驟1中，多孔巖土顆粒材料的粒徑建議為20-40mm。

15、優(yōu)選地，所述步驟2中，高分辨率x-ct掃描儀建議分辨率為10-30μm。

16、優(yōu)選地，所述步驟5中，初始三維模型劃分為其體積的尺度，即尺度，進一步地，體積尺度為尺度，即尺度的三維模型需取自體積尺度為的三維模型內(nèi)部，依此類推，體積尺度為即尺度的三維模型需取自體積尺度為的三維模型內(nèi)部，體積尺度為即的三維模型需取自體積尺度為的三維模型內(nèi)部。逐級尺度的劃分方法能夠保證模擬是基于同一破碎塊進行的，保證了分析的準確性。

17、優(yōu)選地，所述步驟7，進一步地，利用得到的初始主體模型體積尺度下的總孔隙率(φv)，建立φv與不同尺度體積的對應(yīng)關(guān)系曲線關(guān)系，進而獲得顆粒多尺度破碎對于總孔隙率的影響，并查明該發(fā)明方法是否存在尺度效應(yīng)，具體方法是：對于均質(zhì)的顆粒材料，在理想條件下，體積尺度下的φv應(yīng)一致。

18、優(yōu)選地，所述步驟9，進一步地，利用得到的初始主體模型體積尺度下的連通孔隙率(φt)，建立連通孔隙率(φt)與不同尺度體積對應(yīng)曲線關(guān)系，進而獲得顆粒多尺度破碎過程中孔隙結(jié)構(gòu)連通性的變化。

19、優(yōu)選地，所述步驟10，進一步地，利用步驟10中得到的單個孔隙體積(vpi)、等效直徑(de)、形狀因子(gp)，建立孔隙體積、等效直徑分布頻率圖，及平均等效直徑(de)、形狀因子(gp)其與各尺度體積之間的變化曲線，實現(xiàn)顆粒破碎對孔隙結(jié)構(gòu)影響的目的。

20、本發(fā)明基于x-ct技術(shù)和avizo軟件，提出了一種多孔易碎顆粒的破碎過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化的模擬方法。利用高分辨率斷層掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合avizo軟件的去噪、分割和建模功能，精準提取顆粒破碎過程中的孔隙結(jié)構(gòu)變化，通過微觀尺度下單顆粒的三維重構(gòu)與孔隙結(jié)構(gòu)分析，以及微觀尺度下顆粒群體破碎行為的整體模擬，動態(tài)量化孔隙率及其關(guān)鍵參數(shù)(如孔徑分布、連通性等)的演化規(guī)律，建立破碎程度與孔隙率變化的定量關(guān)聯(lián)模型，為多孔顆粒材料的性能預(yù)測與工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

22、1、利用x-ct技術(shù)與avizo軟件的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒破碎過程中孔隙率動態(tài)變化的高精度無損監(jiān)測，無需開展宏觀力學(xué)試驗，提升了工作效率，同時試驗結(jié)果具有較高的準確性；

23、2、本發(fā)明建立了微觀尺度(單顆粒內(nèi)部孔隙演化)與微觀尺度(顆粒群體整體行為)的多尺度模擬框架，能夠全面表征顆粒破碎對孔隙率及其他關(guān)鍵參數(shù)(如孔徑分布、連通性、形狀因子等)的影響，具有原理清晰，同時獲得多個試驗參數(shù)的優(yōu)點；

24、3、本發(fā)明流程標準化、自動化、操作簡便，方法原理清晰，操作簡便，成本較低，研究人員無需掌握復(fù)雜專業(yè)知識即可使用，降低了分析門檻和人工成本；同時，相較于傳統(tǒng)實驗方法，樣品制備簡單，試驗成本顯著降低；

25、4、本發(fā)明范圍廣，適用于多種多孔易碎顆粒材料，如碳酸鹽顆粒、珊瑚粗粒等，特別是在需要精確表征孔隙率演化規(guī)律和顆粒性能預(yù)測的工程研究中，具有顯著的優(yōu)勢；

26、5、本發(fā)明填補了現(xiàn)有技術(shù)中無法動態(tài)量化顆?？紫堵恃莼?guī)律的空白，通過多尺度框架與高分辨率動態(tài)分析的結(jié)合，利用x-ct技術(shù)與avizo軟件結(jié)合，無損、快速地重構(gòu)顆粒三維孔隙結(jié)構(gòu)，精準量化孔隙率的多尺度變化，為多孔易碎顆粒材料的性能研究與工程應(yīng)用提供了一種高效可靠的解決方案；為多孔顆粒材料性能研究與工程應(yīng)用提供了新工具和新路徑。