近日，广西大学/同济大学肖建庄教授团队在Computers and Structures发表了题为《Three-Dimensional digitalization modeling and simulation of concrete with real recycled aggregates》的研究论文。

摘要：旧砂浆的存在及再生骨料复杂的组成，使再生骨料混凝土呈现出显著的离散性，导致传统试配设计效率低且重复性差。本研究提出了一套高保真、系统化的再生骨料三维数字化与模拟框架。首先，采用基于Mexican hat小波的几何重构方法，精确表征再生骨料的复杂形貌；通过引入定量形状参数，建立涵盖多种形貌特征的再生骨料数字模型库。随后，将凸包生成与噪声扰动及波前传播方法相结合，分别生成再生骨料的外部形貌和内部天然骨料，从而构建可灵活调控多个参数的虚拟再生骨料生成系统。基于这些模型，利用 Bullet 物理引擎开展真实堆积模拟，再现不同配合比下再生骨料的空间分布。在此基础上，采用离散元法构建六相材料表征模型，实现对再生骨料混凝土力学性能及裂缝扩展过程的模拟。数值模拟结果与实际试验的强度和破坏形态吻合良好，验证了所提出方法的可靠性。总体而言，该框架为再生骨料混凝土的数字化建模与性能预测提供了一条具有良好扩展性的技术路径。

现有研究方法不足

现有再生骨料建模及再生混凝土模拟研究存在以下问题：

（1）传统建模方法多采用规则几何体或均匀包覆层，难以真实表征再生骨料的不规则外形、旧砂浆空间分布及复杂界面。

（2）现有混凝土模型生成方法对骨料体积分数、空间分布和形貌特征的控制能力有限，同时缺乏对再生骨料中旧砂浆含量及其空间分布的有效调控。

（3）再生骨料混凝土包含多种材料及界面，复杂六相属性的准确赋值、砂浆与骨料协同受力状态和裂缝扩展模拟仍面临困难。

研究内容与方法

构建一个从再生骨料数字化建模到数字再生混凝土强度模拟的三维数字化框架，包括：

l 数字采集与重建：通过激光扫描和CT扫描获取再生骨料的外部形貌与内部组成，并采用Mexican hat小波对模型进行压缩和高保真重建，建立真实再生骨料数字模型库。

l 虚拟骨料生成：结合凸包生成、噪声扰动、机器学习和26领域波前传播方法，生成外部形貌以及内部天然骨料分布均可调控的虚拟再生骨料。

l 数字试件构建：利用Bullet物理引擎模拟骨料松散堆积和振动密实过程，通过调节平均碰撞边距生成不同配合比下的三维再生混凝土数字试件。

l 细观力学模拟：基于离散元法建立由新砂浆、旧砂浆、天然骨料及三类界面过渡区组成的六相模型，实现骨料压碎、混凝土受压及裂缝扩展过程的模拟。

数字化框架验证

研究从再生骨料模型的数字存储与重建、数字再生骨料的参数化生成，以及再生混凝土的骨料堆积与力学性能模拟三个层面，对所提出的三维数字化框架进行了系统验证。  

首先，在再生骨料模型的数字存储与重建方面，研究采用Mexican hat小波对真实再生骨料模型进行多分辨率表达。该方法能够在保留骨料整体轮廓及主要凹凸特征的同时，有效降低三维模型的存储需求，并实现再生骨料外部形貌与内部组成的高保真重建，为真实再生骨料模型的数字化存储和后续调用提供基础。  

其次，在数字再生骨料的参数化生成方面，研究通过凸包生成与噪声扰动构建再生骨料的外部形貌，并基于真实骨料形貌数据训练支持向量回归模型，建立目标凹度与噪声强度之间的关系，实现外部形貌的定量控制。在此基础上，采用具有各向异性距离控制的26邻域波前传播方法，生成再生骨料内部的天然骨料，实现对其数量、体积分数和形状的参数化调控，从而形成外部形貌与内部组成均可控制的虚拟再生骨料生成方法。  

最后，在再生混凝土的骨料堆积与力学性能模拟方面，研究利用Bullet物理引擎再现骨料自由落料、颗粒咬合及振动密实过程。模拟堆积密度与试验结果吻合良好 (R²=0.9281)。以RCA−I为例，当碰撞边距由0调整至1 mm时，骨料堆积体积分数可在36.06%−52.17%之间调控，从而生成满足不同配合比要求的三维再生混凝土数字试件。进一步采用离散元法构建由天然骨料、旧砂浆、新砂浆及三类界面过渡区组成的六相模型，模拟单颗再生骨料压碎和再生混凝土受压破坏过程。骨料压碎荷载的模拟结果与试验结果高度吻合(R²=0.9281) ，主要裂缝方向也与试验观察结果总体一致。在混凝土受压过程中，荷载主要集中于试件中部，外围混凝土发生剥落和脱离；通过区分不同接触类型，可追踪各材料相中的裂缝演化。模拟得到的峰值强度、裂缝演化及最终破坏形态均与试验结果总体吻合，验证了该框架用于再生骨料混凝土数字化建模与性能预测的可靠性。

创新与发现

l 建立了真实再生骨料数字模型库，提出基于小波的模型压缩与高保真重建方法，实现再生骨料模型的高效存储与逆向重建。

l 提出了再生骨料参数化生成方法，实现外部形貌、老砂浆含量及内部天然骨料分布的多参数可控生成。

l 基于数字再生骨料模型，利用物理引擎生成再生混凝土数字试件，开展再生骨料压碎、混凝土受压破坏及多界面裂纹萌生与扩展的全过程模拟，揭示各材料相对宏观力学性能和裂纹演化的影响机制。

文章部分图表展示：

图5 CT分割天然骨料与老砂浆相

图6形态参数关联程度

图13 Mexican hat小波重建效果

图16 不同形状参数凸包

图17凸包噪音凹陷过程

图21参数化生成内部天然骨料

图24堆积模拟效果

图27 数字再生混凝土试件

图33 颗粒破碎模拟

图37 各相材料裂纹发展

图39 再生混凝土试验与模拟对比

作者简介：

梅俊杰，广西大学博士生，第一作者

肖建庄，广西大学/同济大学教授，通讯作者

杨海峰，广西大学教授

叶涛华，同济大学博士

蒙秋江，广西产研院绿色低碳技术研究所有限公司工程师

论文DOI:

https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2026.108368