CN102944566A

CN102944566A - 基于工业ct机的沥青混合料数字成像精度测试方法

Info

Publication number: CN102944566A
Application number: CN2012104785933A
Authority: CN
Inventors: 谭忆秋; 任俊达; 邢超; 姚形傲; 边鑫; 龚湘兵; 张红; 许振宇; 王海朋; 张磊
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-02-27

Abstract

基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，涉及土木工程领域。它为了解决现有的X-ray CT技术存在无法准确、可靠获取沥青混合料数字成像精度的问题。该方法为启动工业CT机，对CT机进行暖机处理；在发射X射线出口处覆盖金属片；将待扫描标准试件放到旋转台中心，发射X射线；将旋转台做360度旋转，从控制软件操作界面中观察旋转过程中待扫描标准试件轮廓是否超出了该界面窗口范围，若超出范围，调整待扫描标准试件沿着X射线方向前后坐标位置；反之，进入对待扫描标准试件扫描状态；扫描结束后停止发射X射线，通过CT机软件对标准试件进行图像重构，比较扫描成像下体积参数与真实体积参数差异，获取数字成像精度。

Description

基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法

技术领域

本发明涉及一种料数字成像精度评价方法，具体涉及基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法。

背景技术

2012年我国高速公路新增通车里程1.1万公里，截止2012年底，我国高速公路通车总里程预计达到9.6万公里，居世界第二，且沥青路面是我国高速公路主要路面型式。沥青路面具有表面无接缝、表面平整、行车舒适，与轮胎附着力好、减振性良好、且噪声小、养护维修简单等诸多优点。然而如果材料组成、施工工艺不当，以及受各种因素的作用，沥青路面面层就会出现高温软化、低温开裂、耐久性差等不良现象，从而导致路面使用期限缩短或维修费用提高。

长期以来，国内外研究人员在此领域进行了积极探索，从改善材料的角度，先后使用了大量的改性方法、不断调整级配、修正各种体积指标以及加强施工质量控制等方法来试图改善路用性能，减少车辙病害，延长路面的使用寿命。但由于问题的复杂性，目前还没有从根本上扭转我国沥青路面车辙破坏的趋势。

近年来，研究人员逐渐意识到沥青混合料的微观结构对其宏观力学特性影响的重要性，越来越多的学者开始致力于研究沥青混合料内部微细观结构与外部宏观力学特性之间的关系。沥青混合料的路用性能不仅受到空隙率、矿料间隙率以及粗集料骨架间隙率等体积指标的影响，且与组成材料的形态、性能有密切关系。传统的体积设计方法和参数不能全面的反映混合料的所有特性，关于沥青路面的微细观结构的研究，逐渐成为解决沥青路面复杂行为问题的切入点和着力点。

（1）工业X-ray CT技术技术革新

美国ASCE(American Society of Civil Engineering)刊物“Journal of computing in civilengineering”1999年出版了题为“土木工程中的图像处理技术”(Imaging Techniques in CivilEngineering)专刊，在科研领域引起了强烈反响，该国际权威期刊于2004年1月再次出版了题为“基于图像处理技术的土木工程材料分析与建模“(Advances in the Characterizationand Modeling of Civil Engineering Materials Using Imaging Techniques)的专刊，详细介绍了数字图像处理技术在美国土木工程材料研究领域的最新进展，这标志着数字图像处理技术在土木工程研究领域的逐渐成熟与完善。三维数字图像处理是以核磁共振和X射线断层扫描装置（X-ray Computed Tomography，简称X-ray CT）为技术手段，通过获取试件内部连续断层图像来反映沥青混合料真实的三维空间结构信息，其中基于X-ray CT技术获取的数字图像更加真实，更加准确，图像重构的精度极高，显现出极强的发展潜力和应用前景。X-ray CT是射线技术与计算机技术结合的产物，利用X射线辐射成像。当X射线穿透物质时，其辐射强度呈指数型衰减并且衰减率仅与物质密度相关，因此，可以建立物质密度和射线吸收率（CT数）的换算关系并可转化为对应像素灰度值，从而得到物体的三维信息，并可通过三维可视化技术得到物体的三维重构图像，相对于医用CT而言，工业CT具备更强的辐射能力，同时具备定量、无损及实时检测等特殊优势，广泛应用于各类工业部门的测试与研究。

（2）沥青混合料微细观结构分析

1998年，美国联邦公路局与特纳公路研究中心(TFHRC)联合开展了SIMAP研究计划，准备运用数字图像、X-ray CT、光弹镜像技术对沥青混合料内部的集料取向、离析、接触状况、空隙分布、胶浆分布等进行识别，并对沥青混合料的内部组成状况进行三维重建，对其宏观力学与强度机理进行数值模拟。我国华南理工大学张肖宁教授对基于X-ray CT的沥青混合料计算机辅助设计技术的研究进展进行了总结，对应用X-ray CT技术的沥青混合料性能的虚拟试验研究和进一步研究需要解决的关键技术问题展开了讨论，在阐述技术发展状况的同时指出了目前研究的不足，并给出了一个建议的数值设计沥青混合料的技术路线图。该路线图包含试件体积分析、虚拟试件制作和虚拟力学试验三大研究目标，并对每个目标的具体研究内容做了明确概括。

综上所述，经过X-ray CT机扫描重构后的沥青混合料数字图像可以获取混合料的内部结构信息，包括集料取向及分布特征、离析、压实度、接触状况、空隙大小及分布特征等，因此，此项技术成为目前研究沥青混合料微细观结构重要研究手段。虽然利用X-rayCT机获取沥青混合料内部信息的应用研究已广泛开展，但对所获取结构信息精度的评价方法却鲜有研究；且由于各种CT机的品牌、型号不同；同一机器进行扫描时参数设置不同、采集数据所使用的软件不同以及使用熟练水平以及X-ray射线灯丝的老化等种种原因，会导致扫描精度的降低或者产生差异，而在沥青混合料试件扫描后的空隙体积等指标提取过程中，又会与实际的沥青混合料的空隙体积有所差别。现有的X-ray CT技术存在无法准确、可靠获取沥青混合料数字成像精度的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的X-ray CT技术存在无法准确、可靠获取沥青混合料数字成像精度的问题，从而提出了基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法。

基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法为：

步骤一、启动工业CT机，对工业CT机进行暖机处理；

步骤二、在工业CT机的发射X射线出口处覆盖厚度为0.2mm的金属片；

步骤三、将待扫描标准试件放到工业CT机的旋转台中心，将工业CT机的射线开关打开，发射X射线；

步骤四、将工业CT机的旋转台做360度旋转，保持X射线为发射状态，从工业CT机控制软件datos|x acquisition操作界面中观察旋转过程中待扫描标准试件轮廓是否超出了该界面的窗口范围，判断为是，则扫描过程有相关投影数据超出探测器接收范围使重建失败，执行步骤五；判断为否，执行步骤六；

步骤五、通过工业CT机操纵操作台上方向坐标控制杆，调整待扫描标准试件沿着X射线方向的前后坐标位置，执行步骤四；

步骤六、工业CT机进入对待扫描标准试件扫描状态，执行步骤七；

步骤七、扫描结束后停止发射X射线，，通过工业CT机配带的软件datos|xreconstruction对标准试件进行图像的重构，获取重构后的标准试件，通过软件VGStudioMAX 2.2对重构后图像进行体积参数的提取，通过比较扫描成像下的体积参数与真实体积参数的差异，获取数字成像精度。

本发明通过所述的待扫描标准试件与软件相结合的方式实现了工业CT机可以准确、可靠获取沥青混合料数字成像精度的目的。

附图说明

图1为本发明所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的方法流程图；

图2为待扫描标准试件的正视图；

图3为待扫描标准试件的俯视图；

图4为旋转台未放置垫板的待扫描标准试件摆放示意图，图中1表示工业CT机的探测路，2表示锥形束，3表示待扫描标准试件，4表示旋转台，5表示焦点；

图5为旋转台放置垫板的待扫描标准试件摆放示意图，图中6表示塑料或者泡沫垫板。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法为：

步骤一、启动工业CT机，对工业CT机进行暖机处理；

步骤五、通过工业CT机操纵操作台上方向坐标控制杆，调整待扫描标准试件沿着X射线方向的前后坐标位置，且与射线垂直方向的坐标不能改变，调整焦点，旋转台和探测器，以获得最佳的成像效果。执行步骤四；

本实施方式所述的在发射X射线出口位置加金属片是为了以减少低能射线部分所占比例，防止产生“射束硬化”经过反复调试比较，通过金属片进行滤波，该金属片厚度约为0.2mm。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的区别在于，步骤一所述的对工业CT机进行暖机处理的具体过程为：在工业CT机控制软件datos|x acquisition操作界面中调整该CT机的的扫描参数使：扫描电压为180KV、扫描电流为80μA、分辨率为110μm、旋转面的个数为1500、曝光时间为1000ms和敏感度系数为2，扫描过程中每一个角度扫描三张图片做平均处理，并且每扫描三张中间跳过一张。系数越高采集的图像越清楚，旋转面的个数越多扫描图像重构后越精确。

表一

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的区别在于，步骤二所述的金属片为一片金属锡片或者是由两片铜片叠加构成。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的区别在于，步骤三所述的待扫描标准试件由圆柱形桶、集料、环氧树脂和固化剂组成，所述的集料密度为2.4g/cm³至2.8g/cm³之间，环氧树脂密度为0.8g/cm³至1.2g/cm³之间，所述的集料表面涂抹有环氧树脂和固化剂的混合层，将集料装满于圆柱形桶内部，且集料与集料之间为嵌挤结构，环氧树脂与固化剂混合物用于固定粘接集料。

本实施方式所述的集料粒径为19mm至26.5mm之间，集料密度为2.6g/cm³，环氧树脂的密度为1.0g/cm³，环氧树脂由于对金属以及非金属表面具有优异的粘结强度，用于集料之间以及集料与塑料桶壁之间的粘接。环氧树脂与沥青的密度接近，试验过程中用其替代沥青在集料之间的存在形式，模拟真实沥青混合料中集料之间的沥青膜，更好的表达评价方法的真实性，由于环氧树脂涂层很薄，在计算过程中可以忽略不计。

待扫描标准试件制作过程中，控制环氧树脂的加热温度以及环氧树脂与固化剂的混合比例，在粘结集料过程中，避免由于环氧树脂过多使得其流淌，防止由于流淌的粘接剂产生闭合孔隙。试件完成后，所形成的整体结构与实验室中的沥青混合料马歇尔击实成型的试件相仿。正视图如图2所示，待扫描标准试件内径为101.6mm±0.2mm，俯视图如图3所示待扫描标准试件高87mm，。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的区别在于，所述的圆柱形桶的材质为PVC材质，所述的集料的外形为六面体。

本实施方式所述的集料形状最优为接近立方体的集料与实际沥青路面选用的集料相同密度相同，形状选用接近立方体保证在成像下体积参数容易提取并且容易形成嵌挤结构；所述的带底的圆柱形桶，可盛装集料即可，其大小、形状、体积要求与实验室中的标准马歇尔试模相同，标准击实仪试模的内径为101.6mm±0.2mm，圆柱形金属筒高87mm，底座直径约120.6mm，套筒内径104.8mm，高70mm。

具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式一或四所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的区别在于，在步骤三中待扫描标准试件的正下方与工业CT机的旋转台之间，设置有垫板，该垫板是由塑料或者泡沫轻质材料加工成的8cm-10cm的垫板。

本实施方式在扫描过程中避免将安置试件的金属底座扫入，确保扫描旋转过程中无电缆、软管或绳索被拉伸，由于用于放置试件的旋转台材质为金属材质，通常情况下如果将转台一并进行扫描则会破坏物体信息，如图4所示，用塑料或者泡沫等轻质材料加工成8cm至10cm之间厚平台搁置于沥青混合料试件下放置如图5所示，虽然此部分也会作为投影数据被重建，但是可以通过后期选取断层图片位置将此部分略去。因为如果不使用垫体，扫描过程中不可避免会扫描到安放试件的底座，这就会使X射线的能量衰减的极快，使得得到的沥青图像会使得射束硬化，产生环状伪影。

具体实施方式七、本实施方式与具体实施方式一所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法的区别在于，步骤七中获取数字成像精度的具体过程为：通过工业CT机配带的软件datos|x reconstruction对标准试件进行图像的重构，得到重构后的标准试件图像；利用软件VGStudio MAX 2.2对重构后的标准试件图像进行体积参数的提取，所述的体积参数为空隙体积通过软件Excel对不同位置的空隙体积进行累加，算得空隙体积；然后向圆柱形空桶内注满水，依据阿基米德排水法原理，可以得到标准试件内部的真实空隙体积，并与软件Excel算得空隙体积相比较，依据阿基米德排水法测出的体积为真实体积，通过比较扫描成像下的空隙体积与真实体积的差异，获取数字成像精度。

本实施方式采用工业CT平台推荐配置的三维可视化软件为德国Volume Graphics公司的大型商务软件VGStudio MAX 2.2，该软件是一套专门用于工业CT三维重建的商业软件。软件可根据CT、MRI等的体数据来生成体积模型的软件，该软件支持大多数文件的输入/输出格式，使用一般的PC机即可对大容量（沥青混合料马歇尔试件扫描数据原始文件一般为2.0 GB）的数据进行双方向处理。利用透明度和明暗度的调节，可以使数据生成各种立体图像，是目前比较主流的形象视觉化软件工具。利用VGStudio MAX 2.2对标准试件的空隙体积进行提取，得到数据，并用Excel算得空隙体积。由于集料外围涂有环氧树脂，且涂层很薄，可以忽略不计。由于涂层的存在集料是不吸水的，并且盛装集料的塑料桶的体积可以算出。扫描结束后，向塑料桶内注满水，利用阿基米德排水法原理，测出涂有环氧树脂和集料的总体积，则可得到真实的空隙体积，与用软件得到的空隙体积相比较，则可以判断扫描的精确程度，用来评价CT扫描的准确性。标准方法可以在不同的情况下对CT进行校正和检验，例如：扫描电压电流不同；旋转的面个数不同；以及所采用的滤波片不同等多种情况。

Claims

1.基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：它包括下述步骤：

步骤一、启动工业CT机，对工业CT机进行暖机处理；

步骤七、扫描结束后停止发射X射线，，通过工业CT机配带的软件datos|x reconstruction对标准试件进行图像的重构，获取重构后的标准试件，通过软件VGStudio MAX 2.2对重构后图像进行体积参数的提取，通过比较扫描成像下的体积参数与真实体积参数的差异，获取数字成像精度。

2.根据权利要求1所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：步骤一所述的对工业CT机进行暖机处理的具体过程为：在工业CT机控制软件datos|x acquisition操作界面中调整该CT机的的扫描参数使：扫描电压为180KV、扫描电流为80μA、分辨率为110μm、旋转面的个数为1500、曝光时间为1000ms和敏感度系数为2，扫描过程中每一个角度扫描三张图片做平均处理，并且每扫描三张中间跳过一张。

3.根据权利要求1所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：步骤二所述的金属片为一片金属锡片或者是由两片铜片叠加构成。

4.根据权利要求1所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：步骤三所述的待扫描标准试件由圆柱形桶、集料、环氧树脂和固化剂组成，所述的集料密度为2.4g/cm³至2.8g/cm³之间，环氧树脂密度为0.8g/cm³至1.2g/cm³之间，所述的集料表面涂抹有环氧树脂和固化剂的混合层，将集料装满于圆柱形桶内部，且集料与集料之间为嵌挤结构，环氧树脂与固化剂混合物用于固定粘接集料。

5.根据权利要求4所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：所述的圆柱形桶的材质为PVC材质，所述的集料的外形为六面体。

6.根据权利要求1或4所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：在步骤三中待扫描标准试件的正下方与工业CT机的旋转台之间，设置有垫板，该垫板是由塑料或者泡沫轻质材料加工成的8cm-10cm的垫板。

7.根据权利要求1所述的基于工业CT机的沥青混合料数字成像精度测试方法，其特征在于：步骤七中获取数字成像精度的具体过程为：通过工业CT机配带的软件datos|xreconstruction对标准试件进行图像的重构，得到重构后的标准试件图像；利用软件VGStudioMAX 2.2对重构后的标准试件图像进行体积参数的提取，所述的体积参数为空隙体积通过软件Excel对不同位置的空隙体积进行累加，算得空隙体积；然后向圆柱形空桶内注满水，依据阿基米德排水法原理，可以得到标准试件内部的真实空隙体积，并与软件Excel算得空隙体积相比较，依据阿基米德排水法测出的体积为真实体积，通过比较扫描成像下的空隙体积与真实体积的差异，获取数字成像精度。