CN103076271B - 沥青混合料空隙体积提取精度测试方法 - Google Patents

Abstract

沥青混合料空隙体积提取精度测试方法，它涉及沥青混合料空隙体积提取精度测试方法。它为了解决现有工业X-ray CT成像下无法准确对其表面孔隙体积以及与贯穿到内部的开口孔隙进行空隙体积数据的提取的问题。它的方法为：在工业CT机的发射X射线出口处覆盖厚度为0.2mm金属片；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；工业CT机发射X射线，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，对试件进行图像的重构，得到重构后试件图像；对重构后试件图像进行体积参数提取，根据灰度分布图波峰，设定阈值，进行提取，得到沥青混合料空隙体积精度。本发明适用于土木工程领域。

Description

沥青混合料空隙体积提取精度测试方法

技术领域

本发明涉及一种提高空隙体积数据提取精度的方法，具体涉及沥青混合料空隙体积提取精度测试方法。

背景技术

沥青混合料是由沥青、石料、矿粉、空隙等多种具有不同力学性质、不同几何形状尺寸的材料所组成的具有多相结构的非各向同性材料；而且，由于组成材料的质量和构造的差异、数量比例的不同以及骨料分布的随机性会造成内部结构组成的显著差异。各组分的物理力学性质以及它们的相对数量都对沥青混合料的工程性能有很大的影响，当前，在世界范围内，沥青路面材料结构组成设计正处于一个发展的转折时期。在国内，当高速公路建设规模飞速发展的同时，沥青路面却出现了不同程度的早期损坏；在美国，投入巨资的公路战略研究计划(SHRP)的研究成果之一Superpave设计方法，该方法相比于传统的Marshall设计方法而言，是沥青混合料设计方法的重大进步，但是该体系同样无法直接获得沥青混合料内部的空间分布规律。无论是SHRP计划中的Superpave设计法还是传统的Marshall设计方法，都是局限于从沥青混合料的表象来分析沥青混合料性能的优越性，主要研究的是宏观性能，如：低温抗裂性能、高温抗车辙性能、抵抗水损害性能等；很少考虑其组成材料的内部细观的真实特性，如：内部孔隙分布、集料的存在分布情况、尺寸大小以及棱角性等。由此看来，当前的沥青混合料的设计理念和方法已经不能满足科研及工程上的要求，亟待提出一种新的设计理念和方法以及评价指标。

随着各种交叉学科在道路工程中的不断渗透以及研究手段的不断丰富，对其内部结构研究是近年来国内外关注的课题，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，从新的角度探求宏观现象的微观机理。特别是计算机层析技术(Computed Tomography)的飞速发展，为沥青混合料材料结构组成设计提供了一种新的手段，对传统的沥青混合料马歇尔设计方法和Superpave设计方法进行改善，进而对相应的路面路用性能进行预测。从图像特征看，沥青混合料中的集料接近于白色，沥青胶浆为深灰色，空隙趋于黑色。混合料各组成具有很好的色彩对比度，其扫描后的图像能很好的反映出沥青混合料的细观结构特性。

涉及到沥青混合料微细观研究，主要起源于美国著名的SIMAP(Simulation，Imaging，and Mechanics of Asphalt Pavements)研究计划，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、沥青砂胶分布等进行识别，并对沥青混合料的内部组成状况进行三维的重建，对其宏观力学与强度机理进行数值模拟。旨在开发基于CT扫描的三维图像技术来获取沥青混合料试件的内部结构，在三维图像施加荷载预测混合料的力学响应；开发模拟沥青混合料内部结构的计算模型，基于体积特性和力学性能预测其行为；并试图在上述基础上开发基于虚拟试验的系统的混合料设计方法.

SIMAP重要成员的Masad转至德克萨斯农工大学研究岗位以后，涌现了大量研究成果。其主要成果包括：美国国家科学基金项目(NSF)“基于X-ray CT技术的材料微细观结构模拟和描述(X-ray Computed Tomography System for the Modeling and Characterization ofMaterials with Microstructure)”，NCHRP资助项目“测试集料形状、纹理和棱角特征方法(Test methods for characterizing aggregate shape，texture，and angularity)”，美国联邦公路局(FHWA)和德克萨斯交通厅(TTI)资助项目“基于数字图像处理的沥青路面力学数值模拟(Simulation，Imaging and Mechanics of Asphalt Pavements)”，作为标志性成果，其开发的集料图像处理系统(Aggregate Imaging System，AIMS)采用图像分析技术测量集料颗粒特征的计算机控制系统。AIMS系统先后被美国联邦公路局，德克萨斯交通厅，佛罗里达大学，德克萨斯大学奥斯汀分校，俄克拉荷马州和密歇根理工大学引进使用。

弗吉尼亚理工大学L.B.Wang教授长期从事沥青混合料微细观结构方面的研究，取得了大量极具价值的成果：L.B.Wang研究了如何采用体视学、模式识别将断层扫描图像进行三维重构，并将此结果应用到对沥青混合料内部组成结构分析，应用此技术对美国西部环道使用的3种级配类型的分析，认为粗级配混合料初始损伤最严重，所提出的参数可以较好地对应三种级配的实际性能。证明了相同宏观体积结构下，内部组成结构存在差异，而这种差异直接导致了力学分布的不同，所提出的参数可以较好地对应三种级配的实际性能。另一方面，提出了采用微细观组成结构实测数据来进行微细观力学建模的方法。

传统沥青混合料空隙率的计算方法为马歇尔法，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定，采用马歇尔方法进行沥青混合料空隙率的计算时，需要对试件的毛体积密度进行计算，而毛体积密度的计算又依赖于表干重的测量，尽管规程中对表干状态有明确表述，但是，不同的实验人员会产生不同的判断标准，这就使得在测量表干重的过程中会产生差异，致使试验结果的差异性和不准确性。

利用工业X-ray CT机对击实成型后的沥青混合料马歇尔试件进行扫描，并对扫描后的图像进行三维重构，得到沥青混合料的真实图像，进而利用计算机断层扫描/体素数据分析与可视化应用软件VGStudio MAX2.2对扫描重构后的沥青混合料马歇尔试件分别进行空隙、集料和胶浆体积的提取，进而达到计算空隙率的目的。这种方法较传统的马歇尔方法具有极大的改进，可以提高沥青混合料试件空隙率的计算精度。

然而，击实成型后的沥青混合料马歇尔试件表面会有相当多的孔隙与构造深度，有时，表面孔隙会延伸到马歇尔试件的内部，即：有连通贯穿孔隙时。在这种情况下，在对工业X-ray CT成像下的沥青混合料图像进行空隙体积的提取时，利用VGStudio MAX2.2软件定义感兴趣区(Region of Interest)时，由于表面的开口孔隙以及贯穿到内部的孔隙是和扫描成像下的背景相连通的，因此，在定义感兴趣区(Region of Interest)的过程中，会将这类孔隙定义识别成扫描成像背景，在孔隙体积提取时，并没有当做孔隙处理，这样会使得测得沥青混合料马歇尔试件的空隙率减小，从而导致误差。

发明内容

本发明为了解决现有工业X-ray CT成像下无法准确对其表面孔隙体积以及与贯穿到内部的开口孔隙进行空隙体积数据的提取的问题，从而提出了沥青混合料空隙体积提取精度测试方法。

沥青混合料空隙体积提取精度测试方法包括下述步骤：

步骤一、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；

步骤二、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；

所述的待扫描标准试件由管、两个圆板、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件组成，所述的管和两个圆板均为PVC材质，

管的内径为101.6mm，外径为106.6mm，管壁厚为2.5mm，管长为63.5mm±1.3mm；圆板的直径为106.6mm，

将沥青混合料马歇尔试件装于管内，通过粘接剂将两个圆板分别粘结在管的两端，圆板的边缘与管的外边缘相对应，形成一个圆柱结构，

步骤三、工业CT机发射X射线，进入对待扫描标准试件扫描状态；

步骤四、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对试件进行图像的重构，得到重构后的试件图像；利用软件VGStudio MAX2.2对重构后的试件图像进行体积参数的提取，所述的体积参数有：空隙体积，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积，扫描成像后图像的灰度分布的图会出现三个波峰，分别为空隙，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件，管和两个圆板扫描成像后的灰度分布图的波峰，根据灰度分布图的波峰，设定阈值，分别对空隙体积、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积进行提取，得到标准试件的空隙率，即得到沥青混合料空隙体积精度。

本发明通过采用由管、两个圆板、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件组成的待扫描标准试件以及与软件相结合的方法实现了在工业X-ray CT成像下，提高沥青混合料马歇尔试件的空隙率提取精度。组成的标准试件会将沥青混合料马歇尔试件的表面空隙以及贯穿到内部的开口孔隙与管壁组成闭口空隙，避免将其识别为扫描成像的背景。

附图说明

图1为本发明所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法的流程图；

图2为具体实施方式一所述的管的结构示意图；

图3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。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法包括下述步骤：

步骤一、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；

步骤二、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；

所述的待扫描标准试件由管、两个圆板、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件组成，所述的管和两个圆板均为PVC材质，

管的内径为101.6mm，外径为106.6mm，管壁厚为2.5mm，管长为63.5mm±1.3mm；圆板的直径为106.6mm，

将沥青混合料马歇尔试件装于管内，通过粘接剂将两个圆板分别粘结在管的两端，圆板的边缘与管的外边缘相对应，形成一个圆柱结构，

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，并通过工业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，直至在360度旋转过程中、待扫描标准试件轮廓始终全部位于所述工业CT机控制软件datos|x acquisition操作界面的窗口内为止，然后执行下一步骤，

步骤三、工业CT机发射X射线，进入对待扫描标准试件扫描状态；

步骤四、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对试件进行图像的重构，得到重构后的试件图像；利用软件VGStudio MAX2.2对重构后的试件图像进行体积参数的提取，所述的体积参数有：空隙体积，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积，扫描成像后图像的灰度分布的图会出现三个波峰分别为空隙，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件，管和两个圆板扫描成像后的灰度分布图的波峰，根据灰度分布图的波峰，设定阈值，分别对空隙体积、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积进行提取，得到标准试件的空隙率，即得到沥青混合料空隙体积精度。在计算空隙率时，要除去管和两个圆板的体积。

在本实施方式中通过观察工业CT机控制软件datos|x acquisition操作界面中调整该CT机的扫描参数使：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。

本实施方式通过采用标准评价装置的制备，利用哈尔滨工业大学交通科学与工程学院所购置的德国菲尼克斯公司（Phoenix|X-ray）生产的Phoenixv|tome|x S240型工业CT机进行扫描成像，利用机器附带软件datos|x reconstruction对扫描图像进行重构，得到标准装置下的的数字图像。Phoenix v|tome|x S240型CT机的主要参数如下表一，表一表示CT机主要参数，

表一

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法的区别在于，步骤三所述的金属片为一片金属锡片或者是由四片铜片叠加构成，所述的每片金属锡片厚度均为0.2mm，每片铜片厚度均为0.2mm。

本实施方式所述的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。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法的区别在于，步骤二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、厚度为8cm-10cm的板材。

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，在开启机器之前，要检查机器连线，确保扫描旋转过程中无电缆、软管或绳索被拉伸，在旋转台周围无其他障碍物。由于用于放置试件的旋转台的材质为金属材质，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3所示，用塑料或者泡沫等轻质材料加工成8cm至10cm之间厚平台搁置待扫描标准试件3下放置，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”。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法的区别在于，步骤四所述的标准试件的空隙率获取过程为：通过工业CT机配带的软件datos|x reconstruction对试件进行图像的重构，得到重构后的试件图像；利用软件VGStudio MAX2.2对重构后的试件图像进行体积参数的提取，由于X-ray CT成像的原理是根据不同物质的密度进行区别的，待扫描标准试件包括了空隙，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件，管和两个圆板扫描成像后的灰度分布图的波峰，这三部分组成，扫描成像后图像的灰度分布的图会出现三个波峰，用以区别上述的三部分组成，根据灰度分布图的波峰，设定阈值，分别对空隙体积、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积进行提取，进而得到标准试件的空隙率，标准试件的空隙率获取过程为：在计算空隙率时需要除去管的体积以及两个圆板的体积，所述的体积参数包括：空隙的体积，以及除去空隙以外其他组成部分的体积；所述的体积参数为通过软件Excel对不同位置的体积数据进行累加，算得总体积，

根据公式（1）获取管的体积V₁：

$V_1=\mathrm{\π}\×(R_1^2-R_2^2)\×h_1---\left(1\right)$

跟据公式（2）获取两个圆板的体积V₂：

$V_2=\mathrm{\π}\×R_2^2\×h_2---\left(2\right)$

根据公式（3）获取标准试件的空隙率VV：

$\mathrm{VV}=\frac{V_0}{V_0+V_a-V_1-2V_2}---\left(3\right)$

其中，V₀表示空隙总体积，空隙总体积单位为mm³；V_a表示除空隙之外其他部分的体积，该体积单位为mm³；R₁表示管内径为101.6mm；R₂表示管外径为106.6mm；h₁表示管长度，单位为mm；h₂表示圆板厚度为2.5mm。

Claims (4)

1.沥青混合料空隙体积提取精度测试方法，其特征在于：它包括下述步骤： 

步骤一、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； 

步骤二、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； 

所述的待扫描标准试件由管、两个圆板、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件组成，所述的管和两个圆板均为PVC材质， 

管的内径为101.6mm，外径为106.6mm，管壁厚为2.5mm，管长为63.5mm±1.3mm；圆板的直径为106.6mm， 

将沥青混合料马歇尔试件装于管内，通过粘接剂将两个圆板分别粘结在管的两端，圆板的边缘与管的外边缘相对应，形成一个圆柱结构， 

步骤三、工业CT机发射X射线，进入对待扫描标准试件扫描状态，调整该CT机的扫描参数：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； 

步骤四、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对试件进行图像的重构，得到重构后的试件图像；利用软件VGStudio MAX 2.2对重构后的试件图像进行体积参数的提取，所述的体积参数有：空隙体积，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积，扫描成像后图像的灰度分布的图会出现三个波峰，分别为空隙，粘接剂和沥青混合料马歇尔试件，管和两个圆板扫描成像后的灰度分布图的波峰，根据灰度分布图的波峰，设定阈值，分别对空隙体积、粘接剂和沥青混合料马歇尔试件的体积，管和两个圆板的体积进行提取，得到标准试件的空隙率，即得到沥青混合料空隙体积精度。 

2.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法，其特征在于：步骤一所述的金属片为一片金属锡片或者是由四片铜片叠加构成，所述的每片金属锡片厚度均为0.2mm，每片铜片厚度均为0.2mm。 

3.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法，其特征在于：步骤二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、厚度为8cm-10cm的板材。 

4.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙体积提取精度测试方法，其特征在于：步骤四所述的标准试件的空隙率获取过程为： 

根据公式(1)获取管的体积V₁： 

跟据公式(2)获取两个圆板的体积V₂： 

根据公式(3)获取标准试件的空隙率VV： 

其中，V₀表示空隙总体积，空隙总体积单位为mm³；V_a表示除空隙之外其他部分的体积，该体积单位为mm³；R₁表示管内径为101.6mm；R₂表示管外径为106.6mm；h₁表示管长度，单位为mm；h₂表示圆板厚度为2.5mm。