CN103308448B

CN103308448B - 一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法

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Publication number: CN103308448B
Application number: CN201310209070.3A
Authority: CN
Inventors: 陈俊; 陈景雅; 刘云; 吴建涛
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: CN103308448A

Abstract

本发明公开一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其步骤为：按照待评价的沥青混凝土级配，成型全级配的马歇尔试件或者在沥青路面取芯，以获取路面的圆柱体试样；切割试件或试样，并采用数码相机拍摄其截面，获得截面的图像；采用图像处理软件采集截面图像内粗集料与截面的面积比n₁；按照待评价的沥青混凝土级配中粗集料部分的比例，击实成型粗集料沥青碎石的马歇尔试件，并获取试件截面内粗集料与截面的面积比n₂；若n₁<n₂，则沥青混凝土为悬浮型结构；反之则为骨架型沥青混凝土。本发明主要用于快速判断沥青混凝土的结构类型，不仅可方便工程技术人员在沥青混凝土设计时优选集料级配，也能用于沥青路面施工质量的控制。

Description

一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法。

背景技术

沥青混凝土是沥青路面主要的建筑材料之一，其通常用于沥青路面的面层和柔性基层。沥青混凝土使用场合的不同，要求其采用不同的结构型式。例如，路面上面层由于受到车辆荷载、温度和湿度的直接作用，铺筑于上面层的沥青混凝土必须具有较大的构造深度、较好的稳定性、良好的抗老化性能，上面层的沥青混凝土通常采用骨架密实型和悬浮密实型结构形式；与路面上面层不同，下面层不直接承受车辆、温度和湿度的作用，但其通常受到较大的水平拉应力作用，材料优异的抗疲劳性能是下面层必须具备的，因此，下面层一般都采用悬浮密实型的结构形式。总之，道路工程技术人员必须根据沥青混凝土使用场合的不同，有针对性的进行其结构形式的选择与设计。

目前，对于沥青混凝土结构形式的判定与设计，我国《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)》规定：当VCA_mix小于VCA_DRC，沥青混凝土为骨架型结构；若VCA_mix大于VCA_DRC，沥青混凝土为悬浮型结构。其中VCA_DRC为通过干捣粗集料方法测定的粗集料间隙率，VCA_mix为沥青混合料中粗集料的间隙率。对于粗细集料的分界筛孔，规范规定为：当公称最大粒径等于或小于9.5mm，以2.36mm作为粗细集料的分界筛孔；当公称最大粒径等于或小于13.2mm，以4.75mm作为粗细集料的分界筛孔。

但是，《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)》规定的方法也存在一定的缺陷，表现为：(1)骨架形成判断标准VCA_mix<VCA_DRC中，VCA_DRC参数变化范围不大，集料级配对其影响并不显著。VCA_mix在所用集料性质相同和油石比不变的情况下，主要取决于粗集料的含量。粗集料含量越大，VCA_mix往往越小。因此，当粗集料含量较大时，VCA_mix<VCA_DRC很容易满足，故该判定标准并未考虑细集料和填充料对粗集料的干涉作用，并不能有效判定粗集料骨架的构成与否。(2)上述骨架构成的判断标准主要用于沥青混凝土级配设计过程中，不能对已经成型的沥青混凝土试件或者修筑完成的沥青层内部的混凝土结构作出准确、有效的判断，因此上述方法难以用于控制沥青层的施工质量。

由上述介绍可见，目前的沥青混凝土结构形式的判断方法存在着许多缺陷，如何建立一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，这种方法既可以用于沥青混凝土结构设计过程中，又可以用于沥青层施工质量的控制，已经成为道路科技工作者亟待解决的问题。

另一方面，近年来随着数字图像技术的发展，各种图像采集和处理技术层出不穷，为道路材料力学性能的研究提供了新的技术手段。人们通过数码相机、扫描仪等技术可以获取沥青混凝土在二维平面上的细观结构形态；通过CT、核磁共振等技术可以获取沥青混凝土在三维空间的细观结构，这些细观结构包括集料和空隙的大小、分布等。而且初步的研究已发现不同结构类型的沥青混凝土，其细观结构形态具有较大的差异。但是，如何把图像处理技术运用到定量评价沥青混凝土结构类型方面目前还未见报导。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，采用图像处理技术识别沥青混凝土的内部结构，最终实现对沥青混凝土结构类型的快速判断。

本发明采用的技术方案如下：

一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)按照待测定的集料级配，以8微米的沥青膜厚度计算得到沥青用量，在实验室内击实成型全级配的马歇尔试件；当评价路面中沥青混凝土的结构类型时，也可直接钻孔取芯获取圆柱体试样；

2)沿马歇尔试件的轴向进行切割，使得切割后的试件分为体积相等的两半，获得切割后形成的矩形截面；采用像素不低于300万的数码相机，拍摄矩形截面，获得其数码相片，并将所述数码相片转化为黑白图像；把获得的黑白图像导入至图像处理软件Image-Pro Plus内，剔除截面图像内细集料颗粒，采集图像内所有粗集料的面积，并计算得出全级配混凝土试件内粗集料面积与截面面积的比值n₁；

3)以步骤1)中集料全级配为基础，计算得出粗集料沥青碎石的级配，并按步骤2)获得其截面内粗集料面积与截面面积的比值n₂；

4)若n₁<n₂，则沥青混凝土为悬浮型结构；若n₁≥n₂，则沥青混凝土为骨架型结构。

所述的一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其特征在于：所述步骤2)中粗集料和细集料为：当公称最大粒径等于或小于9.5mm，粒径大于2.36mm的集料为粗集料，小于2.36mm的为细集料；当公称最大粒径等于或小于13.2mm，粒径大于4.75mm的集料为粗集料，小于4.75mm的为细集料。

所述的一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其特征在于：所述步骤1)中全级配沥青混凝土的击实成型采用双面击实的方式，且每面击实75次；所述步骤3)中粗集料沥青碎石的击实采用双面击实，每面击实50次。

本方案步骤2)中黑白两色图像的转化方法为：把数码相机拍摄得到的灰度图像，导入到Hyper Snap图像软件内，点击工具栏内的“颜色”-“黑白”，进入“转化为黑白”对话框，通过设置对话框内黑色级别，获得沥青混凝土黑白两色的图像，其中，白色代表集料，黑色代表沥青砂浆。通过查看图像的属性，得到以像素为单位的图像长度b。。

本方案步骤2)中细集料颗粒的剔除方法为：把黑白两色的图像导入到图像处理软件Image-Pro Plus中，并按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框；在对话框内选择“Perimeter(ellipse)”(集料的当量圆直径)作为集料粒径大小的评价指标，并设置剔除细集料后截面上粗集料的最小粒径和最大粒径，返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”，并点击“Image”菜单内的“Make Mask”即可以获得在上述最小和最大粒径之间的粗集料，从而达到剔除细集料颗粒的目的。关于剔除细集料后截面上粗集料的最小粒径和最大粒径的设置，Image-Pro Plus采用的是像素为单位，而通常集料粒径以mm为单位，因此须按把集料控制筛孔的单位由mm转化为像素，其中a为以像素为单位的集料控制筛孔，b为以像素为单位的图像长度，c为以mm为单位的集料控制筛孔；

本方案步骤2)粗集料面积的提取方法为：以剔除细集料后的截面黑白图像为对象，在Image-Pro Plus软件内，按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框；在对话框内选择“Area”，并设置拟统计的集料面积范围，为了确保所有粗集料的面积都被统计到，这里的最小面积可以取的很小，最大面积可以设置得很大。返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”完成集料面积的统计；再点击对话框中“View”-“Measurement Data”进入“Measurement Data”对话框，显示出被统计的各个粗集料颗粒的面积，点击“File”中的“Data to Clipboard”，把各个粗集料面积复制到粘贴板内，通过粘贴可以把数据粘贴到Word、Excel等，并完成粗集料面积的统计。

本发明技术方案拟定的依据为：

(1)骨架型与悬浮型沥青混凝土截面图像的差异

在实验室内分别成型悬浮密实型和骨架密实型沥青混凝土的马歇尔试件，试件成型的击实次数为双面75次，试件的最大公称粒径为9.5mm，对圆柱体试件进行轴向切割，把每个马歇尔试件切割为相同体积的两半。对悬浮密实型试件切割后形成的截面，采用像素为500万的数码相机采集其截面图像，如图1所示，把拍摄得到的灰度图像转化为只有两个级别的黑白图像(两个级别分别表示沥青和集料)。当灰度级低于阈值则为沥青，反之则判断为集料，获得截面图像如图2所示。采用图像处理软件Image-Pro Plus剔除图像中粒径小于2.36mm的集料颗粒，获得如图3所示的截面图像。并采集截面中115个集料颗粒的面积，如图4所示。采用相同的处理方法，获得的骨架密实型沥青混凝土马歇尔试件的截面图像如图5所示。集料的面积以及集料与截面的面积比，如表1所示。

表1 不同类型沥青混凝土的集料面积

类型	集料面积(像素²)	试件截面面积(像素²)	面积比(％)
				悬浮密实型	22523	58523	38.3
骨架型	31989	58523	54.4

由表1并对比图4与图5可以看出，悬浮密实型沥青混凝土与骨架型沥青混凝土在二维平面上的细观结构具有显著差异，主要表现为：(1)悬浮密实型沥青混凝土中粗集料主要悬浮与沥青砂浆中，粗集料颗粒之间的距离较大；骨架密实型混凝土中粗集料之间的距离较小，有的相邻颗粒甚至相互接触；(2)悬浮密实型沥青混凝土中粗集料所占的面积小于骨架型混凝土，悬浮密实型沥青混凝土中粗集料所占的面积与截面总面积的比值也小于骨架型混凝土。

(2)粗集料沥青碎石的截面图像

按照上述骨架型沥青混凝土级配中大于2.36mm的各档粗集料的比例，双面击实50次，成型粗集料的沥青碎石试件，对试件进行轴向切割。并采用上述截面图像处理的方法，获得粗集料沥青碎石的截面图像，如图6所示。

采集图6中集料的面积为29841像素²，集料与截面的面积比为50.7％，与上述骨架型和悬浮型沥青混凝土粗集料的面积相比，可以看出：粗集料沥青碎石的粗集料面积略小于骨架型混凝土，却明显大于悬浮型沥青混凝土。由于粗集料沥青碎石中相邻粗集料颗粒之间相互接触，已经形成骨架结构这一特点，可认为沥青混凝土截面上粗集料的面积适合于评价沥青混凝土的结构类型。考虑到沥青混凝土试件成型时高度的差异，以及路面芯样厚度不一，单纯采用混凝土截面上粗集料的面积会受到试件和截面高度的影响，而粗集料面积与试件截面面积的比值不会受到这些因素的影响，且其本质含义与截面上粗集料面积完全一致。因此，以沥青混凝土试件截面上粗集料面积与试件截面面积的比值作为评价沥青混凝土结构类型的指标。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：(1)现有技术中VCA_mix和VCA_DRC的计算需要测试每档集料的密度，密度的测试过程较为繁琐，本发明不仅避免了测试集料物理指标的繁琐步骤，相对比现有技术还可实现对沥青混凝土结构型式的更快速判断；(2)本发明不仅可用于沥青混凝土材料组成设计过程中级配的选择，还可以用于评价已经建成沥青路面中沥青混凝土的结构型式，以达到质量控制的目的，而现有技术不能兼顾沥青混凝土材料组成设计和路面施工质量控制两个方面；(3)本发明涉及到的试验只有最简单的马歇尔试件成型，试验方法简单，试验步骤简洁，便于操作；(4)本发明沥青混凝土结构类型的判断以图像信息处理为基础，该图像处理过程可直接在计算机上完成，相比于原有技术可大大节约试验成本、降低材料消耗。

附图说明

图1为悬浮密实型沥青混凝土截面的灰度图像；

图2为悬浮密实型沥青混凝土截面的黑白图像；

图3为悬浮密实型混凝土剔除2.36mm以下颗粒的截面图像；

图4为悬浮密实型混凝土115个粗颗粒的面积测量；

图5为骨架型混凝土剔除2.36mm以下颗粒的截面图像；

图6为粗集料沥青碎石的截面图像；

图7为AC-13沥青混凝土截面的黑白图像；

图8为AC-13沥青混凝土截面剔除细集料后的图像；

图9为AC-13沥青混凝土截面细集料分布的图像；

图10为路面上面层试样截面的黑白图像；

图11为路面上面层试样截面剔除细集料后的图像。

具体实施例

下面结合附图，通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

对于沥青混凝土级配设计而言，一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，包括如下步骤：

(1)全级配沥青混凝土的马歇尔试件

以表2所示的级配，按照式(1)计算沥青用量。

表2 待评价的沥青混凝土的集料级配

OAC＝F·A (1)

其中，OAC为沥青用量；F为沥青膜厚度，通常取为8μm；A是沥青砂浆中集料的比表面积之和，可按式(2)计算。

A＝(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.30e+0.60f+1.60g)×0.20482(m²/kg) (2)

其中，a～g依次为4.75mm、2.36mm、……和0.075mm的质量通过率。

根据上式，计算得到的全级配沥青混凝土的沥青用量为4.2％。

以表2所示的级配和4.2％的沥青用量，在实验室内双面击实75次成型全级配沥青混凝土的马歇尔试件。

(2)全级配沥青混凝土截面内粗集料面积比

对沥青混凝土的马歇尔试件，沿轴向进行切割，把试件切割为体积相等的两半。然后把切割后的试件放在阴凉条件下自然晾干，采用像素500万的数码相机拍摄切割形成的截面，获得沥青混凝土截面的灰度图像。把数码相机拍摄得到的灰度图像，导入到Hyper Snap图像软件内，点击工具栏内的“颜色”-“黑白”，进入“转化为黑白”对话框，通过设置对话框内黑色级别，获得沥青混凝土黑白两色的图像，如图7所示，其中，白色代表集料，黑色代表沥青砂浆，并通过查看图像属性得到图像长为463像素、宽为253像素。

①剔除细集料后截面粗集料的最小和最大粒径

由于表2所示的全级配沥青混凝土公称最大粒径为13.2mm，因此粗细集料的分界筛孔为4.75mm，即剔除细集料后截面粗集料的最小粒径为4.75mm。按把4.75mm换算成像素为单位，即463×4.75/100＝21.99像素。剔除细集料后截面粗集料的最大粒径大于截面上粗集料的粒径即可。

②截面图像上细集料的剔除

把图7所示的黑白图像导入到Image-Pro Plus软件内，并按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框；在对话框内选择“Perimeter(ellipse)”(集料的当量圆直径)作为集料粒径大小的评价指标，并设置剔除细集料后截面上粗集料的最小粒径为21.99和最大粒径为100000，返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”，并点击“Image”菜单内的“Make Mask”即可以获得剔除了粒径4.75mm以下集料的截面，如图8所示，其中粗集料颗粒为65个，细集料分布如图9所示。

③全级配沥青混凝土截面内粗集料面积比

在Image-Pro Plus软件内以剔除细集料后的截面为对象，按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框；在对话框内选择“Area”，并设置拟统计集料的最小面积为0.0001像素²，最大面积为10000像素²。返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”完成集料面积的统计；再点击对话框中“View”-“Measurement Data”进入“Measurement Data”对话框，显示出被统计的65个粗集料颗粒的面积，点击“File”中的“Data to Clipboard”，把各个粗集料面积复制到粘贴板内，通过粘贴把数据粘贴到Excel等，并完成粗集料面积的统计，结果为44743像素²，而截面面积为463×253＝117139像素²。截面上粗集料与截面的面积比n₁为38.2％。

(3)粗集料沥青碎石截面内粗集料面积比

以表2中级配为基础，以与全级配中各档粗集料质量比相同为原则，计算粗集料沥青碎石的级配如表3所示。

表3 粗集料级配

筛孔尺寸(mm)

16

13.2

9.5

4.75

混合料通过率(％)

100

85.7

53

0

按照与全级配沥青混凝土相同的沥青膜厚度8μm，并采用式(1)和式(2)计算得到沥青用量为0.33％。

按表3所示的粗集料级配和0.33％沥青用量，成型粗集料的沥青碎石马歇尔试件，成型时采用双面击实50次。采用与全级配沥青混凝土相同的方法，获得其截面的灰度图像、黑白图像，并对黑白图像内粗集料面积进行统计，结果为56521像素²，其截面面积为105450像素²，粗集料与截面的面积比n₂为53.6％。

(4)沥青混凝土结构类型的判断

根据上述分析，n₁＝38.2％，n₂＝53.6％，因为n₁<n₂，即全级配沥青混凝土中粗集料面积比小于粗集料沥青碎石，可以判断全级配沥青混凝土为悬浮型结构。

实施例2

对于沥青路面质量控制而言，一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，包括如下步骤：

(1)路面钻孔获取圆柱体试样

待评价的沥青混凝土为40mm厚度的沥青路面上面层材料，路面中面层和下面层厚度分别为60mm和80mm。在沥青上面层已经碾压完成，且路面温度下降到常温后，采用钻孔取芯机，钻取圆柱体芯样，芯样直径为100mm。为了保证芯样的完整性，钻取的深度范围为整个沥青面层，由此获得的芯样高度为整个沥青面层的厚度，即180mm。在通风环境下，晾干圆柱体芯样，并标记出沥青上面层材料所处的位置，并对芯样进行切割，获取高度为40mm、直径为100mm圆柱体试样，使其只包含上面层材料。

(2)路面混凝土试样内粗集料的面积比

采用切割机对圆柱体试样，进行轴向进行切割，把试件切割为体积相等的两半。然后把切割后的试件放在阴凉、通风条件下自然晾干，采用像素500万的数码相机拍摄切割形成的截面，获得沥青混凝土截面的灰度图像。把数码相机拍摄得到的灰度图像，导入到Hyper Snap图像软件内，点击工具栏内的“颜色”-“黑白”，进入“转化为黑白”对话框，通过设置对话框内黑色级别，获得沥青混凝土黑白两色的图像，如图10所示，其中，白色代表集料，黑色代表沥青砂浆，并通过查看图像的属性得到图像长为500像素、宽为200像素。

①剔除细集料后截面粗集料的最小和最大粒径

考虑到上面层材料采用的集料公称最大粒径为13.2mm，粗细集料的分界筛孔可为4.75mm。把4.75mm换算成像素为单位，即500×4.75/100＝23.75像素。剔除细集料后截面粗集料的最大粒径大于截面上粗集料的粒径即可。

②截面图像上细集料的剔除

把图10所示的黑白图像，导入到Image-Pro Plus软件内，并按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框；在对话框内选择“Perimeter(ellipse)”(集料的当量圆直径)作为集料粒径大小的评价指标，并设置剔除细集料后截面上粗集料的最小粒径为23.75和最大粒径为100000，返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”，并点击“Image”菜单内的“Make Mask”即可以获得剔除了粒径4.75mm以下集料的截面，如图11所示，

其中粗集料颗粒为166个。

③全级配沥青混凝土截面内粗集料面积比

在Image-Pro Plus软件内以剔除细集料后的截面为对象，按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框；在对话框内选择“Area”，并设置拟统计集料的最小面积为0.0001像素²，最大面积为10000像素²。返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”完成集料面积的统计；再点击对话框中“View”-“Measurement Data”进入“Measurement Data”对话框，显示出被统计的166个粗集料颗粒的面积，点击“File”中的“Data to Clipboard”，把各个粗集料面积复制到粘贴板内，通过粘贴把数据粘贴到Excel等，并完成粗集料面积的统计，60425像素²，而截面面积为500×200＝100000像素²。二维平面上粗集料与截面的面积比n₁为60.4％。

(3)粗集料沥青碎石截面内粗集料面积比

按照表4所示待评价的沥青路面上面层级配，在各档粗集料比例不变的原则下，计算得到了粗集料沥青碎石的级配，如表5所示。

表4 沥青路面上面层级配

表5 粗集料沥青碎石级配

筛孔尺寸(mm)	16	13.2	9.5	4.75
					混合料通过率(％)	100	93.2	55.4	0

按照沥青膜厚度8μm，并采用式(1)和式(2)计算得到沥青用量为0.33％。以表5所列级配和计算得出的沥青用量，在实验室内成型粗集料级配碎石的马歇尔试件。采用切割机沿纵向把马歇尔试件切割为体积相同的两部分，并采用像素为500万的数码相机拍摄切割所形成的新截面，获得截面的数码图像，图像长为500像素、宽为300像素。以此图像为对象，通过黑白图像的转化、小于4.75mm细集料的剔除、大于4.75mm粗集料面积的提取，最终统计得到截面内粗集料面积为82320像素²。由截面面积为500×300＝150000像素²，计算得到粗集料级配碎石中粗集料面积比n₂为54.9％。

(4)路面试样的结构类型判断

根据上述分析，n₁＝60.4％，n₂＝54.9％，因为n₁>n₂，即路面试样中粗集料面积比大于粗集料沥青碎石，可以判断路面上面层沥青混凝土为骨架型结构。

Claims

1.一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其特征在于包括如下步骤：

1）按照待测定的集料级配，以8微米的沥青膜厚度计算得到沥青用量，在实验室内击实成型全级配的马歇尔试件；或当评价路面中沥青混凝土的结构类型时，需要直接钻孔取芯获取圆柱体试样；

2）沿马歇尔试件或圆柱体试样的轴向进行切割，使得切割后的试件分为体积相等的两半，获得切割后形成的矩形截面；采用像素不低于300万的数码相机，拍摄矩形截面，获得其数码相片，并将所述数码相片转化为黑白图像；把获得的黑白图像导入至图像处理软件Image-Pro Plus内，剔除截面图像内细集料颗粒，采集图像内所有粗集料的面积，并计算得出全级配混凝土试件内粗集料面积与截面面积的比值；

3）以步骤1）中集料全级配或沥青路面上面层级配为基础，计算得出粗集料沥青碎石的级配，在实验室内成型马歇尔试件，并按步骤2）获得其截面内粗集料面积与截面面积的比值；

4）若<，则沥青混凝土为悬浮型结构；若，则沥青混凝土为骨架型结构。

2.根据权利要求1 所述的一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其特征在于：所述步骤2）中粗集料和细集料为：当沥青混凝土的公称最大粒径等于或小于9.5mm时，粒径大于2.36mm的集料为粗集料，小于2.36mm的为细集料；当沥青混凝土的公称最大粒径等于或小于13.2mm时，粒径大于4.75mm的集料为粗集料，小于4.75mm的为细集料。

3.根据权利要求1 所述的一种沥青混凝土结构类型的快速判断方法，其特征在于：所述步骤1）中全级配沥青混凝土的击实成型采用双面击实的方式，且每面击实75次；所述步骤3）中粗集料沥青碎石的击实采用双面击实，每面击实50次。