CN105806861A - 一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法，该方法首先进行室内成型或现场钻取圆柱形芯样，然后通过工业CT机断层扫描采集多幅沥青混合料试件的二维水平截面图像，再对CT机所采集的二维水平截面图像进行预处理和图像增强，生成灰度图像；随后对处理完毕的沥青混合料截面灰度图像进行识别和分割，得到沥青混合料截面图像中每个集料和空隙的边界坐标，建立沥青混合料三维离散元模型并进行虚拟单轴贯入试验，应用试验得到的单轴贯入强度指标变异系数评价沥青混合料均匀性；本发明基于虚拟单轴贯入试验，采用单轴贯入强度指标变异系数对沥青混合料的均匀性进行定量评价，具有很强的工业实用性和可操作性。

Description

一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法。

背景技术

沥青混合料均匀性直接决定沥青路面的路用性能和使用寿命，影响沥青路面养护成本。在许多潜在引起热拌沥青混合料路面早期破坏的因素中，最严重的是沥青混合料的不均匀性。沥青混合料是由沥青、粗细集料、添加剂和空隙四成分组成。沥青混合料的不均匀性是沥青混合料中组成成分不均匀性的综合反映。不均匀的沥青混合料中集料的级配和(或)沥青含量与最初的现场配合比中的要求不相符，造成混合料的密度和空隙率变化很大。沥青混合料发生不均匀时，混合料的劲度、拉伸强度和疲劳寿命下降，路面的服务寿命降低，从而加速路面的早期破坏。

传统上人们没有把沥青混合料的均匀性当作一个严重的问题来看待，没有采取严格的措施予以控制，只是要求施工时认真就可以了。而随着交通量的增大，均匀性已经成为决定路面质量的主要因素之一，应该引起充分注意。将路面早期水损坏的主要原因归结于路面空隙率过大，又将空隙率过大归结于压实度不够，压实不足，这确实是早期路面空隙率过大的主要原因，但却比较容易解决；实际上，沥青混合料的不均匀性不仅是造成局部空隙率过大的另一个主要原因，而且是比较难以解决的技术问题。一旦沥青混合料出现不均匀性，一切关于材料设计的努力都变得徒劳无功了。路面压实度的不足，有时也是混合料不均匀性引起的，仅检测路面的平均压实度，往往不能客观地反映问题，还应考虑其变异性。当沥青混合料不均匀发生时，仅仅依靠提高压实度难以达到减少空隙率的目的，甚至会造成集料破碎而适得其反。

查找现有的研究成果和文献资料，令人遗憾的是，目前，国内外对沥青混合料均匀性定量的研究还不是很多。究其原由，主要为：(1)均匀性对沥青混合料性能的影响被忽略，人们没有对沥青混合料均匀性的重要性给予足够的认识。(2)沥青混合料内部结构十分复杂，通过传统的研究方法，沥青混合料内部结构很难获取，沥青混合料均匀性很难确定。

近二十年来，随着计算机科学的快速发展，先进的数字图像技术开始被越来越多地运用到土木工程材料研究中。期间，有研究者尝试采用该技术对沥青混合料均匀性进行研究。Tashman等人通过把混合料的水平截面和竖直截面划分成等面积的内外两区域，选择能够描述这些区域内集料平均粒径差异的参数来评价离析。Hunter等人通过比较截面上相等区域里集料累计面积值的大小，提出评价沥青混合料离析的两种方法。蒯海东等人对集料在沥青混合料内部的分布特征进行研究，提出以偏心率指标和面积级配曲线图，比较各截面的面积级配的差异来研究集料的均匀性。Azari等人采用标准正态分布参数作为沥青混合料不均匀性指标，研究不均匀性对沥青混合料力学性能影响。吴文亮使用彩色石料区分粗、细集料，并利用彩色阈值直接分割图像，采用颗粒面积比的变异系数作为均匀性评价指标，定量评价沥青混合料均匀性。彭勇等人采用沥青混合料内部截面上的集料位置、数量、方位角、面积比及转动惯量等，来定量评价沥青混合料均匀性。

然而，上述有关沥青混合料均匀性的研究，其均匀性指标参数的选择与确定不科学，考虑不全面，代表性不强，局限于集料和二维层面，结果有偏差，只能部分反映均匀性的实际情况。

发明内容

为了克服现有沥青混合料均匀性评价方法在科学性、代表性、完整性和准确性上的不足，本发明提供一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法。

本发明解决其问题所采用的方案是：一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法，该方法包括以下步骤：

(1)室内成型或现场钻取圆柱形芯样，以提供分析所需的沥青混合料圆柱形试件。

(2)以1mm步长，通过工业CT机断层扫描采集多幅沥青混合料试件的二维水平截面图像。

(3)对CT机所采集的二维水平截面图像进行预处理和图像增强，生成灰度图像。

(4)对处理完毕的沥青混合料截面灰度图像二值化处理后，进行识别和分割，得到沥青混合料截面图像中每个集料和空隙的边界坐标。

(5)利用步骤4获取的混合料截面上的集料和空隙边界坐标，对沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料三维离散元模型，进行虚拟单轴贯入试验；具体步骤如下：

(5.1)生成一个等同于步骤1获得的沥青混合料圆柱形试件的母体颗粒模型；利用步骤4得到的集料和空隙的边界坐标，依据图形学中的改进射线算法，对同一层的母体颗粒进行分类识别，对集料实际边界内部的母体颗粒进行聚粒操作模拟集料，其余的母体颗粒整合在一起模拟沥青胶浆，并对同一试件所采集的所有沥青混合料二维水平截面图像进行重复操作，完成整体沥青混合料试件的模拟；在沥青胶浆内部随机删除设定量的球颗粒来确定空隙率，至此生成几近实际结构的沥青混合料离散元几何模型。

(5.2)三维离散元模拟时，事先赋予模型中集料、沥青胶浆和墙体相应的材料参数和接触模型，设定相应的边界条件和荷载条件。集料视为线弹性模型材料，沥青胶浆、沥青胶浆和集料接触面处赋以Burgers粘弹性模型；材料参数为60℃时沥青胶浆粘弹性参数见表1；将沥青混合料离散元几何模型上端面对称划分为N-1等分区域，选取N个点分别进行虚拟单轴贯入试验，N个贯入位置分别为沥青混合料试件截面中心以及与其距离相等且沿圆周均匀分布的N-1个点。

表160℃时沥青胶浆粘弹性参数

(5.3)贯入压头对沥青混合料模型进行加载，以贯入应力下降到其历史峰值应力的70％为破坏条件，得到加载后的虚拟单轴贯入试验的贯入荷载σ_i：

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{F_i}{A},$

式中：σ_i为贯入点的单轴贯入强度，i＝1，2，……N；F_i为虚拟单轴贯入试验贯入荷载；A为贯入压头的截面面积。

(7)计算单轴贯入强度的平均值

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+......+{\mathrm{\σ}}_N}{N}$

计算单轴贯入强度的标准差SD：

$SD=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{({\mathrm{\σ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}})}^2}{N-1}}$

计算单轴贯入强度指标变异系数CV：

$CV=\frac{SD}{AV}$

式中：为N个不同贯入位置的单轴贯入强度所求得的试件平均单轴贯入强度；

单轴贯入强度指标变异系数CV越小，对应的沥青混合料均匀性就越好；反之，则沥青混合料均匀性就越差。

本发明的有益效果是：本发明基于虚拟单轴贯入试验，采用单轴贯入强度指标变异系数对沥青混合料的均匀性进行定量评价，具有很强的工业实用性和可操作性。本发明与其他方法相比，其均匀性参数选取更加科学和具有代表性，对沥青混合料均匀性的评价结果更为准确。

附图说明

图1是本发明沥青混合料试件尺寸示意图；

图2是本发明沥青混合料试件顶部横截面贯入点示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

本发明提供一种基于离散元模拟的虚拟贯入试验沥青混合料均匀性评价方法，结合附图，具体实施步骤如下：

(1)室内成型或现场钻取圆柱形芯样，以提供分析所需的沥青混合料圆柱形试件，试件直径Φ150mm，高度hmm(因沥青路面各结构层厚度的差异性，现场钻取的试件高度无法保证一致，故而用变量h统一表征试件高度)，如图1所示。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0736-2011，通过旋转压实机(SGC)，室内成型Φ150mm圆柱形沥青混合料试件，或参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0701-2011沥青混合料取样法，通过路面钻芯取样机现场钻取Φ150mm圆柱形芯样。

(2)以1mm步长，通过工业CT机断层扫描采集一定数量的沥青混合料试件二维水平截面图像。

(3)对CT机所采集的二维水平截面图像进行预处理和图像增强，生成灰度图像。图像预处理主要包括：在图像识别前通过几何校正法对几何失真的图像进行校正；利用邻域平均法进行混合料图像噪声处理；应用灰度直方图利用全部或几乎全部的灰度级，选择边界阈值以便进行图像分割。利用空间域法或频率域法进行图像增强；利用浮点算法、整数方法、位移方法等方法可将原色彩转化为灰度，并进行替换，形成灰度图。

(4)对处理完毕的沥青混合料截面灰度图像二值化处理后，进行识别和分割，得到沥青混合料截面图像中每个集料和空隙的边界坐标。图像的识别与分割的办法有四类：1、PB：并行边界类，即采用微分算子(如梯度算子)直接检测目标的边界点后，采用并行或串行方法进行边界闭合，再组成目标的边界点；2、SB：串行边界类；3、PR：并行区域类，如阈值化算法和特征空间聚类；4、SR：串行区域类，如区域生长法。

(5)利用步骤(4)获取的混合料截面上的集料和空隙边界坐标，在离散元软件中对沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料三维离散元模型，进行虚拟单轴贯入试验，具体步骤如下：

(5.1)在离散元软件中生成一个等同于实际沥青混合料试件的具有一定半径母体颗粒模型；调用外部存储的集料颗粒边界坐标及质心坐标数据，并存储于离散元软件中，依据图形学中的“改进射线”算法，对同一层的母体颗粒进行分类识别，对集料实际边界内部的母体颗粒进行聚粒操作模拟集料，其余的母体颗粒整合在一起模拟沥青胶浆，并对同一试件所采集的所有沥青混合料二维水平截面图像进行重复操作，完成整体沥青混合料试件的模拟；在沥青胶浆内部随机删除设定量的球颗粒来确定空隙率，至此生成几近实际结构的沥青混合料离散元几何模型。

(5.2)三维离散元模拟时，事先赋予模型中集料、沥青胶浆和墙体相应的材料参数和接触模型，设定相应的边界条件和荷载条件。集料视为刚度较大的线弹性模型材料，沥青胶浆和沥青胶浆-集料接触面处赋以Burgers粘弹性模型；材料参数为60℃时沥青胶浆粘弹性参数，见表1；利用沥青混合料三维离散元模型，通过试件上端面截面中心将模型上端面对称划分为四等分区域，选取五点分别进行虚拟单轴贯入试验(如图2所示，五个贯入位置分别为沥青混合料试件截面中心，以及与其相距50mm均匀分布的四个点)，得到相应的单轴贯入强度。

(5.3)为了节省模拟时间，圆柱形压头(Φ42mm)以30mm/s的速率对沥青混合料模型进行加载，以贯入应力下降到其历史峰值应力的70％为破坏条件，得到加载后的虚拟单轴贯入试验的贯入荷载σ_i：

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{F_i}{A},$

式中：σ_i为贯入点的单轴贯入强度，i＝1，2，……N；F_i为虚拟单轴贯入试验贯入荷载；A为贯入压头的截面面积。

表160℃时沥青胶浆粘弹性参数

(6)计算单轴贯入强度的平均值

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+......+{\mathrm{\σ}}_N}{N}$

计算单轴贯入强度的标准差SD：

$SD=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{({\mathrm{\σ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}})}^2}{N-1}}$

计算单轴贯入强度指标变异系数CV：

$CV=\frac{SD}{AV}$

式中：为五个不同贯入位置的单轴贯入强度所求得的试件平均单轴贯入强度；σ₁，σ₂，……σ_N，分别为不同贯入点的单轴贯入强度；N为试件上端面所测位置的个数，本发明中N取5；SD为试件五个不同贯入位置的单轴贯入强度的标准差；CV为沥青混合料试件单轴贯入强度指标变异系数。

沥青混合料均匀性总体评价指标，即单轴贯入强度指标变异系数CV越小，对应的沥青混合料均匀性就越好；反之，则沥青混合料均匀性就越差。

实施例2：

采用本申请人发明名称“一种沥青混合料均匀性评价方法”申请号为“CN201310542528.7”的沥青混合料均匀性定量评价方法，计算不同级配的沥青混合料试件均匀性，沥青混合料级配类型为AK13、AC16(A)、AC16(B)、AC16(C)，其级配组成，见表2：

表2级配组成

根据表2中集料级配，旋转压实成型相应的沥青混合料试件，试件直径Φ100mm，高度100mm，每个级配成型5个平行试件，该级配沥青混合料均匀性取这5个平行试件均匀性的平均值；60℃条件下，在材料试验机上进行相应的沥青混合料试件单轴贯入试验，得到不同级配类型下各个平行试件的单轴贯入强度，并计算不同级配类型沥青混合料的单轴贯入均强度值、标准差和变异系数。得到沥青混合料试件均匀性计算结果及单轴贯入试验结果，见表3：

表3单轴贯入强度试验结果

由表3可知，沥青混合料单轴贯入强度变异性与沥青混合料均匀性有正相关性。具体表现为：沥青混合料单轴贯入强度变异系数越小，即变异性越小，沥青混合料均匀性就越好；反之，沥青混合料单轴贯入强度变异系数越大，沥青混合料均匀性就越差。表3中，不同级配类型沥青混合料单轴贯入强度变异系数CV，由小到大，依次为AC16(A)、AK13、AC16(B)、AC16(C)；相应地不同类型沥青混合料均匀性，由好到差，依次为AC16(A)、AK13、AC16(B)、AC16(C)。

Claims (3)

1.一种基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)室内成型或现场钻取圆柱形芯样，以提供分析所需的沥青混合料圆柱形试件。

(2)以1mm步长，通过工业CT机断层扫描采集多幅沥青混合料试件的二维水平截面图像。

(3)对CT机所采集的二维水平截面图像进行预处理和图像增强，生成灰度图像。

(4)对处理完毕的沥青混合料截面灰度图像二值化处理后进行识别和分割，得到沥青混合料截面图像中每个集料和空隙的边界坐标。

(5)利用步骤4获取的混合料截面上的集料和空隙边界坐标，对沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料三维离散元模型，进行虚拟单轴贯入试验；具体步骤如下：

(5.1)生成一个等同于步骤1获得的沥青混合料圆柱形试件的母体颗粒模型；利用步骤4得到的集料和空隙的边界坐标，依据图形学中的改进射线算法，对同一层的母体颗粒进行分类识别，对集料实际边界内部的母体颗粒进行聚粒操作模拟集料，其余的母体颗粒整合在一起模拟沥青胶浆，并对同一试件所采集的所有沥青混合料二维水平截面图像进行重复操作，完成整体沥青混合料试件的模拟；在沥青胶浆内部随机删除设定量的球颗粒来确定空隙率，至此生成几近实际结构的沥青混合料离散元几何模型。

(5.2)三维离散元模拟时，事先赋予模型中集料、沥青胶浆和墙体相应的材料参数和接触模型，设定相应的边界条件和荷载条件。集料视为线弹性模型材料，沥青胶浆、沥青胶浆和集料接触面处赋以Burgers粘弹性模型；材料参数为60℃时沥青胶浆粘弹性参数见表1；将沥青混合料离散元几何模型上端面对称划分为N-1等分区域，选取N个点分别进行虚拟单轴贯入试验，N个贯入位置分别为沥青混合料试件截面中心以及与其距离相等且沿圆周均匀分布的N-1个点。

表1：60℃时沥青胶浆粘弹性参数

(5.3)贯入压头对沥青混合料模型进行加载，以贯入应力下降到其历史峰值应力的70％为破坏条件，得到加载后的虚拟单轴贯入试验的贯入荷载σ_i：

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{F_i}{A},$

式中：σ_i为贯入点的单轴贯入强度，i＝1，2，……N；F_i为虚拟单轴贯入试验贯入荷载；A为贯入压头的截面面积。

(7)计算单轴贯入强度的平均值

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+......+{\mathrm{\σ}}_N}{N}$

计算单轴贯入强度的标准差SD：

$SD=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{({\mathrm{\σ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}})}^2}{N-1}}$

计算单轴贯入强度指标变异系数CV：

$CV=\frac{SD}{AV}$

式中：为N个不同贯入位置的单轴贯入强度所求得的试件平均单轴贯入强度；

单轴贯入强度指标变异系数CV越小，对应的沥青混合料均匀性就越好；反之，则沥青混合料均匀性就越差。

2.根据权利要求1所述基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤3中，所述图像预处理主要包括：在图像识别前通过几何校正法对几何失真的图像进行校正；利用邻域平均法进行混合料图像噪声处理；利用空间域法或频率域法进行图像增强。

3.根据权利要求2所述基于虚拟单轴贯入试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤4中，所述图像识别和分割主要包括：将图像二值化处理后，采用全阈值法进行图像分割；采用并行边界算法对集料颗粒边界进行识别。