CN106442949A - 基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙性能的方法,通过对旋转压实成型的沥青混合料试件经过取芯、切割等操作得到混合料切片,随后利用高精度扫描仪对切割面进行图像扫描和处理,并从微观角度出发定义三个沥青混合料接触特征评价指标:平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave,并由上述指标得到一个综合指标:接触结构指数CSI,该指标与动态蠕变试验的流变次数Fn之间存在较强的相关性,因此在预测同种胶结料的不同级配类型沥青混合料车辙性能方面,接触结构指数CSI是一种更为合理和全面的指标。较大的CSI代表该混合料动态蠕变试验的流变次数Fn更大,即抵抗车辙性能更强。
Description
技术领域
本发明属于道路材料领域,具体涉及一种基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙性能的方法。
背景技术
车辙等永久变形破坏一直是我国高等级沥青路面最典型的也最具有危害性的病害形式之一。目前,室内试验常以动态蠕变试验结果来评价沥青混合料抗高温车辙性能。然而在微观方面,目前缺少评价及预测沥青混合料车辙性能的方法。本发明是一种基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙的方法,应用图像处理技术,对混合料提出了一个综合指标来评价车辙性能。该方法从微观角度出发,全面评价了混合料的接触特性,完善了有关沥青混合料车辙性能的评价体系。
发明内容
本发明的目的是为了完善现有沥青混合料车辙性能的评价体系,应用图像处理技术,从微观角度出发,全面评价了混合料的接触特性,从而提出了一个综合指标,用于评价及预测沥青混合料车辙性能。
本发明采用的技术方案为:一种基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙性能的方法,包括以下步骤:
1)图像获取
首先利用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的试件,然后对于成型好的试件进行取芯和切割,得到高度150mm、直径100mm的标准圆柱体试件。将切割后的标准圆柱体试件自上而下进行切片以获取混合料切片。所有的旋转压实试件均用金刚石锯片在竖直方向进行切割,切割应控制在较慢的速率以保证切割面的平滑。每一个试件切割7面,每个切割面相距10mm,选取试件中间的六个切片。随后,每片试样的切割面均被清理干净并用高分辨率的扫描仪(762dpi,每个像素点大约为0.0334mm)对其进行扫描,扫描过程在暗箱中进行,以防止自然光的影响。最终,每个标准圆柱体试件得到12张高精度二维切片图像。
2)图像处理
首先对高精度的切片图像施加绿色的滤镜以稀释集料部分存在的较多蓝色通道像素点。图像分割前,利用MATLAB相关算法将图像转换成灰度图的形式以便于后续的分析。应用顶帽变换和中值滤波算法分别消除亮度不均匀和图像噪声。在分割图像时,图像分割过程中,将扫描图像分割为16个等大的矩形区分别进行阈值选取,每个区域的最优阈值计算采用OTSU自适应算法。应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出集料并去除小于1.18mm的颗粒。分割结束后,对整体二进制图像应用分水岭变换和腐蚀膨胀算法,对颗粒轮廓进行检查和修正。
3)接触特征评价
1.平均接触距离dave
对集料边界的每个像素点进行圆盘扫描,获取其距离任何其他集料边界的最小距离(单位为:mm),并定义此最小距离为此像素点的接触距离。分析切片图像中每个集料的边界的每一个像素点的接触距离,提出平均接触距离指标离dave,如公式1所示:
式中:
N:某切片图像中所有集料的边界像素点的总数目;
di:边界像素点i的接触距离(mm);
dave:平均接触距离(mm)。
2.总接触长度Lsum
选择接触距离阈值为0.5mm,即接触距离小于0.5mm的集料边界像素点属于接触像素点。每个截面的实际接触线总长度定义为该截面的接触像素点的总长度(单位:mm)。由于同一个试件所获取的12个截面的面积有差异,将每个截面的接触线总长度换算成标准图像尺寸的接触线总长度Lsum,如公式2所示。
3.平均接触长度Lave
不同的两个集料之间存在接触则称之为集料接触对。由于同一个试件所获取的12个截面的面积有差异,将每个截面的接触对总个数换算成标准图像尺寸的接触对总个数No.pair,如公式3所示。每个截面的平均接触长度Lave则定义为总接触长度与接触对总个数的比值,如公式4所示。
式中:
As:标准图像尺寸(150mm*100mm的矩形,面积15000mm2);
Ai:截面i面积(mm2);
Li:截面i换算前总接触长度(mm);
No.pairi:截面i换算前接触对个数。
4.接触结构指数CSI
为了更好地定义接触结构并考虑集料骨架的嵌挤、接触的连通性以及接触的密度,利用平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave三个指标定义综合的接触指标——接触结构指数CSI(单位:mm),如公式5所示。
式中:
Lsum:总接触长度,mm;
Lave:平均接触长度,mm;
dave:平均接触距离,mm。
接触结构指数CSI和动态蠕变试验中流变次数Fn之间存在相关性,此相关性比单一指标(平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave)与流变次数Fn的关系更显著。所以,从微观角度出发,在预测同种胶结料的不同级配类型沥青混合料车辙性能方面,接触结构指数CSI是一种更为合理和全面的指标。较大的CSI代表该混合料动态蠕变流变次数Fn更大,即抵抗车辙性能更强。
本发明的有益效果:本发明提出的基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙性能的方法简单易行,通过平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave得到接触结构指数CSI评价沥青混合料的车辙性能,该指标与动态蠕变试验结果具有较好的相关性,从而为指导道路工程实践,尤其是我国高速公路车辙的预防及维修养护提供理论依据。
附图说明
图1为试件制备和图像获取示意图;
图2为图像处理及分析示意图;
图3为接触距离示意图;
图4为接触长度示意图;
图5为CSI与动态蠕变试验结果关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种基于接触距离分布的沥青混合料砂浆厚度计算方法,包括以下步骤:
1)图像获取
首先利用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的试件,然后对于成型好的试件进行取芯和切割,得到高度150mm、直径100mm的标准圆柱体试件。将切割后的标准圆柱体试件自上而下进行切片以获取混合料切片。所有的旋转压实试件均用金刚石锯片在竖直方向进行切割,切割应控制在较慢的速率以保证切割面的平滑。每一个试件切割7面,每个切割面相距10mm,选取试件中间的六个切片。随后,每片试样的切割面均被清理干净并用高分辨率的扫描仪(762dpi,每个像素点大约为0.0334mm)对其进行扫描,扫描过程在暗箱中进行,以防止自然光的影响。最终,每个标准圆柱体试件得到12张高精度二维切片图像。试件制备和图像获取流程如图1所示。
2)图像处理
首先对高精度的切片图像施加绿色的滤镜以稀释集料部分存在的较多蓝色通道像素点。图像分割前,利用MATLAB相关算法将图像转换成灰度图的形式以便于后续的分析。应用顶帽变换和中值滤波算法分别消除亮度不均匀和图像噪声。在分割图像时,图像分割过程中,将扫描图像分割为16个等大的矩形区分别进行阈值选取,每个区域的最优阈值计算采用OTSU自适应算法。应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出集料并去除小于1.18mm的颗粒。分割结束后,对整体二进制图像应用分水岭变换和腐蚀膨胀算法,对颗粒轮廓进行检查和修正。
图像处理及分析示意图如图2所示。
3)接触特征评价
1.平均接触距离dave
对集料边界的每个像素点进行圆盘扫描,获取其距离任何其他集料边界的最小距离(单位为:mm),并定义此最小距离为此像素点的接触距离。分析切片图像中每个集料的边界的每一个像素点的接触距离,提出平均接触距离指标离dave,如公式1所示:
式中:
N:某切片图像中所有集料的边界像素点的总数目;
di:边界像素点i的接触距离(mm);
dave:平均接触距离(mm)。
接触距离示意图如图3所示,接触距离即为集料边界上任意一点至相邻集料的最短距离。图中所示有标号为1、2、3、4的四个集料,A、B、C三圆半径即为圆心像素点与相邻集料的接触距离。
2.总接触长度Lsum
选择接触距离阈值为0.5mm,即接触距离小于0.5mm的集料边界像素点属于接触像素点。每个截面的实际接触线总长度定义为该截面的接触像素点的总长度(单位:mm)。由于同一个试件所获取的12个截面的面积有差异,将每个截面的接触线总长度换算成标准图像尺寸的接触线总长度Lsum,如公式2所示。
接触长度示意图如图4所示,将某一集料外边界向外扩大0.5mm,该曲面与相邻集料相交部分的长度即为接触长度。图中所示有标号为1、2、3、4的四个集料,4号集料红线部分即为接触长度。
3.平均接触长度Lave
不同的两个集料之间存在接触则称之为集料接触对。由于同一个试件所获取的12个截面的面积有差异,将每个截面的接触对总个数换算成标准图像尺寸的接触对总个数No.pair,如公式3所示。每个截面的平均接触长度Lave则定义为总接触长度与接触对总个数的比值,如公式4所示。
式中:
As:标准图像尺寸(150mm*100mm的矩形,面积15000mm2);
Ai:截面i面积(mm2);
Li:截面i换算前总接触长度(mm);
No.pairi:截面i换算前接触对个数。
4.接触结构指数CSI
为了更好地定义接触结构并考虑集料骨架的嵌挤、接触的连通性以及接触的密度,利用平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave三个指标定义综合的接触指标——接触结构指数CSI(单位:mm),如公式5所示。
式中:
Lsum:总接触长度,mm;
Lave:平均接触长度,mm;
dave:平均接触距离,mm。
提出上述指标后,将其应用于多种沥青混合料。本专利所采用的沥青混合料种类范围广,涵盖了四种级配类型(AC-13,SMA-13,UTA-10,SUP-13)、三种最大公称粒径(SUP-13,SUP-20,SUP-25)。沥青统一采用SBS改性沥青。集料采用了玄武岩和石灰岩。为了更好地模拟实际路面状况,SUP-20和SUP-25沥青混合料使用石灰岩,其余沥青混合料使用玄武岩。试件采用旋转压实方法成型,控制空隙率在3%~4%以消除空隙率对结果的影响。此外,考虑到压实度对永久变形影响显著,AC-13混合料采用四种压实次数(25次,50次,75次,100次)。
将接触结构指数CSI与动态蠕变结果进行比较,可以得到以下结论:接触结构指数CSI和动态蠕变试验中流变次数Fn之间存在相关性,此相关性比单一指标(平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave)与流变次数Fn的关系更显著。
相关指标与试验数据见表1,CSI与动态蠕变试验结果关系如图5所示。
表1沥青混合料各指标与动态蠕变试验结果
所以,从微观角度出发,在预测同种胶结料的不同级配类型沥青混合料车辙性能方面,接触结构指数CSI是一种更为合理和全面的指标。较大的CSI代表该混合料动态蠕变流变次数Fn更大,即抵抗车辙性能更强。
应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种基于接触特征的评价及预测沥青混合料车辙性能的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)图像获取
首先利用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的试件,然后对于成型好的试件进行取芯和切割,得到高度150mm、直径100mm的标准圆柱体试件;将切割后的标准圆柱体试件自上而下进行切片以获取混合料切片;所有的旋转压实试件均用金刚石锯片在竖直方向进行切割,切割应控制在较慢的速率以保证切割面的平滑;每一个试件切割7面,每个切割面相距10mm,选取试件中间的六个切片;随后,每片试样的切割面均被清理干净并用高分辨率的扫描仪对其进行扫描,扫描过程在暗箱中进行,以防止自然光的影响;最终,每个标准圆柱体试件得到12张高精度二维切片图像;
2)图像处理
首先对高精度的切片图像施加绿色的滤镜以稀释集料部分存在的较多蓝色通道像素点;图像分割前,利用MATLAB相关算法将图像转换成灰度图的形式以便于后续的分析;应用顶帽变换和中值滤波算法分别消除亮度不均匀和图像噪声;在分割图像时,图像分割过程中,将扫描图像分割为16个等大的矩形区分别进行阈值选取,每个区域的最优阈值计算采用OTSU自适应算法;应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出集料并去除小于1.18mm的颗粒;分割结束后,对整体二进制图像应用分水岭变换和腐蚀膨胀算法,对颗粒轮廓进行检查和修正;
3)接触特征评价
(1)平均接触距离dave
对集料边界的每个像素点进行圆盘扫描,获取其距离任何其他集料边界的最小距离,并定义此最小距离为此像素点的接触距离;分析切片图像中每个集料的边界的每一个像素点的接触距离,提出平均接触距离指标离dave,如公式(1)所示:
式中:
N:某切片图像中所有集料的边界像素点的总数目;
di:边界像素点i的接触距离(mm);
dave:平均接触距离(mm);
(2)总接触长度Lsum
选择接触距离阈值为0.5mm,即接触距离小于0.5mm的集料边界像素点属于接触像素点;每个截面的实际接触线总长度定义为该截面的接触像素点的总长度;由于同一个试件所获取的12个截面的面积有差异,将每个截面的接触线总长度换算成标准图像尺寸的接触线总长度Lsum,如公式(2)所示;
(3)平均接触长度Lave
不同的两个集料之间存在接触则称之为集料接触对;由于同一个试件所获取的12个截面的面积有差异,将每个截面的接触对总个数换算成标准图像尺寸的接触对总个数No.pair,如公式(3)所示;每个截面的平均接触长度Lave则定义为总接触长度与接触对总个数的比值,如公式(4)所示;
式中:
As:标准图像尺寸(150mm*100mm的矩形,面积15000mm2);
Ai:截面i面积(mm2);
Li:截面i换算前总接触长度(mm);
No.pairi:截面i换算前接触对个数;
(4)接触结构指数CSI
为了更好地定义接触结构并考虑集料骨架的嵌挤、接触的连通性以及接触的密度,利用平均接触距离dave、总接触长度Lsum、平均接触长度Lave三个指标定义综合的接触指标——接触结构指数CSI,如公式(5)所示;
式中:
Lsum:总接触长度,mm;
Lave:平均接触长度,mm;
dave:平均接触距离,mm;
接触结构指数CSI和动态蠕变试验中流变次数Fn之间存在相关性,此相关性比单一指标与流变次数Fn的关系更显著;所以,从微观角度出发,在预测同种胶结料的不同级配类型沥青混合料车辙性能方面,接触结构指数CSI是一种更为合理和全面的指标;较大的CSI代表该混合料动态蠕变流变次数Fn更大,即抵抗车辙性能更强。
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