CN106841246A

CN106841246A - 一种测定试件空隙率和空隙分布的方法

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Publication number: CN106841246A
Application number: CN201710134853.8A
Authority: CN
Inventors: 汪海年; 雷勇; 高俊锋; 季传军; 尤占平; 孟宪伟; 陈曦; 卜胤
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明公开了一种测定试件空隙率和空隙分布的方法，先对试件进行预处理，包括试件准备和涂层处理，本发明还公开了一种测定试件空隙率和空隙分布的方法，本方法可以用于测定水泥混凝土试件、沥青混合料试件等其他多孔道路材料试件的空隙率和空隙分布，应用广；空隙空间分布包括竖向分布、径向分布和空隙级配，更直观；本发明对试件本身不会产生损害，为分析试件的体积特征与力学性能之间的关联性提供了一种可行的科学方法。

Description

一种测定试件空隙率和空隙分布的方法

技术领域

本发明属于道路材料测试技术领域，涉及一种试件空隙的测试，具体涉及一种基于X-ray CT技术测定试件空隙率和空隙分布的方法。

背景技术

沥青混合料一般由矿质集料、沥青结合料、填料和添加剂组成。由于矿质集料形态的不规则性，压实成型的沥青混凝土往往包含着一定数量的空隙。空隙率和空隙分布是沥青混合料的重要体积参数，与沥青混合料的路用性能有着直接关系。沥青混合料空隙率的大小直接影响路面的排水效果，对于常见的密实悬浮结构的沥青混凝土AC(AsphaltConcrete)而言，《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求其空隙率控制在2％～6％之间。相关学术研究表明，7％～8％的空隙率不利于雨水在路面空隙结构中迅速排出。路面沥青混合料空隙空间分布及其空隙连通性对路面的传热能力也有一定影响，进一步影响路面在高温条件下剪切压实的抗变形能力。沥青混合料空隙空间分布影响沥青混合料的力学性能。沥青混合料在一定外力加载条件下，集料骨架的接触特征决定力链的分布，力链的分布与空隙分布存在一定的关联性，因此，研究沥青混合料试件空隙空间分布有利于分析试件的力学特性，进而科学地评价沥青混合料的力学性能。

当前，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，测定沥青混合料的空隙率主要采用试件的毛体积相对密度与最大理论相对密度的比值来计算空隙率。沥青混合料属于复合材料，由于材料状态和测定条件的不同，计算用的体积所考虑的集料内部的孔隙及集料间的空隙情况不同，使得计算的毛体积相对密度有所不同，进一步致使沥青混合料的空隙率因测试方法的不同而有所差异。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种测定试件空隙率与空隙分布的方法，这种方法对试件不会造成损害，试件可用于后续的力学试验分析，便于建立试件的体积参数与力学性能之间的关系，为评价和设计高性能道路材料提供技术支持和理论参考。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种试件预处理方法，本方法所述试件用于测定多孔道路混合料的空隙率或空隙分布，包括试件准备，所述试件准备包括制作圆柱体试件，所述试件预处理方法还包括涂层处理，所述涂层处理包括依次在试件表面贴锡箔胶带、贴橡皮膏、涂布水泥净浆。

所述橡皮膏为棉布基材。

所述试件准备还包括对试件的两端进行整平处理和试件干燥处理。

所述涂布水泥净浆为分次涂布，水泥净浆的厚度为1～3mm。

一种测定试件空隙率和空隙分布的方法，包括如下步骤，

(1)按上述方法进行试件预处理；

(2)采用X-ray CT技术扫描预处理后的试件，得到试件各个断面上X-ray的线衰减系数分布，根据线衰减系数分布采用反投影算法进行图像重建，得到多个试件断面图像；

(3)选定某个试件断面图像，得到所有空隙对应的相对空间坐标；

(4)计算出所述试件断面图像中所有空隙的体积比，即得到所述试件断面图像的空隙率，依次计算所有试件断面图像的空隙率，取平均值即得试件空隙率；

(5)按竖向和径向对试件整体进行多个空间区域划分，得到每个空间区域的位置坐标，根据所有空隙对应的相对空间坐标对试件的多个空间区域进行筛选，得到包含空隙的试件空间区域，根据试件空间区域的位置坐标统计出试件的空隙分布。

步骤(2)中采用X-ray CT技术扫描试件时使X射线呈锥束状放射穿透试件，步骤(2)中采用X-ray CT技术扫描试件时扫描时间小于80％，对比度不低于3000。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的试件预处理方法，可以将未封闭的试件空隙经处理后变成封闭空隙，用于X-ray CT技术扫描等，可提高空隙率计算精度。

(2)本发明可以用于测定水泥混凝土试件、沥青混合料试件等其他多孔道路材料试件的空隙率和空隙分布，应用广；空隙空间分布包括竖向分布、径向分布和空隙级配，更直观。

(3)本发明对试件本身不会产生损害，为分析试件的体积特征与力学性能之间的关联性提供了一种可行的科学方法。

附图说明

图1是沥青混合料试件扫描示意图；

图2是经涂层处理的沥青混合料试件断面图；

图3是试件的三维重构模型；

图4是试件立面的二维切片图像；

图5是试件侧面的二维切片图像；

图6是试件中空隙的体积大小和位置坐标信息(原始数据示例)

图7是沥青混合料试件径向分区示意图；

图8是沥青混合料试件竖向分区示意图；

图9是4.75mm粒径的矿质集料颗粒形态示意图；

图10是实施例2沥青混合料试件空隙在径向的空间分布；

图11是实施例2沥青混合料试件空隙在竖向的空间分布。

图中各标号的含义为：

1-水泥净浆；2-橡皮膏；3-锡箔胶带；4-沥青混合料试件；5-滤波片；6-X-ray靶头；7-旋转载物平台；8-探测器；9-条状4.75mm粒径矿质集料形态；10-4.75mm粒径矿质集料形态；

41-沥青混合料试件径向分区外边第一层；42-沥青混合料试件径向分区外边第二层；43-沥青混合料试件径向分区外边第三层；44-沥青混合料试件径向分区外边第四层；45-沥青混合料试件径向分区外边第五层；

401-竖向分区第一层；402-竖向分区第二层；403-竖向分区第三层；404-竖向分区第四层；405-竖向分区第五层；406-竖向分区第六层；407-竖向分区第7层；408-竖向分区第八层；409-竖向分区第九层；4010-竖向分区第十层。

具体实施方式

以下是发明人提供的具体实施例，需要说明的是，该实施例是用以对本发明作进一步的解释说明，本发明的保护范围并不限于该实施例。

X-ray CT技术根据X射线的衰减规律进行成像。沥青混合料试件是非均质材料，X射线在穿透试件中不同质材料时，其衰减系数有所差异。X-ray CT以级联的形式表征X射线入射强度与出射强度之间的关系，计算公式见式1。

式中：I为X射线出射强度；

I₀为X射线出射强度；

μ为材料的线衰减系数；

△x为材料的厚度。

由于X射线入射强度和出射强度都是可以实际测量的物理量,因此，它们比值的负自然对数容易计算得到，见公式2。

式中：n为级联的单元数。

计算得到的p值称为X射线穿透物体后的投影数据。X-ray CT计算机通过实际测量的投影数据计算扫描试件各个断面上对于X射线的线衰减系数分布。最后，采用反投影算法进行图像重建，得到不重叠的样本断层图像。

选定沥青混合料试件的计算空间区域(例如，将沥青混合料试件沿径向等体积和竖向等体积划分，或者也可按照需要将沥青混合料试件在径向或竖向等间距划分)，本方法将沥青混合料试件中的空隙定义为“缺陷”，对选定空间区域进行缺陷计算，可知“缺陷”在试件选定空间区域所占据的比例，即空隙率。每一个“缺陷”有对应的相对空间坐标，对特定空间区域的“缺陷”径向筛选统计，一般按竖向和径向对沥青混合料试件进行空间区域划分，各个区域的统计“缺陷”即为试件的空隙分布。进一步地，也可对任意划分区域的“缺陷”按照其体积大小进行空隙级配分析。

实施例1：

本实施例提供一种试件预处理方法，以沥青混合料试件为例，本实施例所述试件用于测定多孔道路混合料的空隙率或空隙分布，包括以下步骤：

(1)试件准备。首先，利用沥青混合料马歇尔击实仪或旋转压实成型仪制作圆柱体的沥青混合料试件，也可利用取芯机从沥青混合料试板上或者路面现场就地转取圆柱体试件。然后，根据实际需要对圆柱体试件的两端进行整平处理。最后，将试件放置在干燥箱中使其水分充分挥发。

(2)涂层处理。第一步，在沥青混合料试件表面贴上一层锡箔胶带，以防止沥青混合料试件表面的空隙被堵塞，同时将试件表面的开口空隙封闭形成闭口空隙。第二步，在试件表面贴上棉布基材的橡皮膏(锡箔胶带和棉布基材的橡皮膏直接在淘宝页面搜索购买即可)，创造良好的粘附条件。第三步，根据实际的环境温度和水泥净浆的凝固时间分次将水泥净浆均匀地涂抹在橡皮膏表面，确保水泥净浆的厚度达到1～3mm，形成便于X-ray CT识别的水泥薄膜层。

经过本实施例处理后的沥青混合料试件，可测出沥青混合料试件的内部空隙和部分细小的闭口空隙，试验结果更为准确可靠。

实施例2：

本实施例通过室内实验并结合附图1-8对本发明做具体说明。

本实施例选用石灰岩作为矿质集料，其级配(AC-13)见表1.使用针入度为70^#的道路石油沥青作为结合料，按照4.5％的油石比，利用旋转压实成型仪成型直径100mm的沥青混合料试件，其中控制压实力为600KN,压实次数为80次，压实温度为135℃。

表1.AC-13的集料级配

为了深入验证本发明方法的有效性和灵敏性，对4.75mm的关键集料进行了设计，将含有条状集料的沥青混合料试件定义为A，将含有圆状集料的沥青混合料试件定义为B。

包括如下步骤：

(1)试件准备：如图1-2，将成型的沥青混合料试件4放置在室温干燥条件下放置24小时，待其完全冷凝成型。然后，在沥青混合料试件4的表面密实贴上锡箔胶带3，使沥青混合料4表面的开口空隙变为封闭空隙，便于“缺陷”识别。使用棉布基材的橡皮膏2贴在锡箔胶带3表面，对于沥青混合料试件4的顶面和底面尤其注意橡皮膏2的粘贴平整性。根据水泥的特性，调整水泥净浆1的水灰比，使的水泥净浆1在确保粘附性能的前提下具备良好的流动性能。使用柔软毛刷蘸取水泥净浆1在橡皮膏表面均匀涂刷，先刷沥青混合料试件4的侧面和顶面，待涂刷的水泥净浆1凝固后，将沥青混合料试件4倒立过来，使用柔软毛刷蘸取水泥净浆1对沥青混合料试件4的侧面和另一顶面。如上述过程重复涂刷水泥净浆1，直至水泥净浆1凝固后的总厚度达到1-3mm。

(2)将沥青混合料试件4放置在X-ray CT设备的旋转载物平台7中心位置，开启靶头6的射线，使其以一定的入射强度呈锥束状放射穿透沥青混合料试件，扫描时间不要超过80％，对比度不低于3000。射线透过滤波片5穿透沥青混合料试件4后，探测器8接受衰减的射线并将强度信号传送给X-ray CT设备的主机分析系统，主机分析系统会在系统内得到试件的各个断面上X-ray的线衰减系数，根据线衰减系数分布采用反投影算法进行图像重建，得到多个试件断面图像。

在CT成像过程中，线衰减系数大致与物理密度成正比，成像函数即是线衰减系数的分布，由线衰减系数的分布根据反投影算法重建图像属于很成熟的技术，此处不赘述。

(3)选定试件任意断面图像，采用三维可视化软件VG Studio MAX 2.0，得到断面上所有空隙对应的相对空间坐标，以xyz形式表示(图3、6)。

(4)采用三维可视化软件VG Studio MAX 2.0，获得沥青混合料试件正面、侧面、立面三个正交角度的不同断层的二维切片图像，如图4、5。通过切片的图像处理得到试件中空隙的体积大小和相对空间坐标，如图6(原始数据示例)，得到的试件的空隙率见表2。

步骤(3)和(4)涉及相对空间坐标获得和空隙的体积大小的计算均可通过三维可视化软件VG Studio MAX 2.0得到，属于常规做法，此处不详述。

(5)将沥青混合料试件4沿径向等体积分为5个空间区域，竖向等体积分为10个空间区域，数据竖向划分用于分析空隙在试件内部延竖向的分布情况，数据径向划分用于分析空隙延试件径向由中心向边缘的分布情况，得到每个空间区域的位置坐标，此处空间区域的位置坐标指的是包含空隙的空间区域在径向5个空间区域和竖向10个空间区域中的位置，径向的位置以41、42直至45表示，竖向以401、402直至410表示，如图7、8。本实施例竖向划分通过将Z坐标按高度大小分为10份实现，本实施例径向划分按直径通过对试件上下圆底面半径进行等分，将试件分为5个空间区域，并统计5个区域中的空隙分布情况。

采用MATLAB，通过sqrt()命令计算上下圆底面半径，然后对所得半径5等份，通过5等份半径将试件划分为5个区域。计算各空隙与圆心的距离，然后确定各空隙所属区域位置坐标，MATLAB函数可直接对不包含空隙的区域进行筛选过滤，得到包含空隙的试件空间区域，使用plot()绘出按竖向和径向的空隙分布情况图，见图10、11，用于直观分析空隙的空间分布。

表2.沥青混合料试件A和B的空隙率

试件类别	本发明方法测定空隙率(％)	对比例(水中重法实测空隙率)(％)
			A	6.80	6.32
B	7.47	7.09

表2表明，本发明方法测定的空隙率与水中重发实测孔隙率较为接近，前者数值略高说明本发明方法可测出沥青混合料试件4的内部空隙和部分细小的闭口空隙，试验结果更为准确可靠。另外，由于4.75mm关键颗粒形态的差异(图9)，本发明与水中重发测定的B的空隙率均稍高于A的孔隙率，再次验证了本发明的可靠性和可行性。

沥青混合料试件A和B的空隙率在径向上的空间分布如图10所示，不同区域的孔隙率由外到内大致呈现先增大后减小的规律性变化趋势。沥青混合料试件A和B的空隙率在竖向上的空间分布如图11所示，此数据可用于分析沥青混合料试件4的体积参数对力学性能的影响。

本方法基于X-ray CT扫描技术获取试件的切面断层图像，通过试件的切面断层图像的图像处理得到试件中空隙的体积大小和位置坐标。利用MATLAB数据处理软件，对所得到的空隙位置坐标进行筛选、统计，从而得到空隙在试件中的空间分布。

Claims

1.一种试件预处理方法，本方法所述试件用于测定多孔道路混合料的空隙率或空隙分布，包括试件准备，所述试件准备包括制作圆柱体试件，其特征在于，所述试件预处理方法还包括涂层处理，所述涂层处理包括依次在试件表面贴锡箔胶带、贴橡皮膏、涂布水泥净浆。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述橡皮膏为棉布基材。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述试件准备还包括对试件的两端进行整平处理和试件干燥处理。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述涂布水泥净浆为分次涂布，水泥净浆的厚度为1～3mm。

5.一种测定试件空隙率和空隙分布的方法，其特征在于，包括如下步骤，

(1)按权利要求1的方法进行试件预处理；

(4)计算步骤(3)所述试件断面图像中所有空隙的体积比，得到所述试件断面图像的空隙率，依次计算所有试件断面图像的空隙率，取平均值即得试件空隙率；

(5)按竖向和径向对试件整体进行多个空间区域划分，得到每个空间区域的位置坐标，筛选出包含空隙的试件空间区域，根据试件空间区域的位置坐标统计出试件的空隙分布。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于，步骤(2)中采用X-ray CT技术扫描试件时使X射线呈锥束状放射穿透试件。

7.如权利要求5所述方法，其特征在于，步骤(2)中采用X-ray CT技术扫描试件时扫描时间小于80％，对比度不低于3000。