CN108181211B - 一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法，针对集料几何性质对矿料颗粒间的接触作用影响，在基于AIMS图像采集系统采集集料颗粒的几何参数基础上，由于级配矿料颗粒的组成比例不同，颗粒间的接触作用也将存在很大差别；又因为不同集料的颗粒几何特性不同，依此提出级配矿料颗粒复合几何指数，用于评价不同类型矿料的颗粒复合特性，间接评价了矿料颗粒的接触作用强弱及骨架结构的稳定性；本发明基于AIMS图像采集系统，通过复合指数对级配矿料的复合颗粒特性进行评价分析，相比其他方法，评价结果更为准确可靠。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，具体涉及一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法。
背景技术
矿质集料是沥青混合料等道路工程结构的主要组成部分，也是沥青混合料强度的主要来源。有研究表明，集料颗粒的几何性质影响沥青混合料中矿料颗粒的接触状态及骨架结构的稳定性，是沥青混合料极限抗剪强度和抗永久变形的主要影响因素之一。在沥青混合料中，粗集料颗粒相互嵌挤形成骨架结构，骨架结构的稳定性对沥青路面承受荷载起着决定性的作用。而这种骨架稳定性来源于胶结料的粘结作用和集料的接触作用，集料之间的接触受颗粒几何特性的影响。
针对集料颗粒几何特性对沥青混合料矿料颗粒接触行为的影响，近年来，许多研究者重视对沥青混合料集料细微观的研究。陈建旭等人研究表明，集料的形状对沥青混合料抗车辙能力有明显的影响。韩海峰和吕伟民通过大量试验表明了细集料棱角性对沥青混合料体积性质和水稳定性有一定影响。彭波分析了集料粒形影响、粗集料骨架作用及细集料填充作用。这些针对集料的研究测试都采用传统的间接方法，这种间接法无法单独获取集料颗粒某一项几何特性。同时研究集料颗粒几何特性对沥青混合料性能的影响也只是限于宏观层面和定性的描述，并没有从细微观角度准确采集集料颗粒的几何参数。随着计算机技术的普及，基于图像处理技术的新型集料几何特性测试方法不断涌现，其中最具有代表性的是AIMS集料图像采集系统。这种集料图像采集系统在国外运用广泛，然而在国内基于AIMS系统研究矿质集料几何特性的运用很少。
发明内容
本发明提出了一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法，用于评价不同类型矿料的颗粒复合特性，间接评价了矿料颗粒的接触作用强弱及骨架结构的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案是：
一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)选用三种不同类型的岩石集料，并进一步的筛分处理；
(2)基于AIMS图像采集系统测试集料颗粒的几何参数；
(3)选择不同级配的矿料，结合公式(1)计算矿料粗集料的复合几何指数；
其中：CI为某一热拌沥青混合料级配设计中的粗集料复合几何特征参数；ai为级配设计中第i级集料的分计筛余百分比；indexi为级配设计中使用的第i级粗集料的几何特征参数；m为级配设计中所用粗集料的粒径数；n为级配设计中所有集料的粒径数；
(4)分析评价不同级配矿料粗集料颗粒复合特性的影响因素，确定矿料颗粒复合特性评价标准，通过参数大小对比获得不同类型矿料的复合颗粒特性差异。
进一步，所述对岩石集料的筛分处理，即是对取样矿料按不同颗粒粒径进行筛分，然后对每一粒径颗粒做清洗烘干处理。
进一步，所述AIMS系统测试集料颗粒的球度指标(SP)、棱角梯度(GA)和纹理指数(TX)，测试步骤如下：
步骤(1)：将样本放置于试验托盘的凹槽内，不同尺寸的集料颗粒匹配与其尺寸对应的试验托盘，闭合仪器舱门；
步骤(2)：启动试验，系统进行三次扫描：第一次扫描，背光和图像系统首先捕捉颗粒的轮廓图像，系统自动计算平面图像质心；第二次扫描，顶光系统捕捉颗粒高度，并计算样本三维参数；第三次扫描，监视图像中的捕捉框位置捕捉颗粒纹理图像进行分析，顶光系统和物理图像放大镜协助获得纹理图像；
步骤(3)：三次扫描结束，测试结束，数据输出。
进一步，所述级配矿料的复合几何参数指的是复合棱角梯度(CIGA)和复合纹理指数(CITX)，并依赖于在设计中所用粗集料的相对密度、颗粒体积和颗粒表面积大小，而且受集料颗粒球度指标(SP)的影响，复合棱角指数(CIGA)和复合纹理指数(CITX)根据以下公式(2)和(3)计算:
其中：CIGA为级配矿料的粗集料复合棱角指数；CITX为级配矿料的粗集料复合纹理指数；gi为i级集料的体积相对密度；GAi为i级粗集料的棱角梯度；TXi为i级粗集料的纹理指标；ai为级配设计中第i级集料的分计筛余百分比；Vwi为集料颗粒形状的加权体积，通过公式(4)得到；SAwi为集料颗粒形状的加权表面积，通过公式(5)得到；
VWi＝Vci×SPi+Vsi×(1-SPi) (4)
SAWi＝SACi×SPi+SASi×(1-SPi) (5)
其中：Vsi为球体的计算体积；Vci为立方体的计算体积；SAsi为球体的计算表面面积；SAci为立方体的计算表面面积；SPi为颗粒球度指标；
进一步，所述矿料粗集料颗粒复合几何特性的影响因素为公称最大粒径、级配走向、集料类型和级配结构。
进一步，级配走向分为上限、中值和下限三种范围、集料类型包括玄武岩和两种料源不同的石灰岩，级配结构包括AC型混合料、SMA型混合料和OGFC型混合料。
本发明的矿料粗集料复合几何特性的评价方法，分析评价不同级配矿料粗集料颗粒复合特性的影响因素，确定矿料颗粒复合特性评价标准，通过参数大小对比获得不同类型矿料的复合颗粒特性差异；针对集料几何性质对矿料颗粒间的接触作用影响，在基于AIMS图像采集系统采集集料颗粒的几何参数基础上，由于级配矿料颗粒的组成比例不同，颗粒间的接触作用也将存在很大差别。又因为不同集料的颗粒几何特性不同，依此提出级配矿料颗粒复合几何指数，用于评价不同类型矿料的颗粒复合特性，间接评价了矿料颗粒的接触作用强弱及骨架结构的稳定性。本发明基于AIMS图像采集系统，通过复合指数对级配矿料的复合颗粒特性进行评价分析，相比其他方法，评价结果更为准确可靠。
附图说明
图(1-a)为三种级配矿料不同公称粒径的粗集料复合几何参数对比折线图，其中，横坐标为均公称最大粒径(mm)，纵坐标为复合棱角指标CIGA；
图(1-b)为三种级配矿料不同公称粒径的粗集料复合几何参数对比折线图，其中，横坐标为均公称最大粒径(mm)，纵坐标为复合纹理指标CITX；
图(2-a)为不同级配走向的粗集料复合几何指标对比柱形图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为AC型矿料复合棱角指标(CIGA)；
图(2-b)为不同级配走向的粗集料复合几何指标对比柱形图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为AC型矿料复合纹理指标(CITX)；
图(2-c)为不同级配走向的粗集料复合几何指标对比柱形图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为SMA型矿料复合棱角指标(CIGA)；
图(2-d)为不同级配走向的粗集料复合几何指标对比柱形图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为SMA型矿料复合纹理指标(CITX)；
图(3-a)为不同集料的粗集料复合几何指标对比折线图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为复合棱角指标(CIGA)；
图(3-b)为不同集料的粗集料复合几何指标对比折线图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为复合纹理指标(CITX)；
图(4-a)为不同集料的粗集料复合几何指标对比柱形图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为复合棱角指标(CIGA)；
图(4-b)为不同集料的粗集料复合几何指标对比柱形图，横坐标为公称最大粒径(mm)，纵坐标为复合纹理指(CITX)；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的内容，具体的试验步骤如下：
步骤1：选取原材料及矿料级配
本实施例选取岩性、产地不同的三种典型集料，并将选取集料分别编号为SG、SZ和XY，其中前两种集料为石灰岩质，第三种为玄武岩质。三种矿质集料的粗集料毛体积密度和细集料表观密度分别如表1和表2。为了评价级配矿料颗粒的复合几何特性，研究采用三种不同的矿料级配结构(AC、SMA、OGFC)，每种矿料级配分别按不同公称最大粒径(10mm、13mm、16mm、20mm)划分，每种矿料又在级配范围内按不同取值分为三种级配走向(中值(Z)、上限(S)及下限(X))，合成级配如表3、4、5所示。
表1粗集料的相对密度
表2细集料的相对密度
表3中值合成级配
表4下限合成级配
表5上限合成级配
步骤2：集料几何参数采集
采用AIMS图像采集系统测试三种所选集料不同粒径的几何参数，如球度指标SP、棱角梯度GA、纹理指数TX。如表6为采集到的指标数据。
表6三种矿集料几何指标
步骤3：矿料颗粒复合特性的评价
基于表6中的几何参数采集结果，通过提出的矿料颗粒复合特性计算式分别计算不同级配结构、不同级配走向、不同集料类型和不同公称最大粒径矿料的粗集料复合棱角指数(CIGA)和复合纹理指数(CITX)。
为了验证评价方法的有效性，本实施例依次对比评价了不同级配结构、不同级配走向、不同集料和不同公称最大粒径矿料的颗粒复合特性差异。分析结果如图1、2、3、4所示。
不同公称最大粒径的级配矿料中粗集料所占比例不同，导致矿料的粗集料复合几何特性存在较大差异。采用石灰岩(SZ)，分别计算了不同公称最大粒径的三种不同级配矿料(AC、SMA、OGFC)的粗集料几何特征复合参数，如图1所示。
由图1可知，对同一类型的AC与OGFC矿料，不同级配走向的粗集料几何特征复合参数随公称最大粒径变化基本表现出相同的变化趋势；对SMA矿料，不同级配走向矿料的粗集料几何特征复合参数随公称粒径的增大表现出不同的变化趋势。以上不同级配混合料的几何特征复合参数变化趋势随公称最大粒径均无一定的规律性。粗集料几何特征复合参数是一种体现粗集料颗粒数在级配体系中所占比例的大小和不同岩性集料几何指数差异的复合相对指标，有表6可看出基于AIMS测得的不同粒径的同一集料颗粒的棱角梯度和纹理指数差异不大。因此可得出不同公称最大粒径矿料的粗集料几何特征复合参数主要取决于级配中粗集料颗粒数在级配体系中的比重，比重越大，级配矿料的粗集料几何特征复合参数将越大。
由玄武岩集料构成的AC型和SMA型混合料分别按三个不同级配走向(S、Z、X)合成矿料级配，结果如图2所示。
由图2可知，对不同级配类型的沥青混合料，不同级配走向的矿料粗集料复合棱角指标和复合纹理指标随公称最大粒径的变化均表现出相同的大小顺序，即级配下限(X)>级配中值(Z)>级配上限(S)。级配走向从上限到下限变化时，级配矿料的粗细集料比随之增大，即粗集料增多。粗集料的增多使得粗集料几何特征复合参数增大，同时也增大了矿料中粗集料颗粒的接触点面范围，使得粗集料复合棱角特性和复合纹理特性表现更为丰富，进而矿料颗粒间的接触作用越强。因此，通过粗集料几何特征复合参数的大小可确定同一级配不同走向时的矿料骨架颗粒接触状态。
不同的岩石集料有不同的几何特性，则必然影响着其组成矿料的复合几何特性。由三种不同性质的岩石集料分别组成AC型中值级配矿料，各级配矿料的粗集料几何特征复合参数结果如图3所示。
从图3可知，随着公称最大粒径的变化，三种不同性质的岩石集料(XY、SZ、SG)组成的级配矿料的粗集料复合几何参数(CIGA和CITX)具有一致的大小顺序，即XY>SG>SZ。其中XY代表玄武岩，SG和SZ是两种料源不同的石灰岩。对比表明，玄武岩矿料较石灰岩矿料具有跟好的复合几何特性。同时，对于相同岩性而不同产地的石灰岩(SG、SZ)，其组成矿料的复合几何特性也表现出较大差异，产地和料源也在很大程度决定了矿料的复合几何性质。
选用实际工程中常用的三种不同级配结构的矿料(AC、SMA和OGFC)，对比评价不同级配矿料的粗集料几何特性，结果如图4所示。岩石集料采用石灰岩SZ。
由图4可知，公称最大粒径不同时，三种级配矿料的粗集料几何特征复合参数大小不同。当公称最大粒径为10mm时，三种级配矿料的粗集料几何特征复合参数大小是SMA>OGFC>AC；当公称最大粒径为13mm、16mm和20mm时，不同级配矿料的粗集料几何特征复合参数大小是OGFC>SMA>AC。总体而言，OGFC级配矿料的粗集料几何特征复合参数最大，SMA型次之，AC型最小。对于级配类型SMA和OGFC，级配体系中粗集料颗粒数比例较大，矿料颗粒间的接触点面丰富，粗集料颗粒的棱角特性和纹理特性很大程度增强了颗粒的接触作用(摩擦、嵌挤)，使得形成的骨架结构在较大颗粒接触作用下较为稳定。对AC级配矿料，级配体系中粗集料颗粒数比重小，粗集料几何特征复合参数将较低，则粗集料颗粒间的接触点面范围减小，使得颗粒的棱角特性和纹理性特性不能充分发挥颗粒的接触作用，既而颗粒间的接触作用(即摩擦、嵌挤)减弱。
步骤4：矿料颗粒复合几何特性评价方法的有效性验证
提出的评价方法在本实施例的应用标准是复合几何参数越大，矿料颗粒的接触作用越强，即形成的矿料骨架结构将更加稳定。通过评价方法计算得出公称最大粒径与复合几何参数无一定相关性，主要取决于级配体系中粗集料颗粒数的比重；不同级配走向的矿料颗粒复合特性表现为级配下限(X)>级配中值(Z)>级配上限(S)。由玄武岩组成的矿料的复合几何特性大于石灰岩矿料，同时受料源的影响较大。颗粒几何特性直接决定了组成矿料的复合几何特性；不同级配结构的矿料粗集料复合几何特性大小是OGFC>SMA>AC。通过此评价方法对比分析得出的结论与已有研究和实际应用中公认的结论基本一致，即玄武岩形成的矿料骨架结构优于石灰岩。级配走向从上限变化到下限时，粗集料所占比例增多使得矿料间的接触面增多和骨架嵌挤作用增强。不同级配结构的矿料骨架稳定性为OGFC>SMA>AC。因此，此评价方法通过计算矿料粗集料的复合几何指数大小来评价矿料颗粒的接触作用和骨架结构稳定性是切实可行的。
虽然本说明书已经用一般性说明及具体实施方案对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些改进或修改，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求所保护的范围。
Claims (4)
1.一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)选用三种不同类型的岩石集料，并进一步的筛分处理；
(2)基于AIMS图像采集系统测试集料颗粒的几何参数；
(3)选择不同级配的矿料，结合公式(1)计算矿料粗集料的复合几何指数；
其中：CI为某一热拌沥青混合料级配设计中的粗集料复合几何特征参数；ai为级配设计中第i级集料的分计筛余百分比；indexi为级配设计中使用的第i级粗集料的几何特征参数；m为级配设计中所用粗集料的粒径数；n为级配设计中所有集料的粒径数；
(4)分析评价不同级配矿料粗集料颗粒复合特性的影响因素，确定矿料颗粒复合特性评价标准，通过参数大小对比获得不同类型矿料的复合颗粒特性差异；
所述AIMS系统测试集料颗粒的球度指标(SP)、棱角梯度(GA)和纹理指数(TX)，测试步骤如下：
步骤(1)：将样本放置于试验托盘的凹槽内，不同尺寸的集料颗粒匹配与其尺寸对应的试验托盘，闭合仪器舱门；
步骤(2)：启动试验，系统进行三次扫描：第一次扫描，背光和图像系统首先捕捉颗粒的轮廓图像，系统自动计算平面图像质心；第二次扫描，顶光系统捕捉颗粒高度，并计算样本三维参数；第三次扫描，监视图像中的捕捉框位置捕捉颗粒纹理图像进行分析，顶光系统和物理图像放大镜协助获得纹理图像；
步骤(3)：三次扫描结束，测试结束，数据输出；
所述级配矿料的复合几何参数指的是复合棱角梯度(CIGA)和复合纹理指数(CITX)，并依赖于在设计中所用粗集料的相对密度、颗粒体积和颗粒表面积大小，而且受集料颗粒球度指标(SP)的影响，复合棱角指数(CIGA)和复合纹理指数(CITX)根据以下公式(2)和(3)计算:
其中：CIGA为级配矿料的粗集料复合棱角指数；CITX为级配矿料的粗集料复合纹理指数；gi为i级集料的体积相对密度；GAi为i级粗集料的棱角梯度；TXi为i级粗集料的纹理指标；ai为级配设计中第i级集料的分计筛余百分比；Vwi为集料颗粒形状的加权体积，通过公式(4)得到；SAwi为集料颗粒形状的加权表面积，通过公式(5)得到；
VWi＝Vci×SPi+Vsi×(1-SPi) (4)
SAWi＝SACi×SPi+SASi×(1-SPi) (5)
其中：Vsi为球体的计算体积；Vci为立方体的计算体积；SAsi为球体的计算表面面积；SAci为立方体的计算表面面积；SPi为颗粒球度指标。
2.根据权利要求1所述的一种矿料粗集料复合几何特性的评价方法，其特征在于：所述对岩石集料的筛分处理，即是对取样矿料按不同颗粒粒径进行筛分，然后对每一粒径颗粒做清洗烘干处理。
3.根据权利要求1所述的一种矿料粗集料复合几何特性评价方法，其特征在于：所述矿料粗集料颗粒复合几何特性的影响因素为公称最大粒径、级配走向、集料类型和级配结构。
4.根据权利要求3所述的一种矿料粗集料复合几何特性评价方法，其特征在于：级配走向分为上限、中值和下限三种范围、集料类型包括玄武岩和两种料源不同的石灰岩，级配结构包括AC型混合料、SMA型混合料和OGFC型混合料。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
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Also Published As
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