CN110208266B - 一种再生沥青混合料均匀性评价方法 - Google Patents

一种再生沥青混合料均匀性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种再生沥青混合料均匀性评价的方法，所述方法采用三个均匀性评价指标，分别为：基于等面积环扇划分的集料分布均匀性评价；基于颗粒位置与面积的新集料分布均匀性评价；基于截面空隙率的孔隙分布均匀性评价。与常用的沥青混凝土均匀性评价指标相比，本发明的再生沥青混合料均匀性评价方法从新旧集料、新集料和孔隙三个角度评价了其均匀性，准确性高。

Description

一种再生沥青混合料均匀性评价方法
技术领域
本发明属于再生沥青路面均匀性评估技术领域。尤其涉及一种再生沥青混合料均匀性评价方法。
背景技术
我国每年有大量的沥青路面进入维修和养护期，通常采用铣刨重铺的方式进行翻修，然而这种维修方式会产生大量废弃的旧沥青路面材料，不仅浪费资源，而且污染环境。因此，对路面材料进行再生利用，已然成为我国高速公路养护的必然趋势。就地热再生技术可以100％的利用旧沥青路面材料，具有显著的经济效益和环保效益，但容易出现沥青混合料不均匀问题。对均匀性进行准确的定量评价，能够为就地热再生沥青路面性能改善提供研究基础。
目前，目前对再生沥青混合料均匀性的研究大多是从宏观上作定性的判断，从细观角度进行定量评价的研究比较少。综合分析目前再生混合料均匀性的定量评价方法，可以发现存在以下局限性：1)单一的平面和环状分割，且分割面积不等，不利于均匀性评价；2)新旧集料需存在密度差，以便识别时能区分新旧集料；3)只分别评价了孔隙、旧集料、新集料、胶浆的均匀性，缺少新旧混合料的均匀性评价；4)计算模型中各组分采用统一模型进行评价，准确性不高。
中国发明专利201810365322.4公开了一种评价再生沥青混合料组分分布均匀性的方法，该方法通过编制程序实现相关算法，能够精确识别再生沥青混合料内部各组分，建立相关均匀性评价模型，对识别出来的各组分进行评价，根据评价结果，分析相关生产工艺对再生沥青混合料内部各组分均匀性的影响，从而确定相关工艺。但是上述专利存在以下局限性：1)单一的平面和环状分割，且分割面积不等，不利于均匀性评价；2)新旧集料需存在密度差，以便识别时能区分新旧集料；3)只分别评价了孔隙、旧集料、新集料、胶浆的均匀性，缺少新旧混合料的均匀性评价；4)计算模型中各组分采用统一模型进行评价，准确性不高。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种再生沥青混合料均匀性评价方法，该方法从新旧集料、新集料和孔隙三个角度评价了其均匀性，解决了现有技术中再生沥青混合料均匀性评价角度过于单一以及未能评价新旧料混合均匀性的技术问题，并且评价精度更高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种再生沥青混合料均匀性评价方法，包括如下步骤：
S1：再生沥青混合料试件的制备；
S2：采用横截面分层剖切取样；
S3：采集步骤S2切取的试样横截面图像；
S4：对步骤S3中试样横截面图像进行处理，分别获得新旧集料、新集料以及孔隙在其横截面上的分布二值图；
S5：将分布二值图沿圆周方向分割为一系列依次连接且面积相等的扇形区域，将各扇形区域沿径向分割为一系列依次连接且面积相等的子区域，并计算每个子区域中新旧集料、新集料以及孔隙的面积；
S6：基于均匀性评价指标分析新旧集料、新集料以及孔隙在试件中的分布均匀性。
进一步的，新旧集料分布均匀性采用如下模型进行评价：
Figure BDA0002100934850000021
其中：
Figure BDA0002100934850000022
Figure BDA0002100934850000023
Figure BDA0002100934850000024
式中：D—试件的集料不均匀系数；
m—试件的横截面数量；
Aij—扇形区域j对应的子区域i中新旧集料面积；
A—横截面面积；
n—横截面上子区域的数量；
Fij—扇形区域j对应的子区域i上新旧集料面积比(％)；
Figure BDA0002100934850000025
—各个子区域新旧集料面积比平均值；
S—截面新旧集料面积比标准差(％)；
Dk—截面集料不均匀指标。
进一步的，基于颗粒位置与面积的新集料分布均匀性评价过程如下：
新集料的理想均匀分布状态应该是所有颗粒在环向方向、径向方向都均匀等距分布，故将真实的集料分布状态与理想均匀分布状态进行对比，就能度量集料分布与理想均匀分布的“距离”，即不均匀程度。以集料颗粒质心位置作为研究对象，根据颗粒数量，计算在理想均匀分布时，各个颗粒在径向和环向上的距离以及它们的位置；根据实际颗粒位置与理想颗粒位置差值作为颗粒偏离度Δ；
Figure BDA0002100934850000031
Figure BDA0002100934850000032
式中：ΔTe、ΔRe—各集料位置与理想分布位置偏离度；
Te、Re—各集料位置的极坐标；
Te0、Re0—是各集料理想位置的极坐标；
N—集料个数。
考虑到大粒径颗粒对均匀性影响比小粒径颗粒更大，引入权重系数，把各颗粒面积占总颗粒面积比作为权重，以偏离度Δ的加权平均值作为横截面新集料各方向的不均匀度；分别计算环向不均匀度HTk、径向不均匀度HRk，以平均值作为截面的均匀性指标Hk；计算见下式：
Figure BDA0002100934850000033
HTk＝∑ΔTe×Pe
HRk＝∑ΔRe×Pe
Figure BDA0002100934850000034
式中：Ae—各集料颗粒的面积；
A—截面总面积；
Pe—权重系数，即各集料集料面积占截面总面积的比例；
HTk、HRk—环向、径向不均匀度；
Hk—横截面的均匀性指标。
用各截面均匀性指标的均值来反映试件的均匀性；试件的新集料分布不均匀系数H，计算见下式：
Figure BDA0002100934850000041
式中：Hk—横截面k的新集料均匀性指标；
H—试件的新集料不均匀系数；
m—试件的横截面数量。
S73：新集料分布均匀性评价
进一步的，基于截面空隙率的孔隙分布均匀性评价过程如下：
试件各截面空隙率的标准差反映试件截面空隙率的离散程度，即不均匀程度，也一定程度代表了试件空隙分布的不均匀程度，同时，为了让不同试件孔隙分布均匀性也能互相比较，使用离散系数＝标准差/均值，来评价沥青混凝土中孔隙分布的均匀程度，把该离散系数叫做孔隙分布不均匀系数K，K越小，试件孔隙分布越均匀。计算过程见下式：
截面空隙率Vk的计算，见下式：
Figure BDA0002100934850000042
式中：Ak—截面空隙所占的总面积；
A—截面总面积；
Vk—截面空隙率。
Figure BDA0002100934850000043
Figure BDA0002100934850000044
Figure BDA0002100934850000045
式中：Vk—试件各横截面的空隙率；
m—试件总的横截面数量；
Figure BDA0002100934850000046
—试件各横截面空隙率的平均值；
Sv—试件各横截面空隙率的标准差；
K—试件孔隙分布不均匀系数。
进一步的，试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)制作；试件切割时，切割时速度应该尽量慢，并注意保证切面水平，横截面数量尽量多原则。
进一步的，通过图像修剪、图像灰度化、图像增强、图像分割和图像后处理，获得新旧集料、新集料以及孔隙在其横截面上的分布二值图。
进一步的，对再生沥青混凝土试件截面的灰度图像进行简单阈值分割获得孔隙信息，并通过MATLAB中的bwareaopen函数去噪。
进一步的，采用OTSU法提取再生沥青混合料的集料信息，并应用孔洞填充和形态学处理两个方法对提取的集料数字图像进行后处理。
进一步的，采用双峰阈值的方法提取再生沥青混合料的新集料信息，并采用MATLAB中的孔洞填充和形态学工具，对图像进行后处理。
进一步的，试样横截面图像采用数码相机采集。
与现有技术相比，本发明具有优势在于：
1、对于新料均匀性评价首次提出基于颗粒偏离度Δ的均匀性评价指标，直接利用了集料颗粒的位置信息、面积信息和数量信息，利用信息较多，克服了基于区域划分均匀性指标中主观因素对结果影响较大的缺点，从环向和径向两个角度评价均匀性，更全面。
2、对于计算模型，新旧混合料、新料、孔隙计算模型都不相同，根据各自特点来求取各自的不均匀系数，更准确。
3、采用等面积环扇区域划分，克服了环形和扇形区域划分两者的缺点，且保证各个区域面积相等，对于评价整个截面的均匀性更准确。
4、不仅对新集料和孔隙均匀性进行评价，而且还对新旧集料混合均匀性进行评价。
5、数码相机拍照获取图像，操作快捷方便，而且成本低。
附图说明
图1为试件切割示意图；
图2为试件截面图像采集图；
图3为图像处理流程图；
图4为OTSU法分割后的环形分区；
图5为图像处理后新旧集料分布二值图；
图6为图像处理后新集料分布二值图；
图7为图像处理后孔隙分布二值图；
图8为等面积环扇划分法的各区域分布图。
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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-图7，一种再生沥青混合料均匀性评价的方法，包括下述步骤：
第一步：制样
按设计级配成型马歇尔试件；使用切割机按高度把试件平均分为几份，获得多个截面。
第二步：图像采集
采用数码相机采集试件截面图像。
为了保持图像尺寸统一，固定数码相机位置。除了常见的人工补光措施外，还使用白纸环绕试件，通过白纸反射光线达到亮度均匀的效果。
第三步：图像处理
可以把再生沥青混凝土的内部结构简化为：新旧集料的分布；新集料的分布；孔隙的分布。
通过图像修剪、图像灰度化、图像增强、图像分割和图像后处理，得到新旧集料横截面分布二值图、新集料横截面分布二值图、孔隙横截面分布二值图。
具体的，采用OTSU法提取再生沥青混合料的集料部分。并应用孔洞填充和形态学处理两个方法对提取的集料数字图像进行了后续处理。采用环形分区结合双峰阈值的方法提取再生沥青混合料的新集料结构。并采用MATLAB中的孔洞填充和形态学工具，对图像进行后处理。对再生沥青混凝土试件截面的灰度图像进行简单阈值分割获得孔隙信息，并通过MATLAB中的bwareaopen函数去噪。
第四步：基于等面积环扇划分的集料分布均匀性评价
在传统的环扇区域划分方法的基础上进行了优化，通过控制每一环的径向宽度来保证每个划分区域面积相等。通过统计学分别提出了截面的两种均匀性指标：基于颗粒面积比的截面新旧集料均匀性指标Dj，并最终采用指标Dj提出了能够反映试件新旧集料分布均匀性的不均匀系数D。
各圆环的外圈半径应按下式计算：
Figure BDA0002100934850000061
式中：r—截面半径；
t—环的划分数量；
hi—i子区域所在环的外圈半径；
h0—代表圆点的半径，为0。
Dk越小，截面集料分布越均匀，Dk的计算过程见下式：
Figure BDA0002100934850000071
Figure BDA0002100934850000072
Figure BDA0002100934850000073
式中：Aij—扇形区域j对应的子区域i中新旧集料面积；
A—横截面面积；
n—横截面上子区域的数量；
Fij—扇形区域j对应的子区域i上新旧集料面积比(％)；
Figure BDA0002100934850000074
—各个子区域新旧集料面积比平均值；
S—截面新旧集料面积比标准差(％)；
Dk—截面集料不均匀指标。
用各个截面均匀性指标的均值来求试件的整体均匀性D，计算见下式：
Figure BDA0002100934850000075
式中：Dk—基于颗粒面积比的截面集料均匀性指标；
D—试件的集料不均匀系数；
m—试件的横截面数量。
以集料颗粒质心位置作为研究对象，根据颗粒数量，计算在理想均匀分布时，各个颗粒在径向和环向上的距离以及它们的位置；根据实际颗粒位置与理想颗粒位置差值作为颗粒偏离度Δ，如下公式所示。
Figure BDA0002100934850000076
Figure BDA0002100934850000077
式中：ΔTe、ΔRe—各集料位置与理想分布位置偏离度；
Te、Re—各集料位置的极坐标；
Te0、Re0—是各集料理想位置的极坐标；
N—集料个数。
考虑到大粒径颗粒对均匀性影响比小粒径颗粒更大，在这里我们我们引入权重系数，把各颗粒面积占总颗粒面积比作为权重，以偏离度Δ的加权平均值作为截面新集料各方向的不均匀度。分别计算环向不均匀度HTk、径向不均匀度HRk，以平均值作为截面的均匀性指标Hk。
Figure BDA0002100934850000081
HTk＝∑ΔTe×Pe
HRk＝∑ΔRe×Pe
Figure BDA0002100934850000082
式中：Ae—各集料颗粒的面积；
A—截面总面积；
Pe—权重系数，即各集料集料面积占截面总面积的比例；
HTk、HRk—环向、径向不均匀度；
Hk—横截面的均匀性指标。
第五步：基于颗粒位置与面积的新集料分布均匀性评价
新集料的理想均匀分布状态应该是所有颗粒在环向方向均匀等距分布，在径向方向均匀等距分布，因此把真实的集料分布状态与理想的分布状态进行对比，就能求得集料分布与最理想均匀分布的“距离”，也就是不均匀程度。
用各截面均匀性指标的均值来反映试件的均匀性。试件的新集料分布不均匀系数H。计算见下式：
Figure BDA0002100934850000083
式中：Hk—横截面k的新集料均匀性指标；
H—试件的新集料不均匀系数；
m—试件的横截面数量。
本发明一种对再生沥青混合料均匀性评价的方法中，第六步中，截面空隙率Vk的计算，见下式：
Figure BDA0002100934850000091
式中：Ak—截面空隙所占的总面积；
A—截面总面积；
Vk—截面空隙率。
第六步：基于截面空隙率的孔隙分布均匀性评价
通过DIP提取的孔隙信息，计算截面的空隙率Vk，根据试件各个截面空隙率的变化情况分析孔隙分布的均匀性，提出试件空隙分布的均匀性指标。
试件各截面空隙率的标准差反映试件截面空隙率的离散程度，即不均匀程度，也一定程度代表了试件空隙分布的不均匀程度，同时，为了让不同试件孔隙分布均匀性也能互相比较，使用离散系数＝标准差/均值，来评价沥青混凝土中孔隙分布的均匀程度，把该离散系数叫做孔隙分布不均匀系数K，K越小，试件孔隙分布越均匀。计算过程见下式：
Figure BDA0002100934850000092
Figure BDA0002100934850000093
Figure BDA0002100934850000094
式中：Vk—试件各横截面的空隙率；
m—试件总的横截面数量；
Figure BDA0002100934850000095
—试件各横截面空隙率的平均值；
Sv—试件各横截面空隙率的标准差；
K—试件孔隙分布不均匀系数。
实施例
一种对再生沥青混合料均匀性评价的方法，包括下述步骤：
第一步：制样
旧料来自长沙机场高速公路沥青路面，其结构为：加铺层4cm改性沥青AC-13+上面层4cm改性沥青AC-16(I)+中面层5cm改性沥青AC-25(I)+下面层6cm沥青稳定碎石AM-25+基层20cm水泥稳定碎石(6％)+底基层20cm水泥稳定碎石(4％)。
新沥青混合料中采用的沥青来自辽宁泰昌科技有限公司SBS改性沥青(I-D)；集料来自湘西自治州亨通辉绿岩开发有限责任公司，岩质为辉绿岩；填料来自台泥水泥有限公司矿粉。
按设计级配成型马歇尔试件；如图1使用切割机按高度把试件平均分为四份，获得六个截面。
第二步：图像采集
如图2采用数码相机采集试件截面图像。为了保持图像尺寸统一，固定数码相机位置。除了常见的人工补光措施外，还使用白纸环绕试件，通过白纸反射光线达到亮度均匀的效果。
第三步：图像处理
通过图像修剪、图像灰度化、图像增强、图像分割和图像后处理，得到截面的二值图。可以把再生沥青混凝土的内部结构简化为：新旧集料的分布；新集料的分布；孔隙的分布。
第四步：基于等面积环扇划分的集料分布均匀性评价
取处理后的圆形平面图像。如图8进行扇形分割，角度选择为30°；并进行环形分割，环数量为3，故环扇划分的总区域数为36个。经过计算，各圆环的外圈半径h分别为28.87mm、11.95mm、9.18mm。集料分布均匀性计算结果如下：
Figure BDA0002100934850000101
第五步：基于颗粒位置与面积的新集料分布均匀性评价
通过MATLAB分别计算截面的径向不均匀度HRj和环向不均匀度HTj，计算结果如下：
Figure BDA0002100934850000102
Figure BDA0002100934850000111
第六步：基于截面空隙率的孔隙分布均匀性评价
Figure BDA0002100934850000112
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：再生沥青混合料试件的制备；
S2：采用横截面分层剖切取样；
S3：采集步骤S2切取的试样横截面图像；
S4：对步骤S3中试样横截面图像进行处理，分别获得新旧集料、新集料以及孔隙在其横截面上的分布二值图；
S5：将分布二值图沿圆周方向分割为一系列依次连接且面积相等的扇形区域，将各扇形区域沿径向分割为一系列依次连接且面积相等的子区域，并计算每个子区域中新旧集料、新集料以及孔隙的面积；
S6：基于均匀性评价指标分析新旧集料、新集料以及孔隙在试件中的分布均匀性；
基于颗粒位置与面积的新集料分布均匀性评价过程如下：
以集料颗粒质心位置作为研究对象，根据颗粒数量，计算在理想均匀分布时，各个颗粒在径向和环向上的距离以及它们的位置；根据实际颗粒位置与理想颗粒位置差值作为颗粒偏离度Δ；
Figure FDA0003155069820000011
Figure FDA0003155069820000012
式中：ΔTe、ΔRe—各集料位置与理想分布位置偏离度；
Te、Re—各集料位置的极坐标；
Te0、Re0—是各集料理想位置的极坐标；
N—集料个数；
考虑到大粒径颗粒对均匀性影响比小粒径颗粒更大，引入权重系数，把各颗粒面积占总颗粒面积比作为权重，以偏离度Δ的加权平均值作为横截面新集料各方向的不均匀度；分别计算环向不均匀度HTk、径向不均匀度HRk，以平均值作为截面的均匀性指标Hk；计算见下式：
Figure FDA0003155069820000013
HTk＝∑ΔTe×Pe
HRk＝∑ΔRe×Pe
Figure FDA0003155069820000021
式中：Ae—各集料颗粒的面积；
A—截面总面积；
Pe—权重系数，即各集料集料面积占截面总面积的比例；
HTk、HRk—环向、径向不均匀度；
Hk—横截面的均匀性指标；
用各截面均匀性指标的均值来反映试件的均匀性；试件的新集料分布不均匀系数H，计算见下式：
Figure FDA0003155069820000022
式中：Hk—横截面k的新集料均匀性指标；
H—试件的新集料不均匀系数；
m—试件的横截面数量。
2.根据权利要求1所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：新旧集料分布均匀性采用如下模型进行评价：
Figure FDA0003155069820000023
其中：
Figure FDA0003155069820000024
Figure FDA0003155069820000025
Figure FDA0003155069820000026
式中：D—试件的集料不均匀系数；
m—试件的横截面数量；
Aij—扇形区域j对应的子区域i中新旧集料面积；
A—横截面面积；
n—横截面上子区域的数量；
Fij—扇形区域j对应的子区域i上新旧集料面积比(％)；
Figure FDA0003155069820000027
—各个子区域新旧集料面积比平均值；
S—截面新旧集料面积比标准差(％)；
Dk—截面集料不均匀指标。
3.根据权利要求2所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，基于截面空隙率的孔隙分布均匀性评价过程如下：
试件各截面空隙率的标准差反映试件截面空隙率的离散程度，即不均匀程度，也一定程度代表了试件空隙分布的不均匀程度，同时，为了让不同试件孔隙分布均匀性也能互相比较，使用离散系数＝标准差/均值，来评价沥青混凝土中孔隙分布的均匀程度，把该离散系数叫做孔隙分布不均匀系数K，K越小，试件孔隙分布越均匀；计算过程见下式：
截面空隙率Vk的计算，见下式：
Figure FDA0003155069820000031
式中：Ak—截面空隙所占的总面积；
A—截面总面积；
Vk—截面空隙率；
Figure FDA0003155069820000032
Figure FDA0003155069820000033
Figure FDA0003155069820000034
式中：Vk—试件各横截面的空隙率；
m—试件总的横截面数量；
Figure FDA0003155069820000035
—试件各横截面空隙率的平均值；
Sv—试件各横截面空隙率的标准差；
K—试件孔隙分布不均匀系数。
4.根据权利要求1所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)制作。
5.根据权利要求1所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：通过图像修剪、图像灰度化、图像增强、图像分割和图像后处理，获得新旧集料、新集料以及孔隙在其横截面上的分布二值图。
6.根据权利要求5所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：对再生沥青混凝土试件截面的灰度图像进行简单阈值分割获得孔隙信息，并通过MATLAB中的bwareaopen函数去噪。
7.根据权利要求5所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：采用OTSU法提取再生沥青混合料的集料信息，并应用孔洞填充和形态学处理两个方法对提取的集料数字图像进行后处理。
8.根据权利要求5所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：采用双峰阈值的方法提取再生沥青混合料的新集料信息，并采用MATLAB中的孔洞填充和形态学工具，对图像进行后处理。
9.根据权利要求1所述的再生沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于：试样横截面图像采用数码相机采集。
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