CN110375685A - 一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚变化量的测试方法 - Google Patents

一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚变化量的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚变化量的测试方法。其包含以下步骤：分别对冻融循环前后的沥青混凝土试件进行CT扫描，获取内部图像；经过图像处理后分割出空隙相，统计空隙像素个数以计算冻融前后空隙率；利用混合料级配算得各档集料质量比，在集料密度均等、二维单元体厚度为1的前提条件下，由质量比转化为各档集料面积比，根据面积比和冻融前后的空隙率分别生成二维模型，计算冻融后沥青膜厚度变化量的初值；基于维姆法与图像处理方法计算膜厚的关系式修正该初值得到沥青膜厚变化量的准确值。本发明解决了难以定量描述冻融循环对大空隙沥青混凝土沥青膜厚影响的难题。

Description

一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚变化量的测试方法
技术领域
本发明涉及土木工程材料测试领域，尤其涉及一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚度变化量测量方法。
背景技术
传统城市建设模式，处处是硬化路面。每逢大雨，雨水无法及时排出和收集。 而大空隙沥青混凝土空隙率大于15％，有着良好的排水性能的同时还能够降低路 面噪音、减少车辆行驶时路面水漂、缓解城市热岛效应。故此，大空隙沥青混凝 土路面具有良好的应用前景。
然而，大空隙沥青混凝土面临的最大问题为耐久性问题，在季节性冻融地区由于冻融的作用使得混凝土内部沥青膜厚度变化，这直接影响着沥青混凝土的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损、耐疲劳等性能。沥青膜厚度越大，沥青混凝土的耐久性越强、柔韧性越大；沥青膜越薄，沥青混凝土越容易产生开裂和剥落。因此冻融前后沥青膜厚度变化量是判断沥青混凝土性能劣化的重要依据。
沥青膜厚度常用的计算方法为有效沥青含量除以集料总表面积。我国沥青混凝土比表面积计算普遍采用集料比表面积系数方法，除此之外还有密度修正法、比表面积系数修正法等。冻融循环后，大空隙沥青混凝土集料的比表面积不变，沥青质量和密度的变化量无法测量，因此，现有沥青混凝土中沥青膜厚的测试方法已经不再适用于评价冻融循环后大空隙沥青混凝土沥青膜厚的变化量。有必要研究一种测试冻融循环后大空隙沥青混凝土沥青膜厚变化量的方法，以便评价冻融循环对大空隙沥青混凝土性能的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚度变化量的测试方法，能够准确地计算出沥青混凝土冻融
前后沥青膜厚度变化量，便于分析冻融循环对于沥青膜厚的影响。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
包括以下步骤：
步骤一：制备沥青混凝土试件，切割后进行CT扫描，获取扫描图像；
步骤二：对CT扫描图像进行图像处理，获取空隙二值图并计算空隙率；
步骤三：将原试件进行3次冻融循环后再次进行CT扫描，获取空隙二值图并计算空隙率；
步骤四：根据两次空隙率差值、模型中各颗粒粒径计算初始沥青膜厚度变化量；
步骤五：利用维姆法计算出冻融前试件沥青膜后，对冻融前试件的CT图像进行阈值分割，分别统计集料-沥青以及沥青像素数目，计算出集料-沥青与集料的面积当量圆半径之差作为图像处理计算膜厚，通过1stopt拟合出两者的关系，根据拟合方程y＝0.002715x+12.86对计算所得初始沥青膜厚度变化量进行修正，计算出最终膜厚变化量。
进一步地，步骤一中扫描仪型号为德国YXLON公司的Compact-225型扫描仪。
进一步地，扫描方式为从上至下的横向扫描。
进一步地，步骤二具体包括：
步骤201：为了消除顶端以及底部空隙率不均造成的影响，隔1mm选取一张CT图作为后续分析图像；
步骤202：利用直方图均衡化进行图像增强；
步骤203：利用中值滤波进行图像降噪；
步骤204：利用OTSU法计算出合适的阈值，获取空隙的二值图；
步骤205：通过IPP软件提取空隙块面积，空隙率的取值为50张图像的空隙像素数与图像总像素数之比的平均值。
进一步地，步骤三中冻融循环条件为《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程 JTGE20-2011》中的T 0729-2000所述。
进一步地，步骤四中冻融前后沥青混凝土集料未发生体积变化以及破碎，集
料单元为规则球体且假设各档集料密度相同；
进一步地，冻融前后发生的变化量为空隙率以及沥青膜厚度，空隙率变化量等于沥青体积变化量。
进一步地，沥青粘附在圆形球体集料上，圆球表征的集料半径为R，沥青膜厚度为固定值，不随集料半径改变，包含沥青膜后的各档集料半径为Ri。
进一步地，步骤五中维姆法计算冻融前沥青膜厚度具体步骤包括：
步骤501：查表获得各档粒径比表面积系数FAi；
步骤502：根据通过率以及表面积系数计算各档粒径的比表面积SA；
步骤503：计算沥青膜厚度其中γb为沥青相对密度，Pbe为有效沥青含量；
进一步地，步骤五中集料-沥青的像素数目为二值图中混合料的像素数目与空隙像素数目之差，集料的像素数目通过大律法获取。分别计算出各集料的当量圆半径，从而计算沥青膜厚度。
进一步地，步骤五中利用1stopt软件的简面体爬山法拟合维姆法计算膜厚与图像处理计算膜厚的关系，根据拟合方程对步骤四计算所得初始沥青膜厚度变化量进行修正，计算出最终膜厚变化量。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
原有的沥青膜厚度计算方法无法评价冻融后的沥青膜后变化量，本发明提出了一种冻融后沥青膜厚度变化量的测试方法，通过空隙率差值计算处沥青膜厚度变化量，操作简便；
本发明计算方法简单易行，不需要测量其余参数，有利于快捷计算；
本发明在通过排除顶部及底端CT图像并且间隔选取，消除了扫描过程中带来的差异，通过OTSU选取极佳阈值分割空隙，空隙率计算结果更准确，将图像处理计算厚度与维姆法计算厚度建立相关关系，并基于此对图像处理计算出的厚度变化进行修正，计算结果更为准确。
附图说明
图1为空隙率提取的示意图。
图2为集料-沥青膜的示意图。
图3为计算膜厚与维姆法膜厚拟合示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明利用X-ray CT扫描技术测量沥青混凝土冻融前后空隙率以获取沥青膜厚度变化量。本发明具体包括以下步骤：
步骤一：制备试样：根据确定的最佳沥青用量拌制沥青混凝土，通过钻孔取芯、切割后利用德国YXLON公司的Compact-225型扫描仪X-Ray CT进行扫描，扫描方式为从上至下。
步骤二：为了保证图像的准确性，每隔1mm选取图像，共选择50张作为图像处理的图片；通过直方图均衡化对图像进行对比度增强，突出空隙部分信息；对图像进行中值滤波降噪，减小图像中因机器产生的噪声；利用OTSU法计算出合适得的阈值分割空隙相，生成对应的二值图，导入IPP软件中进行空隙面积的计算，如图1所示。空隙率为空隙像素数与混合料像素数之比。
步骤三：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》中的T 0729-2000所述的冻融循环条件，进行3次冻融循环后重复步骤二的操作，获取冻融后试件的空隙率。
步骤四：在计算沥青膜变化量前，需做以下假设：将集料视为圆形颗粒且密度相等，沥青粘附于其上；在试件冻融循环后，认为空隙率的变化量仅与粘附于集料颗粒上的沥青体积变化量有关；粘附于各档圆形集料上的沥青膜厚度相同。基于上述假设，根据级配计算出各档集料质量比，由于集料密度相等，即可获得各档集料的体积比。在二维中，假设圆球颗粒厚度为1，由面积比依次在离散元中生成各档圆形集料，生成的颗粒半径由集料与沥青膜构成。通过编制fish语言遍历球体颗粒，计算出各档颗粒粒径之和，通过步骤二、三获取的空隙率以及各档集料粒径和来计算出沥青膜厚度变化量t。
步骤五：对由图像处理计算的沥青膜厚度变化量进行修正。首先查表获得各档粒径比表面积系数FAi，根据通过率以及表面积系数计算各档粒径的比表面积 SA＝∑(Pi×FAi)，计算有效沥青用量Pbe。
式中，Pba——沥青混凝土中被集料吸收的沥青结合料比例，％
Pbe——沥青混凝土中的有效沥青用量，％
γse——矿料的有效相对密度
γsb——沥青的相对密度
Pb——沥青含量，％
Ps——各种矿料占沥青混凝土总质量的百分率之和，即100-Pb。
计算沥青膜厚度选择三个不同油石比的沥青混凝土分别进行步骤一、步骤二，在此基础上通过大律法分割出集料相，利用IPP统计集料像素个数，将混合料像素数与空隙像素数之差作为集料与沥青的像素数。计算出各集料当量圆半径Ri，由扫描精度可以将其单位换算至um，通过以下公式推得沥青膜厚度：
通过1stopt软件的简面体爬山法拟合出维姆法计算膜厚与图像处理计算膜厚的关系式，然后将图像处理计算所得沥青膜厚度变化量代入该关系式，求解出最终沥青膜厚度变化量。
为了便于公众理解，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行说明。
按下表所示级配拌制沥青混凝土，选用高粘沥青，集料选用玄武岩，沥青用量为4.23％。其中集料仅考虑0.075mm以上，按比例分配可得各档集料的面积比。
将获得的沥青混凝土试件钻心切割后获得直径为45mm，高度为50mm的 CT扫描试样。对试样进行X-Ray CT竖向扫描。通过OTSU阈值分割后获取空隙率VA＝19.51％。经过冻融循环后，空隙率VB＝18.58％。混合料的截面面积 S＝22.52×πmm2。
空隙的体积变化量即为沥青的体积变化量，因此可有公式：
其中RAi为冻融前包含沥青膜的集料半径，RBi为冻融后包含沥青膜的集料半径；n为集料个数；S为模型面积；设冻融使得沥青膜厚度变化量为t，下面进行对t的求解，上式可转化为：
再利用PFC生成制定个数的带级配颗粒，通过编写FISH语言即可获取各集料的直径，可将上式依次化成：
nt2-bt+a＝0
其中，di为包含沥青膜厚度的集料直径；a为b为
上述公式可知，若Δ≥0，则有解。其解为：
根据面积比生成具有级配特征的圆盘颗粒，最终计算出沥青膜厚度变化量 t＝7.525μm。
运用维姆法对三种不同沥青含量的大空隙沥青混凝土中集料表面沥青膜厚度进行计算；通过大律法分割得到的集料像素面积，分别计算各集料颗粒的当量圆半径，将单位换算至um后根据步骤五中公式得出计算膜厚。将沥青膜厚度进行对比，如下表。
沥青含量(％) 4.21 4.32 4.44
维姆法计算膜厚(um) 12.989 12.994 13.033
数字图像处理计算膜厚(um) 49.477 49.991 64.969
运用简面体爬山法发现维姆法计算的沥青膜厚度与数字图像处理计算所得的沥青膜厚存在很明显的线性关系，相关系数为0.997，两者的关系是y＝0.002715x+12.86。因此本发明采用CT扫描后数字图像处理获取沥青膜厚度的方法可靠，可以基于此关系计算出沥青膜厚度变化量的真实值。即对于冻融后的大空隙沥青混凝土，由于冻胀使得其内部沥青膜厚度增加了0.02μm。
综上可知，本发明能够全面、准确、客观地评价冻融前后沥青膜厚度变化量，且方法简单易行，便于分析冻融循环对于沥青膜厚的影响，具有重要的实践意义和应用前景。

Claims (4)

1.一种大空隙沥青混凝土冻融前后沥青膜厚变化量的测试方法，其特征在于，对旋转压实成型的大空隙沥青混凝土在冻融循环前后分别混凝土进行CT扫描，获取内部图像；经过图像处理后分割出空隙相，统计空隙像素个数以计算冻融前后空隙率；利用混合料冻融前后的空隙率计算冻融后沥青膜厚度变化量。
2.如权利要求1所述冻融前后空隙率，其特征在于，空隙率为多张CT扫描图像空隙率的平均值。
3.如权利要求1所述冻融前后空隙率，其特征在于，对CT图像进行图像处理前间隔1mm选取一张图像，共计50张。
4.如权利要求1所述的冻融前后沥青膜厚度变化量计算，其特征在于，设集料密度均等、二维球体厚度为1，混合料级配算得的各档集料质量比直接转化为各档集料面积比。根据集料面积比、冻融前空隙率在PFC2D中生成模型，根据模型中各颗粒粒径、冻融前后空隙率计算出冻融后沥青膜厚变化量。利用1stopt软件拟合出维姆法计算大空隙沥青混凝土试件沥青膜厚与图像处理计算膜厚的关系，通过拟合关系y＝0.002715x+12.86对计算所得初始沥青膜厚度变化量进行修正，计算出最终膜厚变化量。
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