CN110376225A - 一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，该方法首先获取圆柱形沥青混合料试件；然后采集多幅沥青混合料试件的二维水平截面图像，转换成灰度图像；随后利用沥青混合料试件截面灰度图像得到每个集料和空隙的边界坐标，建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型并进行虚拟劈裂试验，得到劈裂强度，并计算劈裂强度指标变异系数，从而评价沥青混合料均匀性。本发明基于虚拟劈裂试验，采用劈裂强度指标变异系数对沥青混合料的均匀性进行定量评价，具有很强的工业实用性和可操作性；其他方法相比，其均匀性参数选取更加科学和具有代表性，对沥青混合料均匀性的评价结果更为准确。

Description

一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法。
背景技术
沥青混合料均匀性(申请号201310542528.7)直接决定沥青路面的路用性能和使用寿命，影响沥青路面养护成本。在许多潜在引起热拌沥青混合料路面早期破坏的因素中，最严重的是沥青混合料的不均匀性。沥青混合料是由沥青胶浆、(粗/细)集料、添加剂和空隙四部分组成。沥青混合料的不均匀性是沥青混合料中组成成分不均匀性的综合反映。不均匀的沥青混合料中集料的级配和(或)沥青含量与最初的现场配合比中的要求不相符，造成混合料的密度和空隙率变化很大。沥青混合料发生不均匀时，混合料的劲度、拉伸强度和疲劳寿命下降，路面的服务寿命降低，从而加速路面的早期破坏。
传统上人们没有把沥青混合料的均匀性当作一个严重的问题来看待，没有采取严格的措施予以控制，只是要求施工时认真就可以了。而随着交通量的增大，均匀性已经成为决定路面质量的主要因素之一，应该引起充分注意。将路面早期水损坏的主要原因归结于路面空隙率过大，又将空隙率过大归结于压实度不够，压实不足，这确实是早期路面空隙率过大的主要原因，但却比较容易解决；实际上，沥青混合料的不均匀性不仅是造成局部空隙率过大的另一个主要原因，而且是比较难以解决的技术问题。一旦沥青混合料出现不均匀性，一切关于材料设计的努力都变得徒劳无功了。路面压实度的不足，有时也是混合料不均匀性引起的，仅检测路面的平均压实度，往往不能客观地反映问题，还应考虑其变异性。当沥青混合料不均匀发生时，仅仅依靠提高压实度难以达到减少空隙率的目的，甚至会造成集料破碎而适得其反。
查找现有的研究成果和文献资料，令人遗憾的是，目前，国内外对沥青混合料均匀性定量的研究还不是很多。究其原由，主要为：(1)均匀性对沥青混合料性能的影响被忽略，人们没有对沥青混合料均匀性的重要性给予足够的认识。(2)沥青混合料内部结构十分复杂，通过传统的研究方法，沥青混合料内部结构很难获取，沥青混合料均匀性很难确定。
近二十年来，随着计算机科学的快速发展，先进的数字图像技术开始被越来越多地运用到土木工程材料研究中。期间，有研究者尝试采用该技术对沥青混合料均匀性进行研究。McCuen等人通过统计试验方法研究沥青混合料均匀性。Tashman等人通过把混合料的水平截面和竖直截面划分成等面积的内外两区域，选择能够描述这些区域内集料(粒径大于2.36mm)平均粒径差异的参数来评价离析。Hunter等人通过比较截面上相等区域里集料累计面积值的大小，提出评价沥青混合料离析的两种方法。蒯海东等人对集料在沥青混合料内部的分布特征进行研究，提出以偏心率指标和面积级配曲线图，比较各截面的面积级配的差异来研究集料的均匀性。Azari等人采用标准正态分布参数作为沥青混合料不均匀性指标，研究不均匀性对沥青混合料力学性能影响。吴文亮使用彩色石料区分粗、细集料，并利用彩色阈值直接分割图像，采用颗粒面积比的变异系数作为均匀性评价指标，定量评价沥青混合料均匀性。郭乃胜等人以沥青混合料中粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的密度和面积为主要特征参数，建立沥青混合料均匀性评价方法。彭勇等人采用沥青混合料内部截面上的集料位置、数量、方位角、面积比及转动惯量等，来定量评价沥青混合料均匀性。
然而，上述沥青混合料均匀性的研究，其均匀性指标参数的选择与确定不科学，考虑不全面，代表性不强，局限于集料和二维层面，结果有偏差，只能部分反映均匀性的实际情况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取圆柱形沥青混合料试件。
(2)通过X光CT机断层扫描步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件，沿着圆柱形沥青混合料试件轴线方向，每隔1mm采集一次二维水平截面图像。
(3)将步骤(2)采集的二维水平截面图像转换成二维水平截面的灰度图像。
(4)利用Canny边缘检测算法分别获取步骤(3)得到的各灰度图像中每个集料和空隙的边界坐标；
(5)利用步骤(4)得到的集料和空隙边界坐标，对圆柱形沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型；
(6)进行虚拟劈裂试验，包括以下子步骤：
(6.1)将步骤(5)得到的沥青混合料劈裂试验三维离散元模型绕着轴线分别旋转0°、30°、60°、90°、120°、150°，每次旋转后，在沥青混合料劈裂试验三维离散元模型两侧，使用两个刚性墙体施加荷载，得到各旋转角度对应的峰值荷载PT后，当瞬时荷载降为峰值荷载PT的80％时终止加载，计算各旋转角度对应的劈裂强度RT：
RT＝0.006287PT/h
式中，h为步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件的高度；
(6.2)计算步骤(6.1)得到的各旋转角度对应的劈裂强度RT的平均值AV和标准差SD；
(6.3)计算劈裂强度指标变异系数CV，计算公式为：
劈裂强度指标变异系数CV越小，对应的沥青混合料均匀性就越好；反之，则沥青混合料均匀性就越差。
进一步地，所述步骤(1)中圆柱形沥青混合料试件通过室内成型或现场钻取得到。
进一步地，所述步骤(5)中建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型，包括以下子步骤：
(5.1)通过三维离散元软件PFC3D，按照横向六边形排布方式分层创建母体球颗粒，构成试件母体球颗粒模型，模型尺寸等同于步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件；
(5.2)利用步骤(4)得到的集料和空隙的边界坐标，分别对步骤(5.1)生成的试件母体球颗粒模型中各层的母体球颗粒进行分类，利用母球体颗粒分别模拟集料、空隙、沥青胶浆，完成圆柱形沥青混合料试件的三维重构，得到沥青混合料劈裂试验三维离散元几何模型；
(5.3)首先将粘聚带模型赋予沥青胶浆内部接触和沥青胶浆-集料界面接触；然后通过试验获取集料、沥青胶浆的材料参数，包括集料抗拉强度、胶浆抗拉强度、沥青胶浆-集料界面抗拉强度、杨氏模量；对步骤(5.2)得到的沥青混合料劈裂试验三维离散元几何模型中沥青胶浆、集料、沥青胶浆-集料界面进行材料参数的赋值，得到沥青混合料劈裂试验三维离散元模型。
进一步地，所述步骤(5.1)中母体球颗粒半径为0.60～0.65mm。
进一步地，所述步骤(5.1)中横向六边形排布方式为任一母体球颗粒周围的六个母体球颗粒的球心的连线可构成横向正六边形。
进一步地，所述步骤(5.3)中，集料抗拉强度通过直接拉伸试验确定；胶浆抗拉强度通过劈裂试验确定；沥青胶浆-集料界面抗拉强度取值为0.9倍的胶浆抗拉强度；杨氏模量通过单轴压缩试验确定。
进一步地，所述步骤(6.1)中虚拟劈裂试验温度为-10℃时，加载速率为1mm/min；虚拟劈裂试验温度为20℃或35℃时，加载速率为50mm/min。
本发明的有益效果是：本发明基于虚拟劈裂试验，采用劈裂强度指标变异系数对沥青混合料的均匀性进行定量评价，具有很强的工业实用性和可操作性。本发明与其他方法相比，其均匀性参数选取更加科学和具有代表性，对沥青混合料均匀性的评价结果更为准确。
附图说明
图1是本发明沥青混合料试件尺寸示意图；其中，(a)为现场钻取试件尺寸示意图，(b)为室内成型试件尺寸示意图；
图2是本发明沥青混合料试件横截面加载示意图；其中，(a)为现场钻取试件横截面加载示意图，(b)为室内成型试件横截面加载示意图；
图3是本发明母体球颗粒横向六边形排布方式示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。
本发明基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过室内成型或现场钻取，获取圆柱形沥青混合料试件。
(2)通过X光CT(Computed Tomography,计算机断层扫描)机断层扫描步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件，沿着圆柱形沥青混合料试件轴线方向，每隔1mm采集一次二维水平截面图像。
(3)对步骤(2)采集的二维水平截面图像在ACDsee颜色工具栏中将原色彩转化为灰度，生成二维水平截面的灰度图像。
(4)利用canny边缘检测算法分别获取步骤3得到的各灰度图像中每个集料和空隙的边界坐标。在此之前，可利用ACDsee软件中的画笔填充功能，人工手动描绘步骤(3)得到的灰度图像中集料的边界，有利于边界坐标的获取。
(5)利用步骤(4)得到的集料和空隙边界坐标，对圆柱形沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型，进行虚拟劈裂试验，包括以下子步骤：
(5.1)通过三维离散元软件PFC3D，按照横向六边形排布方式分层创建母体球颗粒，构成试件母体球颗粒模型，母体球颗粒的半径为0.6mm，模型尺寸等同于步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件。所述横向六边形排布方式为母体球颗粒横向排布，且任意相邻的3个母体球颗粒球心的连线可构成等边三角形，任一母体球颗粒周围的六个母体球颗粒的球心的连线可构成横向正六边形，如图3所示。
(5.2)利用步骤(4)得到的集料和空隙的边界坐标，分别对步骤(5.1)生成的试件母体球颗粒模型中各层的母球体颗粒进行分类，利用母球体颗粒分别模拟集料、空隙、沥青胶浆，完成圆柱形沥青混合料试件的三维重构，得到沥青混合料劈裂试验三维离散元几何模型。
(5.3)赋予模型中集料、沥青胶浆相应的材料参数和接触模型：首先将粘聚带模型赋予沥青胶浆内部接触和沥青胶浆-集料界面接触；然后通过试验获取集料、沥青胶浆的宏观材料参数，包括集料抗拉强度、胶浆抗拉强度、沥青胶浆-集料界面抗拉强度、杨氏模量。所述集料抗拉强度通过直接拉伸试验确定；所述胶浆抗拉强度通过劈裂试验确定；所述沥青胶浆-集料界面抗拉强度取值为0.9倍的胶浆抗拉强度；所述杨氏模量通过单轴压缩试验确定。通过三维离散元软件PFC3D可将宏观材料参数转换为微观材料参数，包括沥青胶浆-集料界面的法向刚度、切向刚度、法向粘结强度、切向粘结强度。级配类型为AC13、AC16、AC20的沥青混合料在-10℃、20℃、35℃时，宏观材料参数和微观材料参数如表1所示。利用微观材料参数对步骤(5.2)中模拟的沥青胶浆、集料以及沥青胶浆-集料界面进行赋值，得到沥青混合料三维离散元模型。
表1：沥青混合料宏观材料参数和微观材料参数
(5.4)虚拟劈裂试验：将步骤(5.3)得到的沥青混合料离散元几何模型绕着轴线分别旋转0°、30°、60°、90°、120°、150°，每次旋转后，在沥青混合料三维离散元模型两侧，使用两个刚性墙体施加荷载于圆柱面上，得到各旋转角度对应的峰值荷载PT后，当瞬时荷载降为峰值荷载PT的80％时终止加载，计算各旋转角度对应的劈裂强度RT：
RT＝0.006287PT/h
式中，h为步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件的高度；现场钻取沥青混合料圆柱形试件因沥青路面各结构层厚度的差异性，现场钻取的试件高度无法保证一致，故而用变量h统一表征试件高度。虚拟劈裂试验温度为-10℃时，加载速率为1mm/min；虚拟劈裂试验温度为20℃或35℃时，加载速率为50mm/min。
(5.5)计算步骤(5.4)得到的各旋转角度对应的劈裂强度RT的平均值AV和标准差SD。
(5.6)计算劈裂强度指标变异系数CV，计算公式为：
劈裂强度指标变异系数CV越小，对应的沥青混合料均匀性就越好；反之，则沥青混合料均匀性就越差。
实施例
本发明一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法的实施例，结合附图，具体实施步骤如下：
(1)沥青混合料级配类型为AC13、AC16和AC20，其级配组成，见表2：
表2：级配组成
(2)根据表2中集料级配，参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0736-2011，室内成型相应的沥青混合料试件如图1所示，试件直径Φ101.6mm，高度63.5mm，每个级配成型2个平行试件。
(3)以1mm步长，通过X光CT机断层扫描沥青混合料试件，每个混合料采集63幅沥青混合料试件的二维水平截面图像。
(4)将CT机所采集的二维水平截面图像利用ACDsee颜色工具栏将原色彩转化为灰度，生成二维水平截面的灰度图像。
(5)利用Canny边缘检测算法分别获取步骤3得到的各灰度图像中每个集料和空隙的边界坐标。在此之前，可利用ACDsee软件中的画笔填充功能，手动描绘步骤(3)得到的灰度图像中集料的边界，有利于边界坐标的获取。
(6)利用步骤5获取的混合料截面上的集料和空隙边界坐标，在离散元软件中对沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型，进行虚拟劈裂试验，具体步骤如下：
(6.1)通过PFC3D内内置语言FISH语言编程，由母体球颗粒按照横向六边形排布方式，生成一个尺寸等同于步骤1中沥青混合料圆柱形试件的母球体颗粒模型，直径Φ101.6mm，高度63.5mm，母体球颗粒半径设为0.6mm；利用步骤5得到的集料和空隙的边界坐标，对同一层的母球体颗粒进行分类，模拟集料和空隙，其余的母球体颗粒模拟沥青胶浆，并对同一试件所采集的所有沥青混合料二维水平截面图像进行重复操作，完成整体沥青混合料试件的重构，至此生成接近实际结构的沥青混合料劈裂试验离散元几何模型。
(6.2)赋予模型中集料、沥青胶浆相应的材料参数和接触模型，设定相应的边界条件和荷载条件。本专利中，劈裂模拟试验温度设置为20℃。选用粘聚带模型作为接触模型，对沥青胶浆内部接触以及胶浆-集料界面接触进行赋值。材料参数确定方法具体如下：集料抗拉强度通过直接拉伸试验确定；胶浆抗拉强度通过劈裂试验确定；集料-胶浆界面抗拉强度取值为0.9倍的胶浆抗拉强度；利用单轴压缩试验来确定实验过程中所使用的杨氏模量，同时三种接触处的杨氏模量本专利均认为相同。利用PFC3D中相关转换公式将宏观材料参数转换为微观材料参数，20℃时沥青混合料宏观材料参数和微观材料参数如表3所示。
表3：20℃时沥青混合料宏观材料参数和微观材料参数
(6.3)在沥青混合料劈裂试验三维离散元模型建立中，在圆柱体试件模型上、下两侧通过使用两个刚性墙体来施加荷载于圆柱面上如图2所示，加载速率为50mm/min。将沥青混合料离散元几何模型分别旋转0°、30°、60°、90°、120°、150°进行劈裂试验模拟，得到相应的劈裂强度。
(6.4)刚性墙体对沥青混合料模型进行加载，以瞬时荷载降为峰值荷载的80％作为加载的终止条件，得到加载后的虚拟劈裂试验的峰值荷载PT
RT＝0.006287PT/h
式中，RT为三维离散元模拟得到的劈裂强度，PT为峰值荷载；h为圆柱体试件的高度，此处取63.5mm。
(6.5)计算旋转六个角度劈裂强度的平均值AV，计算旋转六个角度劈裂强度的标准差SD。
(6.6)计算劈裂强度指标变异系数CV：
式中，AV为同个试件六个旋转角度平均劈裂强度。
劈裂强度指标模拟结果变异系数CV小，对应的沥青混合料均匀性就好；反之，则沥青混合料均匀性就差。
采用本申请人发明名称“一种沥青混合料均匀性评价方法”申请号为“CN201310542528.7”的沥青混合料均匀性定量评价方法，计算不同级配的沥青混合料试件均匀性；最终得到沥青混合料试件均匀性计算结果及虚拟劈裂试验结果，见表4：
表4：劈裂强度试验结果
由表4可知，沥青混合料劈裂强度变异性与沥青混合料均匀性有正相关性。具体表现为：沥青混合料劈裂强度变异系数越小，即变异性越小，沥青混合料均匀性就越好；反之，沥青混合料劈裂强度变异系数越大，沥青混合料均匀性就越差。表4中，不同级配类型沥青混合料劈裂强度变异系数CV，由小到大，依次为AC13、AC16和AC20。

Claims (7)

1.一种基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)获取圆柱形沥青混合料试件。
(2)通过X光CT机断层扫描步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件，沿着圆柱形沥青混合料试件轴线方向，每隔1mm采集一次二维水平截面图像。
(3)将步骤(2)采集的二维水平截面图像转换成二维水平截面的灰度图像。
(4)利用Canny边缘检测算法分别获取步骤(3)得到的各灰度图像中每个集料和空隙的边界坐标；
(5)利用步骤(4)得到的集料和空隙边界坐标，对圆柱形沥青混合料试件进行三维重构，建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型；
(6)进行虚拟劈裂试验，包括以下子步骤：
(6.1)将步骤(5)得到的沥青混合料劈裂试验三维离散元模型绕着轴线分别旋转0°、30°、60°、90°、120°、150°，每次旋转后，在沥青混合料劈裂试验三维离散元模型两侧，使用两个刚性墙体施加荷载，得到各旋转角度对应的峰值荷载PT后，当瞬时荷载降为峰值荷载PT的80％时终止加载，计算各旋转角度对应的劈裂强度RT：
RT＝0.006287PT/h
式中，h为步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件的高度；
(6.2)计算步骤(6.1)得到的各旋转角度对应的劈裂强度RT的平均值AV和标准差SD；
(6.3)计算劈裂强度指标变异系数CV，计算公式为：
其中，劈裂强度指标变异系数CV越小，对应的沥青混合料均匀性就越好；反之，则沥青混合料均匀性就越差。
2.根据权利要求1所述基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中圆柱形沥青混合料试件通过室内成型或现场钻取得到。
3.根据权利要求1所述基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤(5)中建立沥青混合料劈裂试验三维离散元模型，包括以下子步骤：
(5.1)通过三维离散元软件PFC3D，按照横向六边形排布方式分层创建母体球颗粒，构成试件母体球颗粒模型，模型尺寸等同于步骤(1)获取的圆柱形沥青混合料试件；
(5.2)利用步骤(4)得到的集料和空隙的边界坐标，分别对步骤(5.1)生成的试件母体球颗粒模型中各层的母体球颗粒进行分类，利用母球体颗粒分别模拟集料、空隙、沥青胶浆，完成圆柱形沥青混合料试件的三维重构，得到沥青混合料劈裂试验三维离散元几何模型；
(5.3)首先将粘聚带模型赋予沥青胶浆内部接触和沥青胶浆-集料界面接触；然后通过试验获取集料、沥青胶浆的材料参数，包括集料抗拉强度、胶浆抗拉强度、沥青胶浆-集料界面抗拉强度、杨氏模量；对步骤(5.2)得到的沥青混合料劈裂试验三维离散元几何模型中沥青胶浆、集料、沥青胶浆-集料界面进行材料参数的赋值，得到沥青混合料劈裂试验三维离散元模型。
4.根据权利要求2所述基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤(5.1)中母体球颗粒半径为0.60～0.65mm。
5.根据权利要求2所述基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤(5.1)中横向六边形排布方式为任一母体球颗粒周围的六个母体球颗粒的球心的连线可构成横向正六边形。
6.根据权利要求2所述基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤(5.3)中，集料抗拉强度通过直接拉伸试验确定；胶浆抗拉强度通过劈裂试验确定；沥青胶浆-集料界面抗拉强度取值为0.9倍的胶浆抗拉强度；杨氏模量通过单轴压缩试验确定。
7.根据权利要求1所述基于虚拟劈裂试验的沥青混合料均匀性评价方法，其特征在于，所述步骤(6.1)中虚拟劈裂试验温度为-10℃时，加载速率为1mm/min；虚拟劈裂试验温度为20℃或35℃时，加载速率为50mm/min。
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