CN111351691B - 一种沥青混合料抗车辙性能评价方法 - Google Patents

一种沥青混合料抗车辙性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：制作沥青混合料车辙试件，并切割；获取沥青混合料切片图像；对沥青混合料切片图像进行接触分析，获得沥青混合料中粗集料接触点分布特征图像；根据孔隙胞元结构判据，获取沥青混合料内部孔隙胞元结构的分布图像；对孔隙胞元结构的分布图像进行统计分析，获取沥青混合料细观结构评价指标；评价沥青混合料的抗车辙性能。该方法能更好地反映沥青混合料骨架和应力传递性能，可靠度高且试验量小，确保设计的沥青混合料具有较强抵抗车辙变形的能力。

Description

一种沥青混合料抗车辙性能评价方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，更具体地说，涉及一种沥青混合料抗车辙性能评价方法。
背景技术
沥青混合料抗车辙性能直接影响沥青路面的强度和使用耐久性。国内外评价沥青混合料抗车辙性能的方法较多，常用的主要包括马歇尔试验、车辙试验、环道或直道试验等。不同评价方法各有优缺点，马歇尔试验主要用于配合比设计与施工质量检验，车辙试验动稳定度指标和实际路面抗车辙性能的关系需证实，而环道或直道试验加载的试验时间较长，实用性较差。沥青混合料是典型的颗粒物质材料，集料在混合料内的分布对沥青混合料的性能有着重要影响。沥青混合料内部结构中，粗集料构成主骨架，细集料、沥青和其它外掺剂构成的沥青胶浆填充主骨架之间的空隙，其中沥青混合料主骨架是抵抗外部荷载的主要载体。对于沥青混合料骨架的判断，《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)以沥青混合料VCAmix≤VCADRC作为评价指标，工程应用上以关键筛孔通过率大于某一百分比为依据。目前基于宏观角度对沥青混合料骨架的判断标准，不但评价指标非常粗略，并且在试件制作和体积指标计算方法上均存在较大差异，导致误差较大而无法客观评价沥青混合料骨架结构。
近十多年来，随着计算机图像处理技术的快速发展，对于具有颗粒物质特性沥青混合料的分析，也从以往的宏观角度逐渐转入到宏观—微细观相结合的方法。数字图像处理技术能够获得沥青混合料内部细观结构组成的细观指标，进而对沥青混合料的路用性能进行评价。因此，现亟待设计出一种较为较简便的基于图像评价沥青混合料抗车辙性能的方法，使设计的沥青混合料具备更优良的抵抗车辙变形的能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种沥青混合料抗车辙性能评价方法，该方法能更好地反映沥青混合料骨架和应力传递性能，可靠度高且试验量小，确保设计的沥青混合料具有较强抵抗车辙变形的能力。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制作沥青混合料车辙试件；
步骤2、切割沥青混合料车辙试件；
步骤3、将沥青混合料车辙试件进行拍照，以获取沥青混合料切片图像；
步骤4、对沥青混合料切片图像进行接触分析，获得沥青混合料中粗集料接触点分布特征图像；
步骤5、根据孔隙胞元结构判据，获取沥青混合料内部孔隙胞元结构的分布图像；
步骤6、对孔隙胞元结构的分布图像进行统计分析，获取沥青混合料细观结构评价指标；沥青混合料细观结构评价指标包括骨架率Kpe和干涉系数Kf；
步骤7、根据沥青混合料细观结构评价指标的标准，评价沥青混合料的抗车辙性能。
优选地，所述步骤2中，利用高精度双面锯或小型切割机具将沥青混合料车辙试件等距或不等距切割。
优选地，所述步骤3中，将切割后的沥青混合料车辙试件放置于工作台，用三脚支架支起高清数码相机拍摄沥青混合料切片图像，沥青混合料车辙试件截面与高清数码相机的镜头平行。
优选地，所述步骤4中，利用双阈值最大间类方差法对沥青混合料切片图像进行二值化处理和分割，获得沥青混合料切片图像中粗集料、沥青胶浆和孔隙三部分结构；然后接触分析；接触分析方法为：基于二值化的沥青混合料切片图像，确定最小计算粒径和接触阈值，通过接触算法获取沥青混合料切片图像中粗集料接触点的空间分布图像。
优选地，所述接触分析方法中，最小计算粒径为2.36mm，接触阈值为0.54mm。
优选地，所述步骤5中，所述孔隙胞元结构判据包括：连接相互接触粗集料的形心，形成一个内部为空隙的封闭结构，则判定为孔隙胞元结构。
优选地，所述步骤6中，骨架率Kpe设定为孔隙胞元应变等效连续体面积和图像总面积的比值，计算公式为：
Figure BDA0002463303750000031
式中：Ace为孔隙胞元应变等效连续体的面积，包括构成孔隙胞元的粗集料面积和空隙面积；A为沥青混合料切片图像的总面积。
干涉系数Kf设定为沥青胶浆对主骨架的干涉作用，计算公式为：
Figure BDA0002463303750000032
式中：Ac为有接触但未参与构成胞元结构的粗集料面积。
优选地，所述步骤7中，沥青混合料细观结构评价指标的标准为骨架率Kpe≥60％，干涉系数Kf≤40。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明利用室内试验制作的车辙试件进行分析，车辙试件既可以进行车辙试验，也可以切割试件获取沥青混合料切片图像，应用本发明提出的方法进行抗车辙性能评价和对比分析，除了需切割试件外，不另外增加室内试验工作量；
2、本发明基于颗粒材料理论，能更好地反映沥青混合料内部主骨架的细观结构组成，可靠度高且试验量小，评价方法简单快速，直观方便；
3、本发明可有效提高沥青混合料的路用性能，提升沥青路面施工建设质量，节省工程造价，具有非常大的社会经济效益。
附图说明
图1是本发明沥青混合料抗车辙性能评价方法的流程图；
图2是本发明沥青混合料车辙试件切割示意图；
图3是本发明沥青混合料车辙试件拍照时高清数码相机和工作台的示意图；
图4是本发明沥青混合料孔隙胞元结构图像；
其中，1为沥青混合料车辙试件、2为切割位置；7为高清数码相机、8为三脚支架、9为切割后沥青混合料车辙试件、10为工作台、11为粗集料、12为孔隙胞元、13为粗集料接触点。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例一
如图1所示，本实施例一种沥青混合料抗车辙性能评价方法，包括以下步骤：
步骤1、用轮碾成型机制作3组沥青混合料车辙试件，试件尺寸为300mm×300mm×50mm，碾压次数为来回12次(共24次)。
步骤2、利用高精度双面锯或小型切割机具切割沥青混合料车辙试件，切割的间距为5cm，将沥青混合料车辙试件等分为6份；也可以不规定间距或其它间距进行切割。
步骤3、将沥青混合料车辙试件放置于工作台上，用三脚支架支起高清数码相机拍摄沥青混合料车辙试件截面，获取沥青混合料切片图像；沥青混合料车辙试件截面与高清数码相机的镜头平行，距离为50cm；每份沥青混合料车辙试件获取10张沥青混合料切片图像；沥青混合料切片图像数量可以是其它数量；
步骤4、对沥青混合料切片图像进行接触分析，获得沥青混合料中粗集料接触点分布特征图像；具体地说，利用双阈值最大间类方差法(OTSU)对沥青混合料切片图像进行二值化处理和分割，获得沥青混合料切片图像中粗集料、沥青胶浆和孔隙三部分结构；然后接触分析；接触分析方法为：基于二值化的沥青混合料切片图像，确定最小计算粒径和接触阈值，通过接触算法获取沥青混合料切片图像中粗集料接触点的空间分布图像；粗集料是指粒径为2.36mm～37.7mm的集料；所述接触分析方法中，最小计算粒径为2.36mm，接触阈值为最小计算粒径的0.23倍，设置为0.54mm。
步骤5、根据孔隙胞元结构判据，获取沥青混合料内部孔隙胞元结构的分布图像；孔隙胞元结构判据包括：连接相互接触粗集料的形心，形成一个内部为空隙的封闭结构，则判定为孔隙胞元结构。
步骤6、对孔隙胞元结构的分布图像进行统计分析，获取沥青混合料细观结构评价指标；沥青混合料细观结构评价指标包括骨架率Kpe和干涉系数Kf；
骨架率Kpe设定为孔隙胞元应变等效连续体面积和图像总面积的比值，计算公式为：
Figure BDA0002463303750000051
式中：Ace为孔隙胞元应变等效连续体的面积，包括构成孔隙胞元的粗集料面积和空隙面积；A为沥青混合料切片图像的总面积。
干涉系数Kf设定为沥青胶浆对主骨架的干涉作用，计算公式为：
Figure BDA0002463303750000061
式中：Ac为有接触但未参与构成胞元结构的粗集料面积。
步骤7、根据沥青混合料细观结构评价指标，评价沥青混合料的抗车辙性能。沥青混合料细观结构评价指标为Kpe≥60％；干涉系数Kf的取值范围Kf≤40。该标准可作为沥青混合料设计的参考依据，确保粗集料相互嵌挤形成稳定的主骨架。
下面以现有SMA-13和AC-13C两种沥青混合料级配、沥青性能为SBS改性的沥青混合料作进一步说明。
步骤1、按照中国现行沥青混合料试验规程，采用轮碾成型机制作尺寸为300mm×300mm×50mm的沥青混合料车辙试件1，碾压次数为来回12次。每种混合料各制作3组试件并进行切割，以获取更多的切片图像保证数据分析的精度。
步骤2、采用小型切割机每隔5cm切割沥青混合料车辙试件，将沥青混合料车辙试件等分为6份，切割方法如图2所示。
步骤3、将切割后的沥青混合料车辙试件9放置于工作台10，用三脚支架8支起高清数码相机7拍摄沥青混合料切片图像，沥青混合料车辙试件9截面与高清数码相机7的镜头平行，距离L均为50cm，以保证每张图像的大小和像素均相同，如图3所示。每个沥青混合料车辙试件获得10张沥青混合料切片图像，共制作3组试件，每种混合料共获得30张沥青混合料切片图像。
步骤4、利用双阈值最大间类方差法(OTSU)对所有沥青混合料切片图像进行二值化处理和分割，粗集料分割效果较好。然后通过接触搜索算法分析粗集料接触特征，获得粗集料接触点的空间分布图像。接触分析最小计算粒径取2.36mm，接触阈值取最小计算粒径的0.23倍，设置为0.54mm。
假设沥青混合料切片图像的灰度级为m，则图像的灰度值范围为[0，m-1]。双阈值最大间类方差法处理过程中，获取最佳分割阈值T1和T2将切片图像分割成粗集料、沥青胶浆和孔隙三部分，最佳分割阈值选取计算公式为：
Figure BDA0002463303750000071
其中，T1和T2分别为粗集料、沥青胶浆和孔隙的最佳分割阈值；m为沥青混合料切片图像的灰度级；p和q分别为粗集料、沥青胶浆和孔隙的分割阈值，且p<q；ω0，ω1和ω2分别为粗集料、沥青胶浆和孔隙出现的概率；μk代表图像各部分的灰度均值，计算过程中，k分别取0,1,2，μ0，μ1和μ2分别表示粗集料、沥青胶浆和孔隙的灰度均值。
获得阈值分割的T1和T2后，可将沥青混合料切片图像分割，区分粗集料、沥青胶浆和孔隙三部分结构。
步骤5、根据孔隙胞元结构判据，通过连接相互接触粗集料的形心，获得两种不同沥青混合料内部孔隙胞元结构分布图像。
步骤6、对孔隙胞元结构分布图像特征进行分析，获取骨架率Kpe和干涉系数Kf细观评价指标值。经统计分析，对于SMA-13：Kpe＝66.43％，Kf＝26.46％；对于AC-13C：Kpe＝51.35％，Kf＝42.24％，结果表明SMA-13混合料满足主骨架细观指标的评价标准，但是AC-13C不满足，需对沥青混合料的进行适当调整。经调整，稍微增大AC-13C混合料中4.75mm～9.5mm粗集料含量后，得到AC-13C细观评价指标：Kpe＝62.24％，Kf＝32.83％，满足主骨架Kpe≥60％，Kf≤40的评价标准，表明粗集料已形成较优的主骨架。设计的两种沥青混合料级配如表1所示。
表1沥青混合料级配
Figure BDA0002463303750000081
步骤7、对两种沥青混合料进行车辙试验，获得抗车辙性能平角的动稳定度(DS)和车辙深度(RD)指标。对于SMA-13，RD＝1.223mm，DS＝6892次/mm-1；对于AC-13C，RD＝2.564mm，DS＝4545次/mm-1，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)对中国夏炎热区沥青混合料车辙试验指标的规定。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制作沥青混合料车辙试件；
步骤2、切割沥青混合料车辙试件；
步骤3、将沥青混合料车辙试件进行拍照，以获取沥青混合料切片图像；
步骤4、对沥青混合料切片图像进行接触分析，获得沥青混合料中粗集料接触点分布特征图像；
步骤5、根据孔隙胞元结构判据，获取沥青混合料内部孔隙胞元结构的分布图像；
步骤6、对孔隙胞元结构的分布图像进行统计分析，获取沥青混合料细观结构评价指标；沥青混合料细观结构评价指标包括骨架率Kpe和干涉系数Kf；
步骤7、根据沥青混合料细观结构评价指标的标准，评价沥青混合料的抗车辙性能；
所述步骤5中，所述孔隙胞元结构判据包括：连接相互接触粗集料的形心，形成一个内部为空隙的封闭结构，则判定为孔隙胞元结构；
所述步骤6中，骨架率Kpe设定为孔隙胞元应变等效连续体面积和图像总面积的比值，计算公式为：
Figure FDA0003610904260000011
式中：Ace为孔隙胞元应变等效连续体的面积，包括构成孔隙胞元的粗集料面积和空隙面积；A为沥青混合料切片图像的总面积；
干涉系数Kf设定为沥青胶浆对主骨架的干涉作用，计算公式为：
Figure FDA0003610904260000021
式中：Ac为有接触但未参与构成胞元结构的粗集料面积。
2.根据权利要求1所述的沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，所述步骤2中，利用高精度双面锯或小型切割机具将沥青混合料车辙试件等距或不等距切割。
3.根据权利要求1所述的沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，所述步骤3中，将切割后的沥青混合料车辙试件放置于工作台，用三脚支架支起高清数码相机拍摄沥青混合料切片图像，沥青混合料车辙试件截面与高清数码相机的镜头平行。
4.根据权利要求1所述的沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，所述步骤4中，利用双阈值最大间类方差法对沥青混合料切片图像进行二值化处理和分割，获得沥青混合料切片图像中粗集料、沥青胶浆和孔隙三部分结构；然后接触分析；接触分析方法为：基于二值化的沥青混合料切片图像，确定最小计算粒径和接触阈值，通过接触算法获取沥青混合料切片图像中粗集料接触点的空间分布图像。
5.根据权利要求4所述的沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，所述接触分析方法中，最小计算粒径为2.36mm，接触阈值为0.54mm。
6.根据权利要求1所述的沥青混合料抗车辙性能评价方法，其特征在于，所述步骤7中，沥青混合料细观结构评价指标的标准为骨架率Kpe≥60％，干涉系数Kf≤40。
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