CN113030086B - 一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法 - Google Patents

一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，制备纤维沥青混凝土试件；步骤2，切割步骤1制备得到的纤维沥青混凝土试件；步骤3，在紫外线照射下对步骤2切割的纤维沥青混凝土试件的进行拍摄，得到图像；步骤4，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值；步骤5，根据步骤4得到的纤维分散的特征值计算纤维分散性的加权评分；步骤6，根据步骤5得到的纤维分散性的加权评分判断纤维分散性。该评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，能快速、准确地对粗、细纤维在沥青混凝土中的分散性进行评价。

Description

一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法
技术领域
本发明属于交通工程材料评判方法领域，具体地说，涉及一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法。
背景技术
纤维沥青混凝土较传统沥青混凝土具有更高的韧性，作为沥青路面材料时，可以更好的抵抗冬季沥青路面的低温开裂，延长路面寿命，提高服役能力。目前，阻碍纤维沥青混凝土大规模使用的技术壁垒之一是纤维由于彼此搭接的缘故，往往呈现出高度团聚的现象，这使得沥青混凝土在经受荷载时产生应力集中现象，使其易于破坏。因此，对纤维分散性的控制至关重要，而客观、准确的评价的纤维分散性是控制其分散性的基础。
沥青混凝土使用的纤维包括细纤维和粗纤维。其中，细纤维的直径一般为微米级，主要包括碳纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维等；粗纤维的直径一般为毫米级，以钢纤维为代表。目前，评价纤维分散性的方法有三种，第一种是由我国《JT/T 533—2020沥青路面用纤维》规定的质量变异系数法，该方法是从拌合后的沥青混合料中随机抽取若干份样品，采用三氯乙烯将其中的纤维从沥青混合料中分离后干燥称重，计算若干份纤维质量的变异系数。该方法尤其适用于粗纤维分散性的评价，但由于在分离过程中细纤维极易损失，因此对细纤维的适用性不足，其优点是所需设备价格低廉、实施简单，缺点是分离纤维需要耗费大量的时间，效率低下。第二种是CT评价法，对纤维沥青混凝土试件进行CT扫描，再通过识别CT图像中的纤维，评价其分散性，以发明专利CN201310432372.7为代表。该方法的优点是可以评价纤维的分布密度以及纤维在空间中的分布形态，缺点是CT扫描测试价格昂贵，工程项目不具备测试条件。第三种是纤维观察法，从纤维沥青混合料试件中取出一小部分作为试样，将其置于显微镜下观察，拍摄纤维图像，评价纤维分散性，以文献《玄武岩纤维沥青胶浆及混合料低温性能关联性研究》为代表。该方法适用于评价细纤维的分散性，在观察粗纤维时受到视野限制，难以观察到足够数量的粗纤维，其优点是可观察纤维的形态，缺点是工程项目不具备显微观察设备，且显微观察的范围很小，评价结果不具有代表性。
综上所述，目前在工程建设阶段，还尚未有一种快速、准确，且同时适用于粗、细纤维在沥青混凝土中的分散性评价。
发明内容
本发明的目的是提供一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，以快速、准确地对粗、细纤维在沥青混凝土中的分散性进行评价。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备纤维沥青混凝土试件；
步骤2，切割步骤1制备得到的纤维沥青混凝土试件；
步骤3，在紫外线照射下对步骤2切割的纤维沥青混凝土试件的进行拍摄，得到图像；
步骤4，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值；
步骤5，根据步骤4得到的纤维分散的特征值计算纤维分散性的加权评分；
步骤6，根据步骤5得到的纤维分散性的加权评分判断纤维分散性。
本发明技术方案的特点还在于：
进一步地，在所述步骤2中，将每个纤维沥青混凝土试件至少切割成三部分，形成至少四个端面。
进一步地，在所述步骤3中，紫外线强度不低于30000μW/cm2，紫外线波长不低于365nm，紫外线发射器距试件断面的距离介于30cm～50cm，图像分辨率不低于1024×1024像素，拍摄环境亮度不高于5Lux。
进一步地，在所述步骤4中，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值，具体如下进行：
步骤4.1，将步骤3获取的图像导入图像分析软件，去除图像的颜色信息，将其转化为灰度值介于0～255的灰度图像；
步骤4.2，以灰度阈值200～255作为识别图像中纤维束团的依据，将纤维束团在图像中所占据的面积提取，计算纤维束团分散性的特征值；
计算纤维束团分散性的特征值包括：
TAF表示纤维束团的面积总和，单位mm2；AF表示纤维束团平均面积，三维mm2；MaxF表示最大纤维束团面积，单位mm2；MinF表示最小纤维束团面积，单位mm2；DF表示纤维束团的平均直径，单位mm；Std表示纤维束团面积标准差，单位mm2；Kurtosis表示纤维束团分布的峰度，单位无量纲；
计算公式为：
MaxF＝max(Ai) (3)
MinF＝min(Ai) (4)
式中，Ai为第i个纤维束团的面积，单位mm2；Di为第i个纤维束团的直径，单位mm；n为纤维束团的数量，单位个；xi为第i个纤维束团与切面质心点的距离，单位mm；为n个纤维束团到切面质心点距离的平均值，单位mm；
对求得的特征值进行归一化处理，TAF权重取0.3、AF权重取0.2、MaxF权重取0.08、MinF权重取0.02、DF权重取0.1、Std权重取0.1、Kurtosis权重取0.2，按照式(8)计算。
x′＝(x-u)/(xmax-xmin) (8)
式中，x为特征值取值；u为该特征值的平均值。
进一步地，在所述步骤5中，计算纤维分散性的加权评分具体如下：纤维分散性特征值TAF、AF、MaxF、MinF、DF、Std、Kurtosis对纤维分散性具有负面贡献，即上述特征值取值越大，则纤维分散性越差；因此纤维分散性加权评分采用扣分制，纤维分散性加权评分，即Score，按照式(9)计算。
进一步地，在所述步骤6中，判断纤维分散性具体如下：纤维分散性的判定标准按照式(10)判定。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
(1)本发明的一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，其公开的技术方案无需复杂的测试流程和昂贵的测试仪器，可快速、高效和准确地测定沥青混凝土中纤维的分散性；
(2)本发明的一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，适用于评价各种直径的纤维分散性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是纤维沥青混凝土试件的切割方案的示意图；
图2是紫外线照射下进行拍摄得到切割面图像的布置示意图；
图3是纤维沥青混凝土在紫外光下拍摄的典型形貌；
图4是从图像中以灰度阈值为依据所提取的纤维束团，图中数字为纤维束团的像素面积；
图5为纤维分散性加权评分与纤维沥青混凝土冻融劈裂残留强度比的关系；
图6是实施例1中编号为K8+350的图像；
图7是实施例1中编号为K8+450的图像；
图8是实施例1中编号为K8+590的图像；
图9是实施例1中编号为K8+780的图像；
图10是实施例1中编号为K8+810的图像；
图11是实施例2的中编号为C-0.4、C-0.6、C-0.8、C-1.0的图像。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备纤维沥青混凝土试件；
步骤2，切割步骤1制备得到的纤维沥青混凝土试件；
步骤3，在紫外线照射下对步骤2切割的纤维沥青混凝土试件的进行拍摄，得到图像；
步骤4，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值；
步骤5，根据步骤4得到的纤维分散的特征值计算纤维分散性的加权评分；
步骤6，根据步骤5得到的纤维分散性的加权评分判断纤维分散性。
针对步骤1，将含有纤维的沥青混合料成型为压密状态的沥青混凝土试件，其中，纤维的种类可以是聚乙烯酯纤维、碳纤维、玻璃纤维、钢纤维等沥青混合料中的常用纤维，纤维的长度和直径没有特殊要求，此外，纤维沥青混凝土试件可以是室内成型机成型得到，也可以是对沥青路面通过钻芯取样而来。纤维沥青混凝土试件的尺寸没有特殊要求，宜为规则形状。
针对步骤2，切割试件，制造断面。采用切割机将纤维沥青混凝土试件切割，形成平整的断面。每个试件，至少被切割成三部分，形成至少4个断面，如图1所示。
针对步骤3，采用长波紫外线发射器照射纤维沥青混凝土断面，紫外线强度不低于30000μW/cm2，紫外线波长不低于365nm，紫外线发射器距试件断面的距离介于30～50cm，拍摄装置如图2所示。同时，采用数码照相机拍摄断面在紫外线照射下的数码照片，图像分辨率不低于1024×1024像素，拍摄环境亮度不高于5Lux。每个试件的每个拍摄1幅数码照片，典型图像如图3所示。
针对步骤4，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值，具体如下进行：
步骤4.1，将步骤3获取的图像导入图像分析软件，去除图像的颜色信息，将其转化为灰度值介于0～255的灰度图像；
步骤4.2，以灰度阈值200～255作为识别图像中纤维束团的依据(如图4所示)，将纤维束团在图像中所占据的面积提取，计算纤维束团分散性的特征值；
计算纤维束团分散性的特征值包括：
TAF表示纤维束团的面积总和，单位mm2；AF表示纤维束团平均面积，三维mm2；MaxF表示最大纤维束团面积，单位mm2；MinF表示最小纤维束团面积，单位mm2；DF表示纤维束团的平均直径，单位mm；Std表示纤维束团面积标准差，单位mm2；Kurtosis表示纤维束团分布的峰度，单位无量纲；
计算公式为：
MaxF＝max(Ai) (3)
MinF＝min(Ai) (4)
式中，Ai为第i个纤维束团的面积，单位mm2；Di为第i个纤维束团的直径，单位mm；n为纤维束团的数量，单位个；xi为第i个纤维束团与切面质心点的距离，单位mm；为n个纤维束团到切面质心点距离的平均值，单位mm；
对求得的特征值进行归一化处理，TAF权重取0.3、AF权重取0.2、MaxF权重取0.08、MinF权重取0.02、DF权重取0.1、Std权重取0.1、Kurtosis权重取0.2，按照式(8)计算。
x′＝(x-u)/(xmax-xmin) (8)
式中，x为特征值取值；u为该特征值的平均值。
针对步骤5，计算纤维分散性的加权评分具体如下：纤维分散性特征值TAF、AF、MaxF、MinF、DF、Std、Kurtosis对纤维分散性具有负面贡献，即上述特征值取值越大，则纤维分散性越差；因此纤维分散性加权评分采用扣分制，纤维分散性加权评分，即Score，按照式(9)计算。
针对步骤6，研究中，在纤维用量(体积掺量0.6％)和相同纤维种类和规格(聚乙烯纤维，长度8～10mm，直径20μm)相同，但分散性不同的情况下，测取了纤维沥青混凝土的冻融劈裂残留强度比，建立了纤维分散性评分与沥青混凝土力学性能之间的关系(如图5所示)，并据此提出了纤维分散性的判定标准，按照式10判定；
实施例1
实施例1用于说明本技术方案对于已经铺筑完成的沥青路面实施纤维分散性评价的实施方法。其中，纤维沥青混凝土试样是从某施工工程铺筑的沥青路面通过钻芯取样获得。共获取试样5个，按照取芯路段的里程桩号分别编号为K8+350、K8+450、K8+590、K8+780、K8+810。试样为直径100mm、高度60mm的圆柱体。按照设计文件，试样中的纤维含量为0.6％(体积掺量)，沥青混合料类型为AC-16型，最大公称粒径为19mm矿料。
首先，将获取的圆柱体纤维沥青混凝土切割为3部分，每个断面之间的间距为20mm，每个试件可得4个断面，分别记为1-1、1-2、2-1、2-2。5个试样共获取20个断面。
其次，在紫外光照射下拍摄切割后试件的断面，环境亮度为0.6Lux，每个断面拍摄1张图像，图像分辨率为1024×1024像素。将图像中的颜色信息摒弃，转换为灰度图像,结果如附图6-10所示。灰度图像的灰度值介于0～255。
然后，将灰度图像导入图像分析软件，以200～255作为识别图像中纤维束团的依据，提取纤维束团。
接着，结算分散性特征值。按照式1～式7分别计算纤维束团的面积总和(TAF)、纤维束团平均面积(AF)、最大纤维束团面积(MaxF)、最小纤维束团面积(MinF)纤维束团的平均直径(DF)、纤维束团面积标准差(Std)、纤维束团分布的峰度(Kurtosis，无量纲)，取每个试件的4个断面中纤维分散性特征值的平均值，计算结果见附表1。
接着，将纤维分散性特征值归一化，按照式8计算，计算结果见附表2。
附表2特征值归一化结果
DF AF TAF Std MaxF MinF Kurtosis
K8+350 -0.381 -0.383 -0.338 -0.182 -0.163 0.125 -0.489
K8+450 -0.279 -0.503 -0.314 -0.393 -0.341 -0.460 -0.321
K8+590 -0.374 0.029 0.662 0.607 0.659 0.540 0.403
K8+780 0.619 0.359 0.263 -0.106 -0.016 -0.109 -0.104
K8+810 0.416 0.497 -0.273 0.073 -0.140 -0.096 0.511
然后，将附表2中数据代入式9计算纤维分散性加权评分。其中，各特征值的权重见说明书表1，计算结果见附表3。
附表3各桩号纤维沥青混凝土纤维分散性加权评分结果
K8+350 K8+450 K8+590 K8+780 K8+810
65.25 63.73 55.34 75.23 65.45
最后，将附表3中结果与式10的评价标准对比，判定结果见附表4。
附表4各桩号纤维沥青混凝土纤维分散性评价结果
K8+350 K8+450 K8+590 K8+780 K8+810
分散合格 分散合格 分散不合格 分散良好 分散合格
由判定结果可见，五处取样点的分散性加权评分差异显著。其中，K8+590处纤维分散性不合格，而K8+780处现为分散性良好，其余各处分散合格，表明该路面的纤维分散性未达到理想水平，所生产的纤维沥青混合料具有显著的差异，应着重控制生产工艺流程。
附表1纤维分散性特征值计算结果
实施例2
实施例2用于说明本技术方案用于评价纤维沥青混合料在材料设计过程中，当以纤维分散性为指标时，决定适宜的纤维用量的实施方法。与实施例1的相同之处是，均采用相同的评价方法；不同之处在于，实施例2中的纤维沥青混凝土是在实验室条件下采用马歇尔击实法成型的，其试件尺寸为直径101mm、高度60mm的圆柱体。沥青混合料选用AC-20型，最大公称粒径为26.5mm矿料。
实施例2采用聚乙烯纤维，其用量(体积比)和长度及其对应试件编号见附表5。其中，纤维用量为0.4～1.0％时，纤维长度为6mm。
附表5实施例2中纤维混凝土中的纤维含量和长度
纤维用量/％ 0.4 0.6 0.8 1.0
编号 C-0.4 C-0.6 C-0.8 C-1.0
首先，将获取的圆柱体纤维沥青混凝土切割为3部分，每个断面之间的间距为20mm，每个试件可得4个断面，分别记为1-1、1-2、2-1、2-2。4个试样共获取16个断面。
其次，在紫外光照射下拍摄切割后试件的断面，环境亮度为1.5Lux，每个断面拍摄1张图像，图像分辨率为1024×1024像素。将图像中的颜色信息摒弃，转换为灰度图像,结果如附图2所示。灰度图像的灰度值介于0～255。
然后，将灰度图像导入图像分析软件，以200～255作为识别图像中纤维束团的依据，提取纤维束团。
接着，结算分散性特征值。按照式1～式7分别计算纤维束团的面积总和(TAF)、纤维束团平均面积(AF)、最大纤维束团面积(MaxF)、最小纤维束团面积(MinF)纤维束团的平均直径(DF)、纤维束团面积标准差(Std)、纤维束团分布的峰度(Kurtosis，无量纲)，取每个试件的4个断面中纤维分散性特征值的平均值，计算结果见附表6。
附表6纤维分散性特征值计算结果
接着，将纤维分散性特征值归一化，按照式8计算，计算结果见附表7。
附表7特征值归一化结果
DF AF TAF Std MaxF MinF Kurtosis
C-0.4 -0.504 -0.643 -0.465 -0.524 -0.489 -0.111 0.097
C-0.6 0.004 -0.066 -0.159 -0.151 -0.208 0.465 -0.638
C-0.8 0.004 0.352 0.088 0.199 0.186 -0.535 0.180
C-1.0 0.496 0.357 0.535 0.476 0.511 0.180 0.362
然后，将附表7中数据代入式9计算纤维分散性加权评分。其中，各特征值的权重见说明书表1，计算结果见附表8。
附表8各桩号纤维沥青混凝土纤维分散性加权评分结果
C-0.4 C-0.6 C-0.8 C-1.0
56.86 77.00 82.13 55.39
最后，将附表3中结果与式10的评价标准对比，判定结果见附表4。
附表4各桩号纤维沥青混凝土纤维分散性评价结果
K8+350 K8+450 K8+590 K8+780
分散不合格 分散良好 分散良好 分散不合格
由判定结果可见，随着纤维掺量从0.4％升至1.0％，纤维分散性评分先增大后减小，其分散性评价结果也从不合格至合格再至不合格。该结果表明，在该工况下，纤维用量宜处于0.6％～0.8％之间。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备纤维沥青混凝土试件；
步骤2，切割步骤1制备得到的纤维沥青混凝土试件；
步骤3，在紫外线照射下对步骤2切割的纤维沥青混凝土试件的进行拍摄，得到图像；
步骤4，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值；
步骤5，根据步骤4得到的纤维分散的特征值计算纤维分散性的加权评分；
步骤6，根据步骤5得到的纤维分散性的加权评分判断纤维分散性；
在所述步骤4中，提取图像中的纤维束团，计算纤维分散的特征值，具体如下进行：
步骤4.1，将步骤3获取的图像导入图像分析软件，去除图像的颜色信息，将其转化为灰度值介于0～255的灰度图像；
步骤4.2，以灰度阈值200～255作为识别图像中纤维束团的依据，将纤维束团在图像中所占据的面积提取，计算纤维束团分散性的特征值；
计算纤维束团分散性的特征值包括：
TAF表示纤维束团的面积总和，单位mm2；AF表示纤维束团平均面积，单位mm2；MaxF表示最大纤维束团面积，单位mm2；MinF表示最小纤维束团面积，单位mm2；DF表示纤维束团的平均直径，单位mm；Std表示纤维束团面积标准差，单位mm2；Kurtosis表示纤维束团分布的峰度；
计算公式为：
MaxF＝max(Ai) (3)
MinF＝min(Ai) (4)
式中，Ai为第i个纤维束团的面积，单位mm2；Di为第i个纤维束团的直径，单位mm；n为纤维束团的数量，单位个；xi为第i个纤维束团与切面质心点的距离，单位mm；为n个纤维束团到切面质心点距离的平均值，单位mm；
对求得的特征值进行归一化处理，TAF权重取0.3、AF权重取0.2、MaxF权重取0.08、MinF权重取0.02、DF权重取0.1、Std权重取0.1、Kurtosis权重取0.2，按照式(8)计算；
x′＝(x-u)/(xmax-xmin) (8)
式中，x为特征值取值；u为该特征值的平均值；
在所述步骤5中，计算纤维分散性的加权评分具体如下：纤维分散性特征值TAF、AF、MaxF、MinF、DF、Std、Kurtosis对纤维分散性具有负面贡献，即上述特征值取值越大，则纤维分散性越差；因此纤维分散性加权评分采用扣分制，纤维分散性加权评分，即Score，按照式(9)计算；
在所述步骤6中，判断纤维分散性具体如下：纤维分散性的判定标准按照式(10)判定：
2.根据权利要求1所述的评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，其特征在于，在所述步骤2中，将每个纤维沥青混凝土试件至少切割成三部分，形成至少四个端面。
3.根据权利要求1所述的评价沥青混凝土中纤维分散性的方法，其特征在于，在所述步骤3中，紫外线强度不低于30000μW/cm2，紫外线波长不低于365nm，紫外线发射器距试件断面的距离介于30cm～50cm，图像分辨率不低于1024×1024像素，拍摄环境亮度不高于5Lux。
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