CN113466076A

CN113466076A - 一种机制砂试件的磨损装置及测试方法

Info

Publication number: CN113466076A
Application number: CN202110856359.9A
Authority: CN
Inventors: 张孝英; 张孝强; 李荣超; 李伟雄; 郑慆; 张孝鑫; 杨镜良; 聂文; 陈搏
Original assignee: Guangzhou Xiaoning Institute Of Roadway Engineering Co ltd; Guangdong Changheng Stone Industry Co ltd
Current assignee: Guangzhou Xiaoning Institute Of Roadway Engineering Co ltd; Guangdong Changheng Stone Industry Co ltd
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本发明涉及一种机制砂试件的磨损装置及测试方法。该磨损装置通过设置加载控制系统、试验箱和试验喷淋系统可以模拟干燥/降雨、不同荷载、不同速度下的机制砂试件的磨损工况，以解决对于不同岩性石料加工的机制砂集料缺乏标准试验装置的问题。并且，以此测试机制砂颗粒的掉粒面积、磨损衰减量。同时基于机制砂的掉粒状态、颗粒磨损现象，导致的沥青路面早期坑槽、抗滑性能衰减过快的问题，提出一种机制砂沥青膜剥离率与磨损率双控评价指标及方法，以此评价机制砂试件与沥青的黏附性能、机制砂试件的耐磨强度，进而解决沥青路面设计过程中仅仅考虑机制砂的填充功能而忽略对沥青路面结构的黏附作用、及对抗滑性能的贡献度检测的问题。

Description

一种机制砂试件的磨损装置及测试方法

技术领域

本发明涉及机制砂磨损测试技术领域，特别是涉及一种机制砂试件的磨损装置及测试方法。

背景技术

目前，高等级公路沥青路面通常采用机制砂作为细集料，其物理性能优良，已受到越来越多的重视。设计规范已明确规定沥青路面下、中、上面层必须采用机制砂。近年通车的高速公路沥青路面均采用了机制砂作为沥青混合料的细集料，经检测发现，机制砂的应用显著提高了路面的路用性能和服务水平。

沥青路面中上面层采用的机制砂普遍由石灰岩质碎石生产加工而成，虽然石灰岩质机制砂与沥青的黏附性较好，但是本身强度较低，在碾压过程中容易破碎，在长期运营过程中也容易使其表面的沥青膜被轮胎磨掉，造成沥青膜脱落。为了改善沥青磨耗层的抗滑性能，一些二氧化硅含量高、高硬度的机制砂也被尝试应用在沥青磨耗层设计当中。

中国规范主要采用水煮法和水浸法评价粗集料与沥青的黏附性，借助高温度的水(100℃左右)与浸泡时间(3分钟)作为沥青膜剥落的条件，根据试验后集料表面上沥青膜剥落情况判定集料的黏附性等级。而机制砂(0～3mm) 颗粒过小，无法通过此方法辨识沥青膜的剥落状态。因此，对于不同岩性石料加工的机制砂集料，其与沥青的黏附性缺乏标准的测试方法，更加没有制备机制砂磨损试件的试验装置，导致一些劣质机制砂应用在沥青路面时，容易出现车辆作用下的早期掉粒、剥落问题，严重者甚至出现沥青路面泡水、碾压松散与坑槽病害。

在研究领域，有学者采用光电比色法作为一种定量的评价细集料与沥青黏附性的试验方法。具体试验方法为：取200g粒径为2.5～5mm的集料与4.5g 沥青在150℃温度下拌和3～5min，在室温条件放置24小时；往容量瓶中加入 200ml染料溶液，取100g混合料放入容量瓶中，将容量瓶置于60℃恒温水箱中2h；通过测量吸附前后染料溶液的吸光值计算沥青膜的剥落率，以此评价细集料与沥青的黏附性。20世纪90年代，美国SHR计划提SHRP净吸附法评价细集料与沥青的黏附性，其原理与光电比色法相似。这些方法不但试验操作较复杂，而且对试验人员能力要求高，耗时长。此外，以上试验方法与沥青路面的实际使用工况差异较大，难以有效评价机制砂与沥青的真实黏附性能。同时，在机制砂的耐磨性能的试验与评价方法也尚未有明确研究。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种机制砂试件的磨损装置及测试方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种机制砂试件的磨损装置，包括：加载控制系统、试验箱和试验喷淋系统；

所述加载控制系统包括：压力施加单元、螺杆和磨损单元；所述压力施加单元通过所述螺杆与所述磨损单元连接；

所述试验箱包括密封盖和试验箱体；所述密封盖扣设在所述试验箱体上；

所述试验喷淋系统包括喷淋头；所述喷淋头固定设置在所述密封盖上；

所述压力施加单元用于将压力通过所述螺杆传递给所述磨损单元；所述磨损单元用于对放置在所述试验箱中的机制砂试件进行磨损；所述喷淋头用于将水喷洒在所述机制砂试件上。

优选地，所述压力施加单元包括：压力调整螺栓、压力传感器、套筒和支架；

所述支架的一端固定连接在套筒上；所述支架的另一端固定连接在所述密封盖上；所述压力调整螺栓的螺柱置于所述套筒中；所述压力调整螺栓与所述压力传感器连接；所述压力传感器与所述螺杆连接；所述压力传感器用于检测所述压力调整螺栓施加给所述螺杆的压力。

优选地，所述磨损单元包括：电机、伞齿轮、旋转盘、杆件和橡胶块；

所述电机固定设置在所述密封盖上，且所述电机与所述伞齿轮连接；所述伞齿轮与所述螺杆啮合；所述螺杆与所述旋转盘固定连接；所述旋转盘通过杆件与所述橡胶块固定连接；

所述电机用于带动所述伞齿轮旋转，进而通过螺杆带动所述旋转盘旋转；所述橡胶块在所述旋转盘的带动下对所述机制砂试件进行磨损。

优选地，所述试验喷淋系统还包括：水箱、水泵、抽水管和给水管；

所述水泵通过所述抽水管与所述水箱连接；所述水泵通过给水管与所述喷淋头连接。

优选地，还包括：控制系统、温度传感器和转速监控传感器；

所述控制系统分别与所述压力传感器、所述电机、所述温度传感器、所述转速监控传感器和所述试验喷淋系统电连接；

所述温度传感器用于监测所述试验箱中的温度；所述转速监控传感器用于监测所述螺杆的转速；所述控制系统用于生成控制指令；所述控制指令用于控制电机的开闭、电机的转速、试验喷淋系统的开闭、试验喷淋系统的喷水速度和试验喷淋系统的喷水频率。

优选地，所述控制系统包括显示屏；

所述显示屏用于显示所述压力传感器监测的压力值、所述温度传感器监测的温度值和所述转速监控传感器监测的转速值。

优选地，所述水箱上设置有注水口和排水口；

所述试验箱体上设置有排水口；

所述密封盖通过固定螺栓扣设在所述试验箱体上。

此外，本发明还提供了两种机制砂试件测试方法，具体如下：

其中一种是机制砂试件黏附性的测试方法，该测试方法包括：

获取机制砂试件图像；所述机制砂试件图像包括机制砂试件的初始图像和机制砂试件磨损后的图像；对所述机制砂试件进行磨损采用上述提供的机制砂试件的磨损装置进行；

对所述机制砂试件图像进行图像增强处理得到增强图像；

对所述增强图像阈值化分割保留目标图像；

基于所述目标图像获取机制砂试件的初始沥青膜总面积和机制砂试件磨损后的沥青膜面积；

根据所述机制砂试件的初始沥青膜总面积和所述机制砂试件磨损后的沥青膜面积确定机制砂试件表面沥青膜的裹覆率；

基于所述机制砂试件表面沥青膜的裹覆率确定机制砂试件的黏附性。

另一种是机制砂试件耐磨性的测试方法，该测试方法包括：

获取机制砂试件磨损前后的表面三维形貌；对机制砂试件进行磨损采用上述提供的机制砂试件的磨损装置进行；

对所述表面三维形貌进行插值和倾斜度纠偏处理，得到处理后的机制砂试件磨损前的表面三维形貌和机制砂试件磨损后的表面三维形貌；

根据所述机制砂试件磨损前的表面三维形貌确定机制砂试件磨损前的体积；

根据所述机制砂试件磨损后的表面三维形貌确定机制砂试件磨损后的体积；

根据所述机制砂试件磨损前的体积和所述机制砂试件磨损后的体积确定机制砂试件的磨损率；

根据所述磨损率确定机制砂试件的耐磨性。

优选地，所述根据所述机制砂试件磨损前的表面三维形貌确定机制砂试件磨损前的体积，具体包括：

使用定积分计算所述机制砂试件磨损前的表面三维形貌在水平方向相邻两条轮廓线包络的面积；

根据所述相邻两条轮廓线包络的面积确定相邻两条轮廓线的包络体积；

根据所述相邻两条轮廓线的包络体积确定所述机制砂试件磨损前的体积。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的机制砂试件的磨损装置，通过设置加载控制系统、试验箱和试验喷淋系统可以模拟干燥/降雨、不同荷载、不同速度下的机制砂试件的磨损工况，以解决对于不同岩性石料加工的机制砂集料缺乏标准试验装置的问题。并且，以此测试机制砂颗粒的掉粒面积、磨损衰减量。同时基于机制砂的掉粒状态、颗粒磨损现象，导致的沥青路面早期坑槽、抗滑性能衰减过快的问题，提出一种机制砂沥青膜剥离率与磨损率双控评价指标及方法，以此评价机制砂试件与沥青的黏附性能、机制砂试件的耐磨强度，进而解决沥青路面设计过程中仅仅考虑机制砂的填充功能而忽略对沥青路面结构的黏附作用、及对抗滑性能的贡献度检测的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的机制砂试件的磨损装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的磨损后的机制砂试件的示意图；

图3为本发明提供的机制砂试件黏附性的测试方法的流程图；

图4为本发明提供的机制砂试件耐磨性的测试方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的激光扫描的机制砂试件三维点云数据图；

图6为本发明实施例提供的机制砂磨损率与洛杉矶磨耗值之间的相关性曲线图。

符号说明：

1控制系统，2试验箱体，2.1试验箱上的排水口，3水泵，3.1水箱上的排水口，3.2抽水管，3.3喷淋头，3.4注水口，3.5水箱，3.6给水管，4密封盖，5支架，6压力调整螺栓，6.1螺柱，6.2套筒，7压力传感器，8转速监控传感器，9电机，10螺杆，11伞齿轮，12温度传感器，13旋转盘，14杆件， 15橡胶块，16机制砂试件。

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。

本发明的目的是提供一种机制砂试件的磨损装置及测试方法，以解决现有技术中存在的没有一种对于不同岩性石料加工的机制砂集料的耐磨性及其与沥青的黏附性缺乏标准的测试方法和试验装置的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的机制砂试件的磨损装置，包括：加载控制系统、试验箱和试验喷淋系统。

加载控制系统包括：压力施加单元、螺杆10和磨损单元。压力施加单元通过螺杆10与磨损单元连接。

试验箱包括密封盖4和试验箱体2。密封盖4扣设在试验箱体2上，具体的，密封盖4通过固定螺栓扣设在试验箱体2上。试验箱体2上设置有排水口 2.1。试验箱体2为圆柱体中空结构。

试验喷淋系统包括喷淋头3.3。喷淋头3.3固定设置在密封盖4上。

压力施加单元用于将压力通过螺杆10传递给磨损单元。磨损单元用于对放置在试验箱中的机制砂试件16进行磨损。喷淋头3.3用于将水喷洒在机制砂试件16上。

压力施加单元包括：压力调整螺栓6、压力传感器7、套筒6.2和支架5。

支架5的一端固定连接在套筒6.2上。支架5的另一端固定连接在密封盖 4上。压力调整螺栓6的螺柱6.1置于套筒6.2中。压力调整螺栓6与压力传感器7连接。压力传感器7与螺杆10连接。压力传感器7用于检测压力调整螺栓6施加给螺杆10的压力。试验压力可使用扳手调整压力调整螺栓6进行压力值大小控制。

磨损单元包括：电机9、伞齿轮11、旋转盘13、杆件14和橡胶块15。在本发明中旋转盘13直径设置为40cm，但不限于此。

电机9固定设置在密封盖4上，且电机9与伞齿轮11连接。伞齿轮11与螺杆10啮合。螺杆10与旋转盘13固定连接。旋转盘13通过杆件14与橡胶块15固定连接。例如，旋转盘13下方通过螺栓连接有三个并排的杆件14，杆件14底部上套有橡胶块15。橡胶块15为半圆柱体，底面为弧面，橡胶块 15长度为10cm，宽度为5cm，高度为3～5cm，在实际应用过程中可根据不同需求跟换不同厚度、硬度的橡胶块15。

电机9用于带动伞齿轮11旋转，进而通过螺杆10带动旋转盘13旋转。橡胶块15在旋转盘13的带动下对机制砂试件进行磨损。

试验喷淋系统还包括：水箱3.5、水泵3、抽水3.2管和给水管3.6。

水泵3通过抽水3.2管与水箱3.5连接。水泵3通过给水管3.6与喷淋头 3.3连接。水箱3.5上设置有注水口3.4和排水口。

基于试验喷淋系统的这一结构，主要通过水泵3抽取水箱3.5中的水，经过抽水3.2管、给水管3.6，输送到喷淋头3.3，然后喷射到到箱体中的试件上，用于箱体内磨损试验时的降温与降雨。

为了简化试验装置的操作过程，上述提供的机制砂试件的磨损装置还优选包括：控制系统1、温度传感器12和转速监控传感器8。

控制系统1分别与压力传感器7、电机9、温度传感器12、转速监控传感器8和试验喷淋系统电连接。

温度传感器12安装在密封盖4上，用于监测试验箱中的温度。转速监控传感器8用于监测螺杆10的转速。控制系统1用于生成控制指令。控制指令用于控制电机9的开闭、电机9的转速、试验喷淋系统的开闭、试验喷淋系统的喷水速度和试验喷淋系统的喷水频率。

其中，控制系统1包括显示屏。

显示屏用于显示压力传感器7监测的压力值、温度传感器12监测的温度值和转速监控传感器8监测的转速值。

具体的，控制系统1通过导线连接温度传感器12、水泵3、电机9、转速监控传感器8、压力传感器7，进行集成控制与显示。

进一步，上述试验箱中还设置有机制砂试件底盘。机制砂试件底盘可以使用钢材、铝合金、高强塑料板等材料加工制成。

本磨损装置的试验操作过程为：

(1)成型方形或圆形(边长或直径约30*30cm)沥青混合料试件，在试件上涂抹乳化沥青或者改性热沥青，撒布一定量的0～3mm机制砂材料，并在光面轮碾试验机上碾压平整。

(2)将试件放置在试验箱体2内，盖上密封盖4，调整好压力调整螺栓6，根据试验需求在水箱3.5中加注适量试验用水。

(3)通过控制系统1中的控制器调整电机9转速，打开水泵3开关，手动旋转压力调整螺栓6，开始橡胶块15磨损试验。根据试验需求，可以按照时间和转速来控制试验阶段。

(4)试验结束后关闭控制器，打开水箱3.5的排水口3.1和试验箱体2 的排水口2.1排出多余废水，打开密封盖4，拆卸杆件14与橡胶块15，取出磨损后的机制砂试件。磨损后的机制砂试件如图2所示。

其中一种是机制砂试件黏附性的测试方法，该测试方法如图3所示，包括：

步骤300：获取机制砂试件图像。机制砂试件图像包括机制砂试件的初始图像和机制砂试件磨损后的图像。对机制砂试件进行磨损采用上述提供的机制砂试件的磨损装置进行。该步骤的具体实施过程为：

采用数码相机或手机采集机制砂试件的图像，为了减少光线强度不均匀产生的集中反射误差，将试件放置于室内，开启四周的LED光源，并控制拍照过程试件表面无阴影或集中光线，以减少光照强度波动带来的图像噪点。数字图像的信息经处理后被量化并存储在一个二维矩阵中，以X、Y是分别代表空间坐标系的横坐标和纵坐标数值，这样一幅图像可表示为二维函数F(X,Y)。对于任一空间坐标(X,Y)的函数值表示图像中对应该位置的强度或灰度值。可表达为如下式(1)所示的紧凑矩阵型离散函数的数学式。

式中，X、Y代表空间坐标系的横坐标和纵坐标数值，M为矩阵数据的行数，N为列数，f(M,N)为该像素点的数值。

步骤301：对机制砂试件图像进行图像增强处理得到增强图像。该步骤的具体实施过程为：

图像采集过程中，由于试件局部沥青膜和碎石表面晶体颗粒对光线的反射效应，给图像带来了一些噪点干扰，主要体现在反射光点位置呈现为白色，与实际上其黑色的特征相反，为测试结果带来误差。因此，在对图像进行分析前，需要对机制砂试件图像质量进行改善。图像增强是指将图像中的对象特征有选择地突出，而衰减其他不必要的特征。经研究发现，属于空间滤波的中值滤波在沥青混合料处理中有较好的效果。中值滤波目的是清除干扰，而并非让图像模糊。中值滤波具有较好的抗噪能力，可以有效滤除脉冲干扰和图像扫描噪声。

中值滤波的数学描述如下：

如果S为像素(x₀,y₀)的领域集合(包含(x₀,y₀))，(x,y)表示S中的元素， f(x,y)表示(x,y)点的灰度，|S|表示集合S中元素的个数，Sort表示排序，则对(x₀,y₀)进行平滑可表示为：

通过两种方法对比发现，对于噪声较多的图片，选用5×5窗口滤波效果好于3×3窗口滤波。MATLAB中进行中值滤波操作的函数可以使用 medfilt2(f)。

进一步，数字图像的增强处理根据图像质量也可以采用均值滤波、高斯滤波等其他滤波方法。

步骤302：对增强图像阈值化分割保留目标图像。该步骤的具体实施过程为：

为了减少人为确定的图像特征阈值存在较大的主观偏差，采用最大类间方差法进行阈值确定。基本原理是将图形分为目标和背景两部分，两类之间的方差越大，说明两类之间的差别越大。将目标误认为背景或者将背景误认为目标都会使得两部分差异性变小，因此使类间的方差最大就意味着错分的概率最小。其原理简介如下：

对图像I，记T为前景和背景的分割阀值，前景点数占图像比例ω₀，平均灰度为μ₀。背景点数占图像比例为ω₁，平均灰度为μ₁。图像的总平均灰度为

μ_T＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁ (3)

当T的取值使σ²＝ω₀×(μ₀-μ_T)²+ω₁×(μ₁-μ_T)²有最大值时，T为最佳分割阀值。

步骤303：基于目标图像获取机制砂试件的初始沥青膜总面积和机制砂试件磨损后的沥青膜面积。

步骤304：根据机制砂试件的初始沥青膜总面积和机制砂试件磨损后的沥青膜面积确定机制砂试件表面沥青膜的裹覆率。该步骤的具体实施过程为：

确定好灰度图像的最佳阀值之后，便可以对图像进行二值化处理。定义沥青膜裹覆完整的像素灰度值以1表示，沥青膜剥落部分的像素灰度值以0表示，则采集的数字图像变为以“0”和“1”表示的二维矩阵。

式中，F为沥青膜覆盖率。m₁为试验后的沥青膜面积。m₀为试验前的沥青膜总面积。N为试件图像总像素点。D_i为像素灰度值为1的像素点，

表示图像中像素点为1的像素点总和。

步骤305：基于机制砂试件表面沥青膜的裹覆率确定机制砂试件的黏附性。具体的，当机制砂表面沥青膜裹覆率越大，说明机制砂黏附性越强。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的规定，对于粗集料表面沥青膜剥离面积百分率接近0，则集料与沥青黏附性等级为5级。沥青膜剥离面积百分率小于10％，则集料与沥青黏附性等级为4级。沥青膜剥离面积百分率小于30％，则集料与沥青黏附性等级为3级。沥青膜剥离面积百分率大于30％，则集料与沥青黏附性等级为2级。集料基本裸露，则集料与沥青黏附性等级为1级。

进一步，本发明还可以通过图像处理方式，计算机制砂试件表面的沥青膜剥离率，计算方法如下：

式中，B为机制砂试件沥青膜剥离率。m₂为橡胶块磨损区域的面积，才用上述提供的机制砂试件的磨损装置得到的磨损区域为直径30cm的圆形区域，即m₂＝3.14*(30/2)^2＝706.5cm²，M为橡胶块磨损区域的像素点数量。

另一种是机制砂试件耐磨性的测试方法，该测试方法如图4所示，包括：

步骤400：获取机制砂试件磨损前后的表面三维形貌。对机制砂试件进行磨损采用上述提供的机制砂试件的磨损装置进行。具体的，采用高精度三维激光扫描仪PATT-II(识别精度在0.01mm以上)，分别扫描机制砂试件磨损前后的表面三维形貌。扫描区域为300mm*300mm，并输出三维点云数据。

步骤401：对表面三维形貌进行插值和倾斜度纠偏处理，得到处理后的机制砂试件磨损前的表面三维形貌和机制砂试件磨损后的表面三维形貌。进行插值处理主要是因为，在激光扫描过程中，由于试件表面的凹凸不平，以及激光射线的三角反射角度，在局部位置由于局部突起构造的遮挡，以及构造间的缝隙，使得激光扫描数据必然存在盲区，从而导致该区域数据缺失，通常以无限小的负数值表示。缺失数据不仅影响试件表面形貌的三维重构效果，还会直接干扰数据分析结果。进行倾斜度纠偏处理是因为，设备实际扫描过程中，试件摆放与成型过程中表面机制砂颗粒的不平整度引起的激光扫描平面与试件平面并非完全平行，为了保证机制砂试件计算结果的稳定性，所以需要对扫描数据进行倾斜度纠正处理。

其中，原始数据的插值处理过程为：

经过试验比对，采用线性插值法处理机制砂试件激光数据的缺失点具有良好效果。线性插值主要利用与缺失数据最邻近的两个数值，其计算方法为：

其中

是缺失数据y_ij的估计值。y_in、y_im是与y_ij最邻近的两个非缺失数据， y_ij为第i行、第j列位置的数据，且m≤j≤n。

试件扫描数据的倾斜度纠偏处理过程为：

使用最小二乘平面拟合法进行三维形貌点云数据的倾斜度修正，具体步骤为：以获取的矩阵数据行数x、列数y为自变量，相对高程值z为因变量，拟合出平面方程为：z^*＝ax+by+c。原始形貌矩阵与拟合平面的差值，即 z＝z₀-z^*，为修正后的三维矩阵。

步骤402：根据机制砂试件磨损前的表面三维形貌确定机制砂试件磨损前的体积。

步骤403：根据机制砂试件磨损后的表面三维形貌确定机制砂试件磨损后的体积。

步骤404：根据机制砂试件磨损前的体积和机制砂试件磨损后的体积确定机制砂试件的磨损率。

步骤405：根据磨损率确定机制砂试件的耐磨性。

上述步骤402和403中确定机制砂试件磨损前后的体积的过程一样，具体为：

激光扫描的机制砂试件三维点云数据实质上为间隔0.01mm的离散点云数组，如图5所示，由30000*30000个数据点组成。

计算30000*30000个数据点包络的体积，可以先使用定积分计算水平方向的第一条轮廓线包络的面积，计算公式为：

式中，A₁为第一条轮廓的包络面积。i为轮廓内的第i个点。d为相邻两个点的间隔，为0.01mm。L为轮廓的总点数量，即30000。z_i为第i个点的相对试件底板基准面的高度值。

相邻两个轮廓的包络体积计算，计算公式为：

则三维点云数据包络的体积为：

式中，j为轮廓序号。

基于上述体积的具体计算过程，采用公式

确定机制砂试件的磨损率。其中，定义机制砂试件在磨损测试前后的体积损失率为磨损率。k 为机制砂磨损率，V₀为磨损前的机制砂体积，V_t为磨损后的机制砂体积。

进一步，机制砂试件的三维点云数据体积计算，也可以采用其他的空间坐标、多面体分割与体积计算等方法。

由于机制砂试件上的机制砂颗粒相比试件底板，质量较小，基本一块试件底板重量达2000g左右，而表面的机制砂颗粒重量在200g以内，磨损质量损失在0～10g左右，损失量较少。且不同机制砂的密度不同，导致质量损失也存在差异，难以直接对比。磨损过程中一些细料也容易黏附，存在吸水不容易烘干的问题，导致直接测试磨损过程的质量损失存在较大偏差。因此，本发明才提供了上述机制砂试件耐磨性的测试方法来计算磨损前后机制砂的体积损失量，以评价机制砂颗粒的耐磨耗性能。

下面提供以个具体实施例对本发明上述提供技术方案的优点进行进一步说明。

(1)采集12个石场加工的机制砂和9.5～13.2mm、13.2～16mm粗集料。并对12个石场的机制砂和粗集料进行编号，同一个石场的加工集料编号对应。

(2)制备机制砂试件，在试件底盘涂抹0.5kg/m2的环氧沥青作为底油；然后把机制砂和10％的SBS改性沥青在165℃下充分搅拌45s，接着使用小铁铲将机制砂与沥青的混合料均匀涂布在试件底盘的环氧沥青上，最后放置于烘箱中以120℃恒温养护6小时。

(3)取出机制砂试件，冷却至常温，分别使用相机采集机制砂试件的数字图像、使用三维激光扫描仪扫描机制砂试件的表面形貌。

(4)将机制砂试件放置于本发明提供的机制砂试件的磨损装置中，以室温和喷水状态下启动装置，转速设置为120r/min，开始橡胶块的磨损作用，模拟道路车辆的轮胎摩擦效果。

(5)持续磨损1小时后，取出机制砂试件，使用缓慢流水冲洗试件表面的松散颗粒，然后静置室内通风处进行风干；待试件表面干燥无水膜状态，分别使用相机采集机制砂试件的数字图像、使用三维激光扫描仪扫描机制砂试件的表面形貌。

(6)基于数字图像采集与评价机制砂黏附性的方法计算机制砂试件沥青膜剥离率B、基于三维激光扫描法测试与计算机制砂磨损率k。

(7)根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)测试不同机制砂对应石场加工粗集料的洛杉矶磨耗值。

(8)构建机制砂磨损率k与粗集料的洛杉矶磨耗值之间的相关性，如图 6所示。可以看出，机制砂磨损率与洛杉矶磨耗值之间的相关性良好，相关性系数达到0.95以上。根据工程的95％保证率标准，该相关性可以应用于实际工程中，并进行磨损率与磨耗值之间的换算与评定。

(9)提出机制砂的黏附性与磨耗值双控评价指标，及综合评定方法，为沥青路面原材料选择提供科学依据。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对集料/沥青黏附性评级的规定、以及机制砂磨损率与洛杉矶磨耗值之间的相关性，结合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)关于不同等级公路的集料黏附性、磨耗值评定标准，对收集的12种机制砂路用性能和适用性进行评定，评定原则为：当双控指标均达到对应公路等级才可以应用，当其中一个指标偏低，则按照较低的公路等级应用。本示例按照规范中的1区(潮湿区)的技术标准进行评级。根据本示例的综合评定结果，采用机制砂的黏附性和碎石强度双控指标来看，一些机制砂由于母岩偏碱性，与沥青黏附性优良，但是强度不足，容易磨损与掉粒；一些机制砂强度很高，不易磨损，但是与沥青黏附性较差，也容易出现剥离问题。因此，所提出的机制砂的黏附性和碎石强度双控指标可以很好解决机制砂的路用性能评定问题，为道路的原材料选择提供决策，并有助于提升道路建设质量。评定结果如表1所示。

表1评定结果表

综上，本发明提供的机制砂试件的磨损装置及测试方法相较于现有技术具有以下优点：

(1)通过模拟干燥/降雨、不同荷载、不同速度下的橡胶与机制砂试件之间的磨光作用，以此测试机制砂颗粒的掉粒面积、磨损衰减量，填补了试验规范中对机制砂细集料的黏附性和耐磨性能试验方法的空白。

(2)本发明评价机制砂与沥青的黏附性能、机制砂的耐磨强度，可以很好解决机制砂的路用性能评定问题，也为道路的原材料选择提供决策，并有助于提升道路建设质量，具有很好的工程应用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种机制砂试件的磨损装置，其特征在于，包括：加载控制系统、试验箱和试验喷淋系统；

2.根据权利要求1所述的机制砂试件的磨损装置，其特征在于，所述压力施加单元包括：压力调整螺栓、压力传感器、套筒和支架；

3.根据权利要求2所述的机制砂试件的磨损装置，其特征在于，所述磨损单元包括：电机、伞齿轮、旋转盘、杆件和橡胶块；

4.根据权利要求1所述的机制砂试件的磨损装置，其特征在于，；

所述试验喷淋系统还包括：水箱、水泵、抽水管和给水管；

5.根据权利要求3所述的机制砂试件的磨损装置，其特征在于，还包括：控制系统、温度传感器和转速监控传感器；

6.根据权利要求5所述的机制砂试件的磨损装置，其特征在于，所述控制系统包括显示屏；

7.根据权利要求3所述的机制砂试件的磨损装置，其特征在于，所述水箱上设置有注水口和排水口；

所述试验箱体上设置有排水口；

所述密封盖通过固定螺栓扣设在所述试验箱体上。

8.一种机制砂试件黏附性的测试方法，其特征在于，包括：

获取机制砂试件图像；所述机制砂试件图像包括机制砂试件的初始图像和机制砂试件磨损后的图像；对所述机制砂试件进行磨损采用如权利要求1-7任意一项所述的机制砂试件的磨损装置进行；

对所述机制砂试件图像进行图像增强处理得到增强图像；

对所述增强图像阈值化分割保留目标图像；

9.一种机制砂试件耐磨性的测试方法，其特征在于，包括：

获取机制砂试件磨损前后的表面三维形貌；对机制砂试件进行磨损采用如权利要求1-7任意一项所述的机制砂试件的磨损装置进行；

根据所述磨损率确定机制砂试件的耐磨性。

10.根据权利要求9所述的机制砂试件耐磨性的测试方法，其特征在于，所述根据所述机制砂试件磨损前的表面三维形貌确定机制砂试件磨损前的体积，具体包括：