CN114014587A - 一种玄武岩纤维透明混合料的制备及分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种玄武岩纤维透明混合料的制备及分析方法，属于道路工程领域。根据目标沥青混合料的级配特征选择透明水晶石的粒径及配比，使其组成与沥青混合料的级配接近，测量透明水晶石的骨架间隙率，并以此为基础确定透明胶结料的用量；将质量分数为0.3％的玄武岩纤维与透明水晶石在常温下拌和60‑90s，再加入环氧树脂固化剂拌和60‑90s，最后加入环氧树脂拌和60‑90s，得到玄武岩纤维透明混合料；将玄武岩纤维透明混合料装入模具中制备试件，使用胶锤进行击实，室温下养生2‑4小时后脱模；将试件切片，厚度不超过8mm，使用400目细砂纸对试件切片表面进行打磨至表面平整，最后将试件切片表面泥浆清洗干净。本发明用以完善玄武岩纤维沥青混合料的质量控制，提升其性能的稳定性。

Description

一种玄武岩纤维透明混合料的制备及分析方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，具体涉及一种用于探究玄武岩纤维在沥青混合料中分布情况的纤维透明混合料的制备及分析方法。
背景技术
如何改善沥青混合料的性能，提升其对交通荷载及不利自然环境的抵抗能力，是道路工程领域所持续关注的。纤维作为一种特殊的添加剂和稳定剂，在沥青混合料中能够起到加筋、吸附、稳定、增粘的作用，从而改善沥青混合料抵抗高温永久变形、低温开裂、水损害、疲劳开裂等病害的能力。同时，相比于其它加强方式，使用纤维稳定剂通常无需复杂的施工工序与设备，而且具有较低的成本。源于天然矿物的玄武岩纤维具有强度高、模量大、稳定性好等优势，正逐渐成为沥青混合料中常用的纤维稳定剂。但由于玄武岩纤维自身的物理形貌及极性特征，在沥青混合料中易出现结团、聚束的情况，影响混合料性能的稳定性，制约了其在沥青混合料中的应用与推广。现有研究中，学者们对掺加玄武岩纤维的沥青混合料性能进行了较多的探索与研究，其强化效果在试验研究及实际工程应用中得到了验证，但对于玄武岩纤维在沥青混合料中分散均匀性的评价与研究相对欠缺。沥青混合料中玄武岩纤维尺寸小(直径约15μm)、数量多，因此通过传统试验方法难以开展有效研究。基于此，提出一种通过制备玄武岩纤维透明混合料，对玄武岩纤维分布情况进行直观观测与分析的方法。
发明内容
本发明的目的是为解决玄武岩纤维在沥青混合料中的分散情况难以进行评价分析的问题，提供一种玄武岩纤维透明混合料的制备及分析方法，用以完善玄武岩纤维沥青混合料的质量控制，提升其性能的稳定性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种玄武岩纤维透明混合料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标沥青混合料的级配特征选择透明水晶石的粒径及配比，使其组成与沥青混合料的级配接近，测量所述透明水晶石的骨架间隙率，并以所述骨架间隙率为基础确定透明胶结料的用量；所述透明胶结料由环氧树脂及环氧树脂固化剂组成；
步骤二、将质量分数为0.3％的玄武岩纤维与透明水晶石在常温下拌和60-90s，再加入环氧树脂固化剂拌和60-90s，最后加入环氧树脂继续拌和60-90s，得到玄武岩纤维透明混合料；所述环氧树脂与环氧树脂固化剂质量比为4：1；
步骤三、将所述玄武岩纤维透明混合料装入模具中制备试件，使用胶锤进行击实，确保玄武岩纤维透明混合料表面平整，室温下养生2-4小时后脱模；
步骤四、将所述试件进行切片，厚度不超过8mm，使用400目细砂纸对试件切片表面进行打磨至表面平整，最后将试件切片表面泥浆清洗干净。
一种玄武岩纤维透明混合料的分析方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、图像采集；从试件切片背面进行打光，在黑暗环境下进行图像采集，拍摄角度与试件表面垂直，应保证图像分辨率不大于0.05mm；
步骤二、图像处理；首先对图像进行分割，玄武岩纤维不透光，因此确定阈值实现将图像中的玄武岩纤维与透明水晶石及透明胶结料进行分离，通过图像处理软件将玄武岩纤维对应区域进行编号，并提取透明混合料切片图像中玄武岩纤维束截面的尺寸及面积；
步骤三、分散特征分析；将玄武岩纤维束截面近似为圆形，采用纤维束截面短边长度作为纤维束截面直径进行纤维数量的估算；纤维数量估算的计算方法如式(1)所示；
Figure BDA0003358084550000021
式中：N——玄武岩纤维束中的纤维数量；
b——玄武岩纤维束截面短边长度对应像素数量；
ρ——空间分辨率；mm/像素；
d——玄武岩纤维直径；mm；
根据此方法得到各个纤维束中纤维的数量，从而计算截面中纤维的数量，通过对比，对玄武岩纤维的分散程度进行分析。
本发明相对于现有技术的有益效果是：现有技术中，缺少能够对沥青混合料中玄武岩纤维分散情况进行分析与评价的方法，其主要原因在于玄武岩纤维自身尺寸小(直径通常为15μm左右)，数量多，加之被沥青裹附，难以进行观测与研究。因此考虑使用透明集料(透明水晶石)与透明胶结料制备玄武岩纤维透明混合料，结合图像处理技术对玄武岩纤维的分散情况进行探究。该方法实现了对混合料中玄武岩纤维的直观观测，并实现了对混合料试件中不同位置纤维分散状态与分布情况的定量分析，可以为玄武岩纤维沥青混合料性能研究与质量控制提供参考。
附图说明
图1为实施例1中透明混合料的拌和示意图；
图2为实施例1中透明混合料的试件切片示意图；
图3为实施例2的步骤二的图像处理流程图，其中：图3(a)为确定阈值的示意图，图3(b)为图像分割的示意图，图3(c)为提取玄武岩纤维对应信息的示意图，图3(d) 为计算玄武岩纤维束截面面积及尺寸的示意图；
图4为实施例2的纤维束中纤维数量频率分布情况示意图，其中：图4(a)为试件 1中纤维数量频率分布情况示意图，图4(b)为试件2中纤维数量频率分布情况示意图；
图5是为典型的玄武岩纤维束截面示意图；其中：图5(a)为切片图像中典型玄武岩纤维束截面图；图5(b)为经软件处理后提取的典型玄武岩纤维束截面图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式披露了一种玄武岩纤维透明混合料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标沥青混合料(为现有技术)的级配特征选择透明水晶石的粒径及配比，使其组成与沥青混合料的级配接近，测量所述透明水晶石的骨架间隙率(骨架间隙率的测试方法为现有技术，JTG E42-2005(T0309))，并以所述骨架间隙率为基础确定透明胶结料的用量；所述透明胶结料由环氧树脂及环氧树脂固化剂组成；
步骤二、将质量分数为0.3％的玄武岩纤维与透明水晶石在常温下拌和60-90s，再加入环氧树脂固化剂拌和60-90s，最后加入环氧树脂继续拌和60-90s，得到玄武岩纤维透明混合料；所述环氧树脂与环氧树脂固化剂质量比为4：1(玄武岩纤维质量为透明水晶石、环氧树脂、环氧树脂固化剂总质量的0.3％)；
步骤三、将所述玄武岩纤维透明混合料装入模具中制备试件，使用胶锤进行击实，确保玄武岩纤维透明混合料表面平整，室温下养生2-4小时后脱模；
步骤四、将所述试件进行切片，厚度不超过8mm，使用400目细砂纸对试件切片表面进行打磨至表面平整，最后将试件切片表面泥浆清洗干净。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤一中，所述透明胶结料的体积为骨架空隙率的70％～80％。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤一中，根据目标沥青混合料的级配特征选择透明水晶石的粒径及配比具体为：
选择透明水晶石的粒径分别为9～12mm、7～9mm、5～7mm以及2～5mm，根据目标SMA-13型沥青混合料级配，上述四种水晶石的质量占比范围值分别为30％～45％、 20％～35％、25％～40％、5％～12％。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一至三任一具体实施方式作出的进一步说明，所述方法包括以下步骤：
步骤一、图像采集；从试件切片背面进行打光，在黑暗环境下进行图像采集，拍摄角度与试件表面垂直，应保证图像分辨率不大于0.05mm；
步骤二、图像处理；首先对图像进行分割，玄武岩纤维不透光，因此确定阈值((使用Image-Pro Plus软件中的HSI数字图像模型，从色调(Hue)、饱和度(Saturation)以及亮度(Intensity)三个维度对图像中纤维所对应的阈值范围进行选取。在选取时，需对应实际照片，确认所有的纤维区域被选中，同时所选区域内不包含过多的试件表面缺陷、集料边缘与纤维色调接近的部分)实现将图像中的玄武岩纤维与透明水晶石及透明胶结料进行分离，通过图像处理软件(Image-Pro Plus软件)将玄武岩纤维对应区域进行编号，并提取透明混合料切片图像中玄武岩纤维束截面(见图5(a)和图5(b))的尺寸及面积；
步骤三、分散特征分析；将玄武岩纤维束截面近似为圆形，采用纤维束截面短边长度作为纤维束截面直径进行纤维数量的估算；纤维数量估算的计算方法如式(1)所示；
Figure BDA0003358084550000041
式中：N——玄武岩纤维束中的纤维数量；
b——玄武岩纤维束截面短边长度对应像素数量；
ρ——空间分辨率；mm/像素；
d——玄武岩纤维直径；mm；
根据此方法得到各个纤维束中纤维的数量，从而计算截面中纤维的数量，通过对比，对玄武岩纤维的分散程度进行分析。
实施例1：
如图1、图2所示，本实施例披露了一种玄武岩纤维透明混合料的制备方法，所述方法按照以下步骤实施：
步骤一、目标沥青混合料级配为SMA-13，选择透明水晶石的粒径为9-12mm、7-9mm、5-7mm及2-5mm四档透明集料(透明水晶石)进行配比；测量透明集料的骨架间隙率(测量方法为现有技术)，并以此为基础确定透明胶结料的用量，透明胶结料的体积为骨架空隙率的70％～80％；所述透明胶结料由环氧树脂及环氧树脂固化剂组成；
步骤二、将玄武岩纤维与透明集料在常温下拌和90s，再加入环氧树脂固化剂拌和90s，最后加入环氧树脂继续拌和90s；环氧树脂与环氧树脂固化剂质量比为4：1；
步骤三、将拌和后的玄武岩纤维透明混合料装入模具中，制备直径为101.6mm，高度为63.5mm的标准马歇尔试件；使用胶锤进行击实，确保所述试件表面平整，室温下养生4小时后脱模；
步骤四、使用切割机将试件进行切片，厚度不超过8mm，使用400目细砂纸对试件切片表面进行打磨至表面平整，最后将试件切片表面泥浆清洗干净。
实施例2：
如图3、图4所示，本实施例披露了一种玄武岩纤维透明混合料的分析方法，所述方法按照以下步骤实现：
步骤一、图像采集；从试件切片背面进行打光，在黑暗环境下进行图像采集，利用透明集料及环氧树脂的透明特性，使玄武岩纤维透明混合料中的玄武岩纤维便于观测与分析；拍摄角度与试件表面垂直，应保证图像分辨率不大于0.05mm；
步骤二、图像处理；首先对图像进行分割，玄武岩纤维不透光，因此可以确定阈值实现将图像中的玄武岩纤维与透明集料及透明胶结料进行分离；确定阈值时应保证玄武岩纤维能够被完全选中，同时不引入过多杂质；通过图像处理软件Image-Pro Plus将玄武岩纤维对应区域进行编号，并提取透明混合料切片图像中玄武岩纤维束截面的尺寸及面积；
步骤三、分散特征分析；将玄武岩纤维束截面近似为圆形，采用玄武岩纤维束截面短边长度作为玄武岩纤维束截面直径进行纤维数量的估算；纤维数量估算的计算方法如式(1) 所示；
Figure BDA0003358084550000051
式中：N——玄武岩纤维束中的纤维数量；
b——玄武岩纤维束截面短边长度对应像素数量；
ρ——空间分辨率；mm/像素；
d——玄武岩纤维直径；mm；
根据此方法可以得到各个纤维束中纤维的数量，从而计算玄武岩纤维束中纤维的数量，通过对比，可以对玄武岩纤维的分散程度进行分析。
本实施例中制备两个试件，每个试件取6个截面进行分析，结果如图4所示；
玄武岩纤维束中的纤维数量具有随机性，不同试件、不同断面间存在差异。整体而言，试件1中的纤维束中纤维数量分布体现出了一定的规律，200根以下纤维束占比较大，500 根以上次之。试件2中不同断面的结果相差较大，其原因可能为纤维束在试件2中分布不均，同时断面的位置对结果也有较大的影响。
本方法通过透明水晶石代替集料，环氧树脂作为透明胶结料代替沥青，制备玄武岩纤维透明混合料，结合图像处理技术，实现了对混合料中玄武岩纤维的分散情况的观测、分析与评价，为玄武岩纤维沥青混合料的质量控制与性能探究提供了参考。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种玄武岩纤维透明混合料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标沥青混合料的级配特征选择透明水晶石的粒径及配比，使其组成与沥青混合料的级配接近，测量所述透明水晶石的骨架间隙率，并以所述骨架间隙率为基础确定透明胶结料的用量；所述透明胶结料由环氧树脂及环氧树脂固化剂组成；
步骤二、将质量分数为0.3％的玄武岩纤维与透明水晶石在常温下拌和60-90s，再加入环氧树脂固化剂拌和60-90s，最后加入环氧树脂继续拌和60-90s，得到玄武岩纤维透明混合料；所述环氧树脂与环氧树脂固化剂质量比为4：1；
步骤三、将所述玄武岩纤维透明混合料装入模具中制备试件，使用胶锤进行击实，确保玄武岩纤维透明混合料表面平整，室温下养生2-4小时后脱模；
步骤四、将所述试件进行切片，厚度不超过8mm，使用400目细砂纸对试件切片表面进行打磨至表面平整，最后将试件切片表面泥浆清洗干净。
2.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维透明混合料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述透明胶结料的体积为骨架空隙率的70％～80％。
3.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维透明混合料的制备方法，其特征在于：步骤一中，根据目标沥青混合料的级配特征选择透明水晶石的粒径及配比具体为：
选择透明水晶石的粒径分别为9～12mm、7～9mm、5～7mm以及2～5mm，根据目标SMA-13型沥青混合料级配，上述四种水晶石的质量占比范围值分别为30％～45％、20％～35％、25％～40％、5％～12％。
4.一种权利要求1-3任一权利要求所述的玄武岩纤维透明混合料的分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、图像采集；从试件切片背面进行打光，在黑暗环境下进行图像采集，拍摄角度与试件表面垂直，应保证图像分辨率不大于0.05mm；
步骤二、图像处理；首先对图像进行分割，玄武岩纤维不透光，因此确定阈值实现将图像中的玄武岩纤维与透明水晶石及透明胶结料进行分离，通过图像处理软件将玄武岩纤维对应区域进行编号，并提取透明混合料切片图像中玄武岩纤维束截面的尺寸及面积；
步骤三、分散特征分析；将玄武岩纤维束截面近似为圆形，采用纤维束截面短边长度作为纤维束截面直径进行纤维数量的估算；纤维数量估算的计算方法如式(1)所示；
Figure FDA0003358084540000011
式中：N——玄武岩纤维束中的纤维数量；
b——玄武岩纤维束截面短边长度对应像素数量；
ρ——空间分辨率；mm/像素；
d——玄武岩纤维直径；mm；
根据此方法得到各个纤维束中纤维的数量，从而计算截面中纤维的数量，通过对比，对玄武岩纤维的分散程度进行分析。
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