CN114034617B - 一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，步骤如下：制备沥青混合料车辙板试件并切割钻芯，对芯样进行CT断层扫描；将扫描获取的投影图像进行叠加重构和形态学处理，阈值分割识别芯样的空隙、沥青砂浆和集料；计算重构模型的空隙率对比试样的真实空隙率，利用最大球算法提取试样的空隙球棍体系对空隙的三维分布进行可视化表征；计算空隙球棍模型的配位数、空隙连通而成喉道的等效长度以评价空隙连通程度；对轮碾过的芯样再次进行CT扫描，以扫描前后的连通参数变化率反映混合料空隙结构的稳定性。本发明为在三维尺度层面表征混合料的空隙连通性提供了新颖途径，有助于全面理解沥青混合料空隙的空间分布特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，涉及道路工程技术领域。
背景技术
作为一种多相非均质材料，沥青混合料由沥青、集料和分散在两相之间的空隙构成。沥青路面在服役过程中，由于不可避免受到雨水的侵蚀作用，水分很容易渗透进沥青混合料的内部空隙间从而破坏沥青与集料的粘结，导致沥青从集料表面脱落进而产生松散、剥落等病害。由于空隙是水分渗流的主要通道，其连通性是影响沥青混合料骨架稳定性、抗水损害性能的重要因素。对沥青混合料空隙连通性的分析，以往只能采用宏观渗透试验或空隙率大致评判，然而上述方法无法可视化内部空隙结构的分布和连通特性。
由于物质密度等材料属性的差异可以通过X射线的衰减率来体现，作为无损检测手段的X-ray CT技术为从三维尺度评判混合料的空隙连通性为提供了可能。X射线扫描重构的模型最突出的优势是混合料多相结构的准确识别。对于重构后的沥青混合料CT截面图像，黑色区域意味着低射线吸收区，也即低密度的空隙；灰色发亮的区域表示高射线吸收区，如高密度的集料；沥青砂浆则介于两者之间。近来CT扫描虽已逐渐用于混合料空隙的可视化及表征，然而目前，大多数对混合料空隙的研究还是停留在对沥青混合料的切片图像进行简单的线性叠加，并没有考虑空隙结构在竖直方向上的随机性和变异性。此外，研究集中于对空隙分布特征的规律性描述，而忽略了连通性对沥青混合料抗水损害性能的影响。因此，亟需提出一种直接从三维尺度表征沥青混合料空隙连通行为的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，在三维尺度层面直接表征混合料的空隙连通性，所述方法有助于全面理解沥青混合料空隙的空间分布特征，可以为优化和加强沥青混合料的组成设计提供理论依据。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，包括如下步骤：
步骤1，制备沥青混合料车辙板试件并切割钻芯，对芯样进行CT断层扫描；
步骤2，将扫描获取的投影图像进行叠加重构和形态学处理，阈值分割识别芯样的空隙、沥青砂浆和集料；
步骤3，计算重构模型的空隙率对比试样的真实空隙率，利用最大球算法提取试样的空隙球棍体系对空隙的三维分布进行可视化表征；
步骤4，计算空隙球棍模型的配位数、空隙连通而成喉道的等效长度以评价空隙连通程度；
步骤5，将步骤1扫描过的芯样放回车辙板并进行轮碾试验，取出轮碾过的芯样再次进行CT扫描，以扫描前后的连通参数变化率反映混合料空隙结构的稳定性。
作为本发明的一种优选方案，步骤1的具体过程如下：
步骤11，进行马歇尔击实试验确定混合料的最佳油石比，采用轮碾法成型对应混合料的板块状试样，最佳油石比的确定过程依据规范，结合目标空隙率、饱和度中值、稳定度、流值等四个指标综合确定；
步骤12，采用高精度切割机对步骤11得到的试样两边进行切割，随即采用取芯机对试样进行钻芯；
步骤13，使用德国Phoenix v|tome|xm工业计算机断层扫描仪对沥青混合料芯样进行旋转一周式扫描，从而得到混合料芯样的投影图像。
作为本发明的一种优选方案，步骤2的具体过程如下：
步骤21，投影图像被导入VGStudio MAX软件进行三维重构，利用软件的堆栈功能对投影图像进行叠加生成初始的三维结构模型；
步骤22，对芯样的投影图像依次进行对比度拉伸增强、3×3矩阵式均值滤波降噪、腐蚀、膨胀形态学处理，并在处理过的投影图像中选取固定尺寸的感兴趣区(ROI)用于分割；
步骤23，采用OTSU阈值分割方法对三维结构模型感兴趣区中空隙与集料及沥青砂浆进行分割，三维结构模型中的黑色区域代表低密度的空隙，灰色发亮区表示高密度的集料，沥青砂浆的灰度则介于两者之间。
作为本发明的一种优选方案，步骤3的具体过程如下：
步骤31，利用VGStudio MAX提取分割后ROI内空隙的体积参数，从而计算空隙率，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0705-2011对扫描的样品进行空隙率测试获取样品的实测空隙率，将扫描计算的空隙率与芯样实测空隙率进行比较，验证阈值分割的准确性：如若空隙率相差在≤5％内，则可认为分割选取的阈值准确；如若空隙率相差不合要求，则返回步骤23重新进行灰度阈值的选定直到计算和实测空隙率满足要求；
空隙率的计算，经过步骤23的阈值分割后，沥青混合料样品的三相即沥青砂浆、集料和空隙以不同的灰度被分割开，VGStudio MAX软件可以提取分割开的空隙并自动计算相应三维结构模型ROI的整体体积和空隙体积，以空隙体积/ROI体积即可获得样品的扫描空隙率；
步骤32，将步骤31中经过阈值分割、符合空隙率要求的重构三维结构模型导入AVIZO软件中，基于体积等效的最大球算法提取芯样的空隙球棍模型，空隙等效球棍模型的实现算法如下：以空隙体积中的任意一体素为球体增长的原点，不断增大球体半径直至接触沥青砂浆时停止，并以此半径的球体为此空隙的最大球，球体之间通过棍棒连接起来，棍棒的长度是基于两个连通空隙形成喉道的体积等效。
作为本发明的一种优选方案，步骤4的具体过程如下：
步骤41，利用AVIZO集成的球棍模型配位数统计方法计算识别的各等效空隙的平均配位数来评价空隙的连通水平，平均配位数计算如下：
式中为沥青混合料选定ROI内空隙的平均配位数；N为ROI内空隙总数；/>为第i个空隙的配位数；
步骤42，球体和棍棒的体积是通过关联原始图像体素来计算的，空隙间距小于40μm被认为是相互连通的，可以形成喉道(棍棒)；划分空隙(球体)空间区域和连通区(棍)空间区域之后，去除空隙后即得到被各个空隙分割的喉道，棍棒长度L可用来等效表征空隙间连通区域的长度；棍棒的实际长度等于其相连的两个空隙中心点之间的距离，减去两个空隙单元体的半径，其计算公式如下：
L＝D-R1-R2,
式中，R1、R2为通过同一棍棒相连的空隙半径；D为这两个空隙之间的中心点距离；
步骤43，采用对数正态分布函数对球棍模型识别的空隙等效连通长度进行拟合，对数正态分布的概率密度函数为：
利用OriginPro的非线性拟合模块获取L分布的拟合参数，进一步求得对数正态分布的期望和方差/>评价沥青混合料空隙连通长度的均值水平和离散程度。
最大球算法提取芯样的空隙球棍模型，提取后混合料转化为球与棍之间彼此相连的等效体。球体即为空隙，棍棒即为空隙之间的连通通道。将三维结构模型按球棍模型等效后，可以根据权5提出的平均配位数和等效连通长度对空隙连通性进行表征和评价。
配位数定义为一个空隙附近与其相连通的其他空隙的数目，连通即空隙与空隙之间的距离小于分辨率40μm。平均配位数则按照识别出的所有空隙数目将配位数进行平均；
距离小于40μm的空隙被认为是连通的，棍棒是根据连通空隙之间的体积等效，因此根据连通空隙间的棍棒长度可以评价空隙间的连通水平。对棍棒长度的分布规律进行拟合，长度的期望越大，表明空隙间的连通通道越长，水分在其中可以形成更长的渗透与流动通道，不利于抗水损害性能的提升。
作为本发明的一种优选方案，步骤5的具体过程如下：
步骤51，将扫描完成的芯样重新放入步骤11成型的车辙板，将芯样周围的缝隙用细砂填满以实现对芯样的固定，随后依据JTG E20进行车辙试验，试验结束后取出轮碾过的芯样；
步骤52，将步骤51经过轮碾的芯样重复步骤13至步骤43的过程，以轮碾前后空隙配位数变化率、等效连通长度的对数正态分布期望变化率评价沥青混合料空隙结构的稳定性。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明利用CT断层扫描技术，提出了一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，实现了在三维层面直接表征和评价沥青混合料空隙的空间分布状态。由体积等效的球棍模型可以有效表征沥青混合料的真实空隙拓扑结构，并可通过平均配位数和由喉道等效的连通长度评价空隙间的连通行为。量化三维尺度的连通数量及形式可得出沥青混合料中空隙相互连通的程度，突破了以往对沥青混合料的切片图像进行简单线性叠加分析空隙的局限，有助于全面理解沥青混合料空隙的空间分布特征，可以为优化和加强沥青混合料的组成设计提供创新解释和理论依据。
附图说明
图1是本发明一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法流程图；
图2是本发明中形态学处理过的沥青混合料芯样CT扫描灰度图；
图3是本发明中沥青混合料芯样某一层CT扫描的空隙二值化图像示意图；
图4是本发明中芯样空隙重构的示意图；
图5是本发明中芯样空隙等效球棍模型的示意图；
图6是本发明中芯样放入板内进行车辙试验的示意图；
图7是本发明中车辙前后空隙连通参数变化率的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明提出的一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，具体步骤如下：
(1)制备沥青混合料车辙板试件并切割钻芯，对芯样进行CT断层扫描；
1)进行马歇尔击实试验确定5种沥青混合料的最佳油石比，采用轮碾法成型对应混合料的板块状试样，车辙板试样长300mm，宽300mm，高50mm；
2)采用高精度切割机对步骤11得到的试样两边进行切割，随即采用取芯机对试样进行钻芯，钻芯得到的芯样尺寸直径50mm，高50mm；
3)使用德国Phoenix v|tome|xm工业计算机断层扫描仪对沥青混合料芯样进行旋转一周式扫描，扫描电流250μA，电压200kV，样品的体素分辨率为40μm，扫描时间40min，放大倍数5倍，从而得到混合料芯样的投影图像；
(2)将扫描获取的投影图像进行叠加重构和形态学处理，阈值分割识别芯样的空隙、沥青砂浆和集料；
1)投影图像被导入VGStudio MAX软件进行三维重构，利用软件的堆栈功能对投影图像进行叠加生成初始的三维结构模型；
2)详见图2，对芯样的投影图像依次进行对比度拉伸增强、3×3矩阵式均值滤波降噪、腐蚀、膨胀等形态学处理，并在处理过的三维模型中选取固定尺寸的感兴趣区(ROI)用于分割；
3)详见图3，采用OTSU阈值分割方法对沥青混合料芯样扫描图像中空隙与集料及沥青砂浆进行分割和二值化处理，模型中的黑色区域代表空隙，灰色发亮区表示集料，沥青砂浆的灰度则介于两者之间；
(3)计算重构模型的空隙率对比试样的真实空隙率，利用最大球算法提取试样的空隙球棍体系对空隙的三维分布进行可视化表征；
1)利用VGStudio MAX提取分割后ROI内空隙的体积参数，从而计算空隙率，将计算空隙率与芯样实测空隙率进行比较，验证阈值分割的准确性；
2)详见图4，将处理过的重构模型导入AVIZO软件中，基于体积等效的最大球算法提取芯样的空隙球棍模型，详见图5，空隙等效球棍模型的实现算法如下：以空隙体积中的任意一体素为球体增长的原点，不断增大球体半径直至接触沥青砂浆时停止，并以此半径的球体为此空隙的最大球，球体之间通过棍棒连接起来，棍棒的长度是基于两个连通空隙形成喉道的体积等效；
(4)计算空隙球棍模型的配位数、空隙连通而成喉道的等效长度以评价空隙连通程度；
1)利用AVIZO集成的球棍模型配位数统计方法计算识别的各等效空隙的平均配位数来评价空隙的连通水平，平均配位数越大，空隙连通程度越高，混合料的抗水损害性能越差，平均配位数的计算公式如下：
式中为沥青混合料选定ROI内空隙的平均配位数；N为ROI内空隙总数；/>为第i个空隙的配位数；
详见表1，平均配位数排序为混合料5>混合料3>混合料2>混合料4>混合料1，混合料5更容易形成相互连通的空隙结构，意味着其混合料更容易受到外界水分的侵蚀，其抗水损害能力最差；混合料1中空隙的连通程度最低，抵抗水损害能力最优。
表1依据等效球棍模型计算而得的平均配位数
| 混合料类型 | 混合料1 | 混合料2 | 混合料3 | 混合料4 | 混合料5 |
| 平均配位数 | 0.121 | 0.186 | 0.229 | 0.172 | 0.231 |
2)球体和棍棒的体积是通过关联原始图像体素来计算的。划分空隙(球体)空间区域和连通区(棍)空间区域之后，去除空隙后即得到被各个空隙分割的喉道，棍棒长度L可用来等效表征空隙间连通区域的长度。棍棒的实际长度等于其相连的两个空隙中心点之间的距离，减去两个空隙单元体的半径，其计算公式如下：
L＝D-R1-R2,
式中，R1、R2为通过同一喉道相连的空隙半径；D为这两个空隙之间的中心点距离；
3)采用对数正态分布函数对球棍模型识别的空隙等效连通长度进行拟合，对数正态分布的概率密度函数为：
利用OriginPro的非线性拟合模块获取L分布的拟合参数，如表2，进一步求得对数正态分布期望和方差/>评价沥青混合料空隙连通长度的均值水平和离散程度；
表2空隙等效连通长度L的对数正态分布拟合结果
| 拟合参数 | 混合料1 | 混合料2 | 混合料3 | 混合料4 | 混合料5 |
| y0 | -0.6884 | -0.8551 | -0.8653 | 0.0650 | -0.1664 |
| xc | 1.2857 | 1.4495 | 1.5436 | 1.5545 | 1.5589 |
| w | 0.4643 | 0.5643 | 0.6361 | 0.5326 | 0.6359 |
| A | 27.9552 | 55.3411 | 56.6844 | 49.5808 | 52.0410 |
| μ | 1.4320 | 1.6997 | 1.8897 | 1.7914 | 1.9083 |
| σ | 0.7024 | 1.0407 | 1.3347 | 1.0259 | 1.3472 |
| R2 | 0.9929 | 0.9955 | 0.9947 | 0.9976 | 0.9975 |
如表3，5种沥青混合料空隙间喉道的等效连通长度排序为混合料5>混合料3>混合料4>混合料2>混合料1，与平均配位数的规律基本一致，混合料5中空隙相互连通倾向于形成更长的喉道，这意味着水分在其中可以形成更长的流动通道，这同样不利于抗水损害性能的提升。
表3空隙等效连通长度L的期望
| 混合料类型 | 混合料1 | 混合料2 | 混合料3 | 混合料4 | 混合料5 |
| 等效连通长度期望 | 5.358 | 9.405 | 16.125 | 10.152 | 16.706 |
(5)将扫描过的芯样放回车辙板并进行轮碾试验，取出轮碾过的芯样再次进行CT扫描，以扫描前后的连通参数变化率反映混合料空隙结构的稳定性。
1)详见图6，将扫描完成的芯样重新放入步骤(1)成型的车辙板，将芯样周围的缝隙用细砂填满以实现对芯样的固定，随后依据JTG E20进行车辙试验，试验结束后取出轮碾过的芯样；
2)将经过轮碾的芯样重复步骤(1)—(4)过程，以轮碾前后空隙配位数变化率、等效连通长度的对数正态分布期望变化率评价沥青混合料空隙结构的稳定性。
详见图7，从空隙平均配位数和等效连通长度的变化率综合来看，混合料1的两个细观参数变化率较低，其空隙结构对轮碾作用最不敏感；相反混合料3和5的空隙连通性参数具有较大的变化率，由于具有更长的连通路径和更多的连通区域，两种混合料更容易在荷载作用下被压密，因而空隙的连通参数变化更显著。
综上所述，本发明利用CT断层扫描技术，提出了一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，实现了在三维层面直接表征和评价沥青混合料空隙的空间分布状态。由体积等效的球棍模型可以有效表征沥青混合料的真实空隙拓扑结构，并可通过平均配位数和由喉道等效的连通长度评价空隙间的连通行为。量化三维尺度的连通数量及形式可得出沥青混合料中空隙相互连通的程度，突破了以往对沥青混合料的切片图像进行简单线性叠加分析空隙的局限，有助于全面理解沥青混合料空隙的空间分布特征，可以为优化和加强沥青混合料的组成设计提供创新解释和理论依据。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备沥青混合料车辙板试件并切割钻芯，对芯样进行CT断层扫描；
步骤2，将扫描获取的投影图像进行叠加重构和形态学处理，阈值分割识别芯样的空隙、沥青砂浆和集料；
步骤3，计算重构模型的空隙率对比试样的真实空隙率，利用最大球算法提取试样的空隙球棍体系对空隙的三维分布进行可视化表征；
步骤4，计算空隙球棍模型的配位数、空隙连通而成喉道的等效长度以评价空隙连通程度；
步骤5，将步骤1扫描过的芯样放回车辙板并进行轮碾试验，取出轮碾过的芯样再次进行CT扫描，以扫描前后的连通参数变化率反映混合料空隙结构的稳定性，其中，所述空隙球棍模型是以空隙体积中的任意一体素为球体增长的原点，不断增大球体半径直至接触沥青砂浆时停止，并以此半径的球体为此空隙的最大球，球体之间通过棍棒连接起来，棍棒的长度是基于两个连通空隙形成喉道的体积等效。
2.根据权利要求1所述沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：
步骤11，进行马歇尔击实试验确定混合料的最佳油石比，采用轮碾法成型对应混合料的板块状试样；
步骤12，采用高精度切割机对步骤11得到的试样两边进行切割，随即采用取芯机对试样进行钻芯；
步骤13，使用德国Phoenix v|tome|xm工业计算机断层扫描仪对沥青混合料芯样进行旋转一周式扫描，从而得到混合料芯样的投影图像。
3.根据权利要求1所述沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
步骤21，投影图像被导入VGStudio MAX软件进行三维重构，利用软件的堆栈功能对投影图像进行叠加生成初始的三维结构模型；
步骤22，对芯样的投影图像依次进行对比度拉伸增强、3×3矩阵式均值滤波降噪、腐蚀、膨胀形态学处理，并在处理过的投影图像中选取固定尺寸的感兴趣区用于分割；
步骤23，采用OTSU阈值分割方法对三维结构模型中空隙与集料及沥青砂浆进行分割，三维结构模型中的黑色区域代表低密度的空隙，灰色发亮区表示高密度的集料，沥青砂浆的灰度则介于两者之间。
4.根据权利要求1所述沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：
步骤31，利用VGStudio MAX提取分割后感兴趣区内空隙的体积参数，从而计算空隙率，对扫描的样品进行空隙率测试获取样品的实测空隙率，将扫描计算的空隙率与芯样实测空隙率进行比较，验证阈值分割的准确性：如若空隙率相差在5％内，则可认为分割选取的阈值准确；如若空隙率相差不合要求，则返回步骤23重新进行灰度阈值的选定直到计算和实测空隙率满足要求；
步骤32，将步骤31中经过阈值分割、符合空隙率要求的重构三维结构模型导入AVIZO软件中，基于体积等效的最大球算法提取芯样的空隙球棍模型，空隙等效球棍模型的实现算法如下：以空隙体积中的任意一体素为球体增长的原点，不断增大球体半径直至接触沥青砂浆时停止，并以此半径的球体为此空隙的最大球，球体之间通过棍棒连接起来，棍棒的长度是基于两个连通空隙形成喉道的体积等效。
5.根据权利要求1所述沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：
步骤41，利用AVIZO集成的球棍模型配位数统计方法计算识别的各等效空隙的平均配位数来评价空隙的连通水平，平均配位数计算如下：
式中为沥青混合料选定ROI内空隙的平均配位数；N为ROI内空隙总数；/>为第i个空隙的配位数；
步骤42，球体和棍棒的体积是通过关联原始图像体素来计算的，空隙间距小于40μm被认为是相互连通的，可以形成喉道；划分空隙空间区域和连通区空间区域之后，去除空隙后即得到被各个空隙分割的喉道，棍棒长度L可用来等效表征空隙间连通区域的长度；棍棒的实际长度等于其相连的两个空隙中心点之间的距离，减去两个空隙单元体的半径，其计算公式如下：
L＝D-R1-R2,
式中，R1、R2为通过同一棍棒相连的空隙半径；D为这两个空隙之间的中心点距离；
步骤43，采用对数正态分布函数对球棍模型识别的空隙等效连通长度进行拟合，对数正态分布的概率密度函数为：
利用OriginPro的非线性拟合模块获取L分布的拟合参数，进一步求得对数正态分布的期望和方差/>评价沥青混合料空隙连通长度的均值水平和离散程度。
6.根据权利要求1所述沥青混合料三维空隙连通性的表征和评价方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程如下：
步骤51，将扫描完成的芯样重新放入步骤11成型的车辙板，将芯样周围的缝隙用细砂填满以实现对芯样的固定，随后依据JTG E20进行车辙试验，试验结束后取出轮碾过的芯样；
步骤52，将步骤51经过轮碾的芯样重复步骤13至步骤43的过程，以轮碾前后空隙配位数变化率、等效连通长度的对数正态分布期望变化率评价沥青混合料空隙结构的稳定性。
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