CN114034636A - 一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定沥青与石料界面粘附性和粘结性开裂比例的方法，属于沥青混合料实验表征领域。主要包括以下步骤：沥青试样制备；界面试样制备；界面试样安装；界面试样保存；在特定温度和拉伸速率条件下进行沥青与石料界面的拉伸破坏试验；根据实际和图像中石料的直径长度、铁锭的直径长度换算确定图像中开裂破坏的面积；黑白二值化处理开裂破坏图像，定义白色区域为粘附性开裂，黑色区域为粘结性开裂；分别统计白色和黑色区域像素值与总开裂区域像素值的比值，计为粘附性开裂比例和粘结性开裂比例。本发明方法提供一种定量评价沥青与石料拉伸破坏时粘附性与粘结性开裂比例的方法，适用于不同原料，具有较好的普适性。
Description
技术领域
本发明涉及道路材料领域，具体涉及一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法。
背景技术
沥青路面作为一种常用的路面结构，相比于砂石路面和水泥混凝土路面，具有噪音小、驾驶体验好、耐久性高等特点，被广泛应用于道路，特别是高等级道路的建设中。但是由于沥青材料的特性，沥青路面在承受车辆荷载的作用下，极易产生各种病害，影响行车舒适度，导致路面结构性能和服役能力下降。沥青路面开裂是路面中最典型也是最严重的病害之一，其会加速沥青路面强度的衰减。沥青混合料的开裂模式可以分为粘附性开裂和粘结性开裂两类。粘附性开裂发生在沥青与集料的粘附界面，粘结性开裂发生在沥青内部。两种开裂模式以一定比例组合，构成了沥青与石料界面的胶结能。因此，确定粘结性与粘附性开裂的比例，对于评价沥青与石料界面之间的胶结强度至关重要。
目前确定沥青与石料界面粘结性和粘附性开裂比例的方法主要是利用便携式附着力测试仪对沥青拉脱后的界面进行分析。便携式附着力测试仪具有体积小、灵敏度高等特点，可以较准确地记录沥青与石料之间的粘附强度。但便携式附着力测试仪只能在标准沥青厚度的情况下进行拉拔试验，无法在特定沥青厚度、试验温度和拉伸速度的条件下对沥青与石料的开裂界面进行评价。同时，使用其确定粘附性和粘结性开裂比例多为直观定性观察，缺少定量评价方法。动态测试系统(DTS)能准确控制环境箱的温度及试验拉伸速度，申请人将依托DTS，利用自制嵌套仪器进行特定沥青膜厚度、温度和拉伸速度条件下沥青与石料界面的拉伸试验，开发出一套确定沥青与石料界面粘结性和粘附性开裂比例的方法。
发明内容
本发明提供了一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，可以有效对沥青与石料拉伸开裂界面进行图像计算，定量确定沥青与石料界面粘结性与粘附性的开裂比例。
一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，包括以下步骤：
(1)沥青试样制备；
(2)界面试样制备；
(3)界面试样安装；
(4)界面试样保存：将安装后的界面试样置于动态测试系统(DTS)加载室中，在恒温保存20分钟；
(5)沥青-石料界面拉伸：在试验机软件中设置拉伸试验所需的拉伸速率，对下部铁夹具进行匀速加载，进行沥青-石料界面的拉伸试验，待观察到沥青与下部石料分离时，停止拉伸试验，并取出固定的石料；
(6)开裂破坏面积确定：平行于拉伸破坏过后的石料表面进行拍照，根据实际石料圆柱底面积直径大小、铁锭直径大小和图像中石料圆柱直径的大小，计算出图像中开裂破坏圆形面积的直径；
(7)拉伸界面图像处理：对步骤(6)中得到的图像进行黑白二值化处理，残留在石料表面的沥青处理为黑，石料表面处理为白，黑色部分区域定义为粘结性开裂，白色部分区域定义为粘附性开裂；
(8)粘附性开裂和粘结性开裂比例计算：依次统计步骤(7)中开裂范围内的像素总值、黑色像素值和白色像素值，计算黑色像素值与像素总值的比值，计为粘结性开裂比例；计算白色像素值与像素总值的比值，计为粘附性开裂比例。
一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，采用动态测试系统，包括：机器测试端和安装在所述机器测试端的夹具；
所述的机器测试端包括测试仪上拉杆和测试仪下部加载盘；
所述的夹具包括：
通过第一螺杆与所述测试仪上拉杆连接的铁锭；
安装在所述铁锭上的沥青膜；
与所述沥青膜连接的石料圆柱；
通过第二螺杆与所述测试仪下部加载盘连接的下部铁夹具。
所述的下部铁夹具内部设有与所述石料圆柱配合的中空，所述的下部铁夹具的圆周上设有固定所述石料圆柱的螺栓。
步骤(1)中，沥青试样制备包括：根据铁锭的底面积计算出拉拔试验时沥青厚度的体积；
根据沥青密度计算出不同体积沥青的质量，并在沥青固态状态下进行称重，保留试样。
步骤(2)中，界面试样制备具体包括：将铁锭及石料圆柱加热，将沥青放在铁锭中央，待沥青初步粘结在铁锭表面后，使用铁锭垂直将沥青按压粘附在石料圆柱上表面，待沥青膜刚好铺满铁锭底面积大小且不溢出时，停止按压，并冷却使沥青凝固，完成界面试样制备；
步骤(2)中，通过控制沥青的不同质量制备不同沥青膜厚度的界面试样。
步骤(3)中，界面试样安装：首先将下部铁夹具安装于动态测试系统(DTS)机器加载室下部加载托盘上，然后将步骤(2)中的界面试样的上部铁锭旋转安装在动态测试系统(DTS)的上部螺杆中，用手托住下部石料圆柱并调节上部螺杆，使其下降石料圆柱待界面试样中的石料圆柱进入下部铁夹具时，停止加载，旋转下部铁夹具中四侧的螺栓，使其固定夹紧下部石料圆柱；
步骤(3)中，固定于动态测试系统(DTS)机器下部加载托盘上的镂空圆柱铁夹具，其圆周间隔90°均匀布置四根螺栓，用以固定置于其中的圆柱石料试样。
步骤(4)中，界面试样保存包括：将安装后的界面试样置于动态测试系统(DTS)加载室中，在10～45℃恒温保存10～50分钟；进一步优选，将安装后的界面试样置于动态测试系统(DTS)加载室中，在25℃恒温保存20分钟；
步骤(6)中，采用公式(1)进行图像中开裂破坏圆形面积直径的确定；
式中D开裂表示计算得出图像中开裂范围的直径，D铁锭表示铁锭的实际底面直径，D石料图像表示图像中石料圆柱的直径，D石料表示石料圆柱的实际底面直径。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明开发出的适用于动态测试系统(DTS)试验机的沥青-石料界面夹具装置，可以快速替换沥青与石料的界面试样，避免传统地将石料粘附在拉伸模具上，节省了试验时间。
(2)本发明提出的沥青与石料拉伸开裂界面的图像处理方法，可以有效对沥青与石料拉伸开裂界面进行图像计算，定量确定沥青与石料界面粘结性与粘附性的开裂比例。
附图说明
图1为本发明实例中制备好的界面试样的结构示意图；
图2为本发明实例中安装在DTS测试仪上的界面试样的结构示意图；
图3为本发明实例中沥青与石料界面图像的处理过程。
具体实施方式
如图1所示，一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，采用动态测试系统，包括：机器测试端和安装在机器测试端的夹具；机器测试端包括测试仪上拉杆1和测试仪下部加载盘7；夹具包括：通过第一螺杆8与测试仪上拉杆1连接的铁锭2；安装在铁锭2上的沥青膜3；与沥青膜3连接的石料圆柱4；通过第二螺杆与测试仪下部加载盘7连接的下部铁夹具5。下部铁夹具5内部设有与石料圆柱4配合的中空，下部铁夹具5的圆周上设有固定石料圆柱4的螺栓6。铁夹具5内径为72mm，外径80mm，高度为70mm。四周间隔90°均匀布置四颗螺栓6，用以固定放入夹具中的石料圆柱4。铁夹具5底部有螺栓孔，用以固定于测试仪下部加载盘7上。
一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，包括以下步骤：
(1)沥青试样制备：根据铁锭的底面积计算出拉拔试验时特定沥青厚度的体积。根据沥青密度计算出特定不同体积沥青的质量，并在沥青固态状态下进行称重，保留试样。
(2)界面试样制备：将铁锭及石料圆柱加热，将特定质量的沥青放在铁锭中央，待沥青初步粘结在铁锭表面后，使用铁锭垂直于石料表面将沥青按压粘附在石料表面。待沥青膜刚好铺满铁锭底面积大小且不溢出时，停止按压，并冷却使沥青凝固。
(3)界面试样安装：首先将下部铁夹具安装于动态测试系统DTS机器加载室下部加载托盘上。然后将步骤(2)中的界面试样的上部铁锭旋转安装在DTS的上部螺杆中，用手托住下部石料并调节上部螺杆，使其下降。待界面试样中的石料进入下部铁夹具时，停止加载。旋转下部夹具中四侧的螺栓，使其固定夹紧下部石料。
(4)界面试样保存：将安装后的界面试样置于DTS加载室中，在特定温度下恒温保存20分钟。
(5)沥青-石料界面拉伸：在试验机软件中设置拉伸试验所需的拉伸速率，对下部铁夹具进行匀速加载，进行沥青-石料界面的拉伸试验。待观察到沥青与下部石料分离或几乎分离时，停止拉伸试验，并取出固定的石料。
(6)开裂破坏面积确定：平行于拉伸破坏过后的石料表面进行拍照。根据实际石料底面积直径大小、铁锭直径大小和图像中石料直径的大小，计算出图像中开裂破坏圆形面积的直径。
(7)拉伸界面图像处理：对步骤(6)中得到的图像进行黑白二值化处理，残留在石料表面的沥青处理为黑，石料表面处理为白。黑色部分区域定义为粘结性开裂，白色部分区域定义为粘附性开裂。
(8)粘附性开裂和粘结性开裂比例计算：依次统计步骤(7)中开裂范围内的像素总值、黑色像素值和白色像素值。计算黑色像素值与像素总值的比值，计为粘结性开裂比例；计算白色像素值与像素总值的比值，计为粘附性开裂比例。
进一步地，步骤(1)中铁锭底面直径为27mm，螺栓接于DTS上部加载螺杆中。
进一步地，步骤(2)中石料底面直径为69mm，平整度小于0.1mm；
进一步地，步骤(3)中铁夹具内径为72mm，外径80mm，高度为70mm。四周间隔90°均匀布置四颗螺栓，用以固定放入夹具中的石料。铁夹具底部有螺栓孔，用以固定于下部加载盘上。
进一步地，步骤(5)中，因沥青常温质地较软，在拉伸过程中难以与下部石料绝对分离。当观察到沥青大部分与底部分离时，即可停止拉伸，同时手动清除少部分未拉断的丝状沥青，保持开裂表面清晰。
进一步地，步骤(6)中图像中开裂破坏圆形面积直径的换算公式如下：
式中D开裂表示计算得出图像中开裂范围的直径，D铁锭表示铁锭的实际底面直径，D石料图像表示图像中石料的直径，D石料表示石料的实际底面直径。
为了更详细清晰地说明本发明的具体操作方法，下面以计算实例对发明的实施方式进行说明，具体步骤如下：
(1)沥青试样制备：制备沥青膜厚度为1.5mm的沥青时，根据铁锭底面直径27mm可计算出所需沥青体积为：
由沥青密度1.02g/cm3,可得到所需沥青质量为：
m沥青＝ρ沥青·V沥青＝1.02×572.56×10-3＝0.584g
在固态沥青状态下称量该质量的沥青，并进行保存，进行后续实验。
(2)界面试样制备：将铁锭底面和石料表面进行加热，将步骤(1)中的沥青试样放在铁锭中央，待沥青初步粘结在铁锭表面后，使用铁锭将沥青按压粘附在石料表面。待沥青膜刚好铺满铁锭底面积大小且不溢出时，停止按压，并冷却使沥青凝固。制备好的界面试样如图1所示。
(3)界面试样安装：首先将铁夹具安装于动态测试系统DTS机器加载室下部加载托盘上。然后将步骤(2)中界面试样的上部铁锭旋转安装在DTS的上部螺杆中，用手托住下部石料并调节上部螺杆，使其下降。待界面试样中的石料进入下部铁夹具时，停止加载。旋转下部夹具中四侧的螺栓，使其固定夹紧下部石料。安装好的界面试样如图2所示。
(4)界面试样保存：将安装后的界面试样置于DTS加载室中，在特定25℃下恒温保存20分钟。
(5)沥青-石料界面拉伸：在试验机软件中设置拉伸速率为10mm/min，对下部铁夹具进行匀速加载，进行沥青-石料界面的拉伸试验。待观察到沥青与下部石料分离时，停止拉伸试验，并取出固定的石料。
(6)开裂破坏面积确定：平行于拉伸破坏过后的石料表面进行拍照。根据实际石料底面积直径大小、铁锭直径大小和图像中石料直径的大小，按照下式计算出图像中开裂破坏圆形面积的直径：
式中D开裂表示计算得出图像中开裂范围的直径，D铁锭表示铁锭的实际底面直径，D石料图像表示图像中石料的直径，D石料表示石料的实际底面直径。标定过程如图3所示。
(7)拉伸界面图像处理：对步骤(6)中得到的图像进行黑白二值化处理，残留在石料表面的沥青处理为黑，石料表面处理为白。黑色部分区域定义为粘结性开裂，白色部分区域定义为粘附性开裂。处理后的图像如图3(3)所示。
(8)粘附性开裂和粘结性开裂比例计算：依次统计步骤(7)中开裂范围内的像素总值、黑色像素值和白色像素值。计算黑色像素值与像素总值的比值，计为粘结性开裂比例；计算白色像素值与像素总值的比值，计为粘附性开裂比例。本例计算结果如表1所示。
表1
| 沥青与石料界面开裂类型 | 像素值 | 总像素值 | 开裂比例(％) |
| 粘附性开裂(白色区域) | 28029 | 89740 | 31.23 |
| 粘结性开裂(黑色区域) | 61711 | 89740 | 68.77 |
Claims (8)
1.一种确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)沥青试样制备；
(2)界面试样制备；
(3)界面试样安装；
(4)界面试样保存；
(5)沥青-石料界面拉伸：在试验机软件中设置拉伸试验所需的拉伸速率，对下部铁夹具进行匀速加载，进行沥青-石料界面的拉伸试验，待观察到沥青与下部石料分离时，停止拉伸试验，并取出固定的石料；
(6)开裂破坏面积确定：平行于拉伸破坏过后的石料表面进行拍照，根据实际石料圆柱底面积直径大小、铁锭直径大小和图像中石料圆柱直径的大小，计算出图像中开裂破坏圆形面积的直径；
(7)拉伸界面图像处理：对步骤(6)中得到的图像进行黑白二值化处理，残留在石料表面的沥青处理为黑，石料表面处理为白，黑色部分区域定义为粘结性开裂，白色部分区域定义为粘附性开裂；
(8)粘附性开裂和粘结性开裂比例计算：依次统计步骤(7)中开裂范围内的像素总值、黑色像素值和白色像素值，计算黑色像素值与像素总值的比值，计为粘结性开裂比例；计算白色像素值与像素总值的比值，计为粘附性开裂比例。
2.根据权利要求1所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，采用动态测试系统，包括：机器测试端和安装在所述机器测试端的夹具；
所述的机器测试端包括测试仪上拉杆和测试仪下部加载盘；
所述的夹具包括：
通过第一螺杆与所述测试仪上拉杆连接的铁锭；
安装在所述铁锭上的沥青膜；
与所述沥青膜连接的石料圆柱；
通过第二螺杆与所述测试仪下部加载盘连接的下部铁夹具。
3.根据权利要求2所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，所述的下部铁夹具内部设有与所述石料圆柱配合的中空，所述的下部铁夹具的圆周上设有固定所述石料圆柱的螺栓。
4.根据权利要求1所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，步骤(1)中，沥青试样制备包括：根据铁锭的底面积计算出拉拔试验时沥青厚度的体积；
根据沥青密度计算出不同体积沥青的质量，并在沥青固态状态下进行称重，保留试样。
5.根据权利要求1所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，步骤(2)中，界面试样制备具体包括：将铁锭及石料圆柱加热，将沥青放在铁锭中央，待沥青初步粘结在铁锭表面后，使用铁锭垂直将沥青按压粘附在石料圆柱上表面，待沥青膜刚好铺满铁锭底面积大小且不溢出时，停止按压，并冷却使沥青凝固，完成界面试样制备。
6.根据权利要求1所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，步骤(3)中，界面试样安装：首先将下部铁夹具安装于动态测试系统的机器加载室下部加载托盘上，然后将步骤(2)中的界面试样的上部铁锭旋转安装在动态测试系统的上部螺杆中，用手托住下部石料圆柱并调节上部螺杆，使其下降石料圆柱待界面试样中的石料圆柱进入下部铁夹具时，停止加载，旋转下部铁夹具中四侧的螺栓，使其固定夹紧下部石料圆柱。
7.根据权利要求1所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，步骤(4)中，界面试样保存包括：将安装后的界面试样置于动态测试系统的加载室中，在10～45℃恒温保存10～50分钟。
8.根据权利要求1所述的确定沥青与石料界面粘附性与粘结性开裂比例的方法，其特征在于，步骤(6)中，采用公式(1)进行图像中开裂破坏圆形面积直径的确定；
式中D开裂表示计算得出图像中开裂范围的直径，D铁锭表示铁锭的实际底面直径，D石料图像表示图像中石料圆柱的直径，D石料表示石料圆柱的实际底面直径。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220211 |