CN115908291A - 一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，该方法包括：获取沥青混合料的切片图像；基于沥青混合料的切片图像获取沥青混合料的细观评价指标；根据沥青混合料的细观评价指标对沥青混合料进行室内马歇尔试验，得到验证结果。通过使用本发明，能够通过对马歇尔试件的切片图像的细观结构进行分析预估设计级配的抗车辙性能从而提高沥青混合料的路用性能。本发明作为一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，可广泛应用于道路工程技术领域。

Description

一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法。

背景技术

沥青混合料由集料、沥青胶浆和空隙等组成，其力学行为由三相组分材料的体积含量和空间分布共同决定，其中，沥青混合料抗车辙性能直接影响沥青路面结构强度和使用耐久性，沥青混合料是典型的颗粒物质材料，集料在混合料内的分布对沥青混合料的性能有着重要影响，沥青混合料内部结构中，粗集料构成主骨架，细集料、沥青和其它外掺剂构成的沥青胶浆填充主骨架之间的空隙，其中沥青混合料主骨架是抵抗外部荷载的主要载体，对于湿热重交通复杂环境，保证粗集料相互嵌挤构成强有力的骨架结构，是设计骨架密实型沥青混合料和提高其抗车辙性能的关键要点，现阶段对于沥青混合料的骨架结构的评价以宏观定性指标VCA_min≤VCA_DRC作为依据，但是，现阶段的技术对于这两个指标不仅在室内试件制作和体积指标计算方法上存在较大的误差差异，这也导致现阶段难以很好的客观的评价沥青混合料的骨架结构，沥青混合料是典型的颗粒物质体系，宏观尺度上被简化为均质非线性粘弹性材料，但基于细观尺度，沥青混合料由线弹性的粗集料颗粒和粘弹性的沥青胶浆组成的非均质颗粒材料，相互接触的粗集料构成主骨架，因此，为提高沥青混合料的抗车辙性能，需克服以往宏观评价的限制，基于细观尺度对沥青混合料内部骨架结构进行深入剖析，揭示沥青混合料非均质复合材料的行为特征，进一步提高沥青混合料的车辙性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，能够通过对马歇尔试件的切片图像的细观结构进行分析预估设计级配的抗车辙性能从而提高沥青混合料的路用性能。

本发明所采用的第一技术方案是：一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，包括以下步骤：

获取沥青混合料的切片图像；

基于沥青混合料的切片图像获取沥青混合料的细观评价指标；

根据沥青混合料的细观评价指标对沥青混合料进行室内马歇尔试验，得到验证结果。

进一步，所述获取沥青混合料的切片图像这一步骤，其具体包括：

设定级配最大公称粒径；

根据级配最大公称粒径制作马歇尔试件；

对马歇尔试件进行横向切割处理，获取马歇尔试件的切割剖面；

通过相机对马歇尔试件的切割剖面进行拍摄处理，得到沥青混合料的切片图像。

进一步，所述基于沥青混合料的切片图像获取沥青混合料的细观评价指标这一步骤，其具体包括：

对沥青混合料的切片图像进行图像预处理，得到预处理后的沥青混合料切片图像；

对预处理后的沥青混合料切片图像进行集料识别分析，得到接触链网络结构；

对接触链网络结构进行分析，获取沥青混合料切片图像的评价参数；

结合沥青混合料切片图像的评价参数与级配最大公称粒径，构建沥青混合料的细观评价指标。

进一步，所述对沥青混合料的切片图像进行图像预处理，得到预处理后的沥青混合料切片图像这一步骤，其具体包括：

通过自适应算法对沥青混合料的切片图像进行二值化处理，得到沥青混合料二值化图像；

对沥青混合料二值化图像进行移除集料表面噪声与细集料处理，得到移除后的沥青混合料切片图像；

通过分水岭算法对移除后的沥青混合料切片图像中的黏连颗粒进行分离处理，得到预处理后的沥青混合料切片图像。

进一步，所述对预处理后的沥青混合料切片图像进行集料识别分析，得到接触链网络结构这一步骤，其具体包括：

对预处理后的沥青混合料的切片图像进行边缘检测处理，获取图像的粗集料轮廓线；

根据图像的粗集料轮廓线计算粗集料的面积并进行转换处理，得到粗集料的等效直径；

通过暴力算法对预处理后的沥青混合料的切片图像进行分析，获取沥青混合料切片图像中的接触粗集料；

结合粗集料的等效直径，对沥青混合料切片图像中的接触粗集料的接触点坐标进行连接，构建接触链网络结构。

进一步，所述细观评价指标具体包括最长接触链粗集料数量、网络模块度和骨架模块度，其中，所述最长接触链粗集料数量的计算公式为：

上式中，N表示接触链中粗集料总数量，n_i表示接触链中某一粗集料；

所述骨架模块度Q计算公式为；

上式中，N_m表示网络模块度，l_i表示第i个模块中所有边的数量，d_i表示第i个模块中所有节点的度的总和，m表示网络中所有边的总和。

进一步，所述细观评价指标的标准具体包括：

所述最长接触链粗集料数量大于或等于50；

所述接触链网络模块度数量小于或等于10；

所述骨架模块度小于或等于0.5。

进一步，还包括对于不符合细观评价指标的马歇尔试件进行重新设定级配最大公称粒径。

进一步，所述验证结果其具体包括沥青混合料的体积指标和最佳油石比。

本发明方法的有益效果是：本发明通过选取设计级配最大公称粒径制作室内马歇尔试件，进一步通过相机获取马歇尔试件的切片图像并进行图像预处理，预处理后的图像可以直接获取到马歇尔试件的细观结构，进一步对图像细观结构进行分析预估设计级配的抗车辙性能，可大量减少室内试验工作量，避免设计失败的风险，将后期的沥青混合料路用性能验证置于前期马歇尔设计阶段，能更好地反映沥青混合料内部骨架复杂网络的细观构成，评价方法简单快速，直观方便，可有效提高沥青混合料的路用性能，提升沥青路面施工建设质量，节省工程造价。

附图说明

图1是本发明一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法的步骤流程图；

图2是本发明对一种沥青混合料骨架细观结构进行试验评价的流程示意图；

图3是本发明沥青混合料马歇尔试件切割示意图；

图4是本发明马歇尔试件切片拍照示意图；

图5是本发明沥青混合料接触链复杂网络结构图像；

附图标记：1、切割位置；2、马歇尔试件切片；3、高清数码相机支架；4、高清数码相机；5、工作台；6、拍摄照片的马歇尔试件切片；7、骨架结构接触链复杂网络。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1和图2，本发明提供了一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，该方法包括以下步骤：

S1、选定设计级配最大公称粒径；

具体地，根据道路交通量和《公路沥青路面设计规范》(JTG D50)确定设计级配类型。如沥青上面层采用AC-13，中面层采用AC-20，下面层采用AC-25，则上面层设计级配最大公称粒径为13.2mm，中面层设计级配最大公称粒径为19.0mm，下面层设计级配最大公称粒径为26.5mm。

S2、初定级配，制作马歇尔试件；

具体地，用马歇尔击实仪制作3组沥青混合料马歇尔试件，试件尺寸为φ101.6mm×63.5mm，击实次数为双面75次。

S3、横向切割马歇尔试件，拍照获取沥青混合料切片图像；

具体地，利用小型切割机具切割马歇尔试件，切割间距根据切割机具确定，一般为10mm，将沥青混合料马歇尔试件切片放置于工作台上，用支架支起高清数码相机拍摄料马歇尔试件截面，试件截面须与清数码相机的镜头平行，距离为10cm，每组级配制作3组马歇尔平行试件，可至少获得30张切片。

S4、对沥青混合料的切片图像进行图像处理与接触分析，随后获取沥青混合料骨架结构接触链复杂网络图像，获取沥青混合料接触链复杂网络细观评价指标；

S41、对沥青混合料的切片图像进行图像预处理；

具体地，沥青混合料切片图像处理，主要步骤包括图像初步二值化、移除集料表面噪声、移除细集料、分离黏连颗粒等，其中，所述对沥青混合料二值化图像进行移除集料表面噪声处理，具体为识别各集料的边缘轮廓后，去除轮廓范围内的图像噪声，得到移除集料表面噪声后的沥青混合料切片图像，通过分水岭算法对沥青混合料切片图像中的黏连颗粒进行分离处理，具体为识别各集料的边缘轮廓线，如集料具有凹形轮廓线且此范围内的灰度值相对较小，则判定集料可能发生黏连。随后，以可能发生黏连的两颗集料形心为基准，将集料按形状比例缩小为现状面积的80％，使得黏连处分离，然后将集料按比例放大至原来的形状和面积，得到预处理后的沥青混合料切片二值化图像，即最终获得只包含粗集料的沥青混合料二值化图像，其中，采用自适应算法对图像进行二值化，采用分水岭算法分离黏连颗粒。

S42、对预处理后的沥青混合料切片图像进行集料识别分析与分析；

具体地，对二值化集料进行边缘检测，获取图像中集料轮廓线，计算各集料的面积并转换成等效直径，然后，输入最小计算粒径和接触阈值，采用暴力算法获得图像中接触粗集料，并作好标记，所述暴力算法具体为将集料轮廓线以1mm为基准平均划分，获得各计算点的坐标。然后与临近集料轮廓线计算点对比，获得两集料之间的最短距离。如两集料之间的最短距离小于设置的接触阈值，则判定两颗集料发生接触。依此类推，获取沥青混合料切片图像中的接触粗集料，在此基础上，连接接触粗集料的形心即接触点坐标，形成接触链复杂网络结构，根据沥青混合料级配的公称最大粒径，最小计算粒径为2.36mm或4.75mm，接触阈值取最小计算粒径的0.23倍；

最后输出图像与细观评价参数，输出图像包括接触点位置和接触链分布图像，输出参数包括：集料面积和等效直径、接触点坐标和接触链长度等，即所述细观评价指标具体包括最长接触链粗集料数量N_max、网络模块度N_m和骨架模块度Q；

其中，所述最长接触链粗集料数量的计算公式为：

上式中，N表示接触链中粗集料总数量，n_i表示接触链中某一粗集料；

所述骨架模块度Q计算公式为：

上式中，N_m表示网络模块度，l_i表示第i个模块中所有边的数量，d_i表示第i个模块中所有节点的度的总和，m表示网络中所有边的总和。

S5、根据骨架结构接触链复杂网络评价指标的标准，判别设计级配是否符合标准；

具体地，根据获得的接触链复杂网络评价指标，评价沥青混合料的抗车辙性能，评价标准为：N_max≥50，N_m≤10，Q≤0.5，该标准可作为沥青混合料级配设计的参考依据，确保粗集料相互嵌挤形成稳定的接触链复杂网络。

S6、室内马歇尔试验确定最佳油石比；

具体地，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)要求，制作室内马歇尔试验，确定沥青混合料的体积指标和最佳油石比；

所述体积指标和最佳油石比计算过程包括：

选择三种不同油石比，制作击实标准为双面75次的室内标准马歇尔试件，测试沥青混合料理论最大密度、空隙率、矿料间隙率、饱和度、稳定度、流值等体积指标，随后，以三种不同油石比沥青混合料体积指标为基础，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)要求，计算获得最佳油石比。

S7、沥青混合料路用性能验证。

具体地，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)要求，进行车辙试验、水稳定性试验和冻融劈裂试验等，对设计沥青混合料的路用性能进行验证。

进一步本发明的模拟实验具体如下所示：

三种级配最大公称粒径均为13.2mm，按照规范要求初选三种级配进行试验，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)，利用马歇尔击实仪制作尺寸为φ101.6mm×63.5mm的马歇尔试件，击实次数为双面75次，每种混合料按照初选级配，各制作3组试件并进行切割，以获取更多的切片图像保证数据分析的精度，每组级配获得切片数量至少为30张，采用小型切割机每隔10cm切割马歇尔试件，将试件等分为6份，切割方法如图3所示；

将切割后的沥青混合料马歇尔切片6放置于工作台5，用稳固的支架3支起高清数码相机4，拍摄沥青混合料切片图像，拍摄过程中，马歇尔切片6与高清数码相机4的镜头平行，拍摄距离为10cm，如图4所示，每个马歇尔试件获得10张沥青混合料切片图像，共制作3组试件，每种混合料共获得30张沥青混合料切片图像，利用自适应算法对所有沥青混合料切片图像进行二值化处理，分水岭算法识别集料并分离黏连颗粒，然后采用暴力算法获得粗集料接触特征，通过连接接触粗集料构成接触链复杂网络，如图5所示，三种沥青混合料公称最大粒径为13.2mm，粗细集料分界点为2.36mm，接触阈值取最小计算粒径的0.23倍，为0.54mm；

根据集料接触图像与细观结构参数，获取接触链复杂网络细观评价指标。每种级配取15张切片图像的平均值，经统计分析，对于AC-13：N_max＝48，N_m＝9.8，Q＝0.58；对于OGFC-13：N_max＝67，N_m＝8.5，Q＝0.44；对于SMA-13：N_max＝51，N_m＝11.5，Q＝0.49，根据骨架结构接触链复杂网络评价指标标准N_max≥50，N_m≤10，Q≤0.5，表明AC-13混合料Nmax和Q值不符合要求，OGFC-13混合料符合要求，SMA-13混合料Nm值不符合要求，需对沥青混合料的进行适当调整。经调整，适量增大混合料中2.36～4.75mm含量，减少粒径大于9.5mm粗集料含量后，得到AC-13混合料各参数分别为N_max＝52，N_m＝9.6，Q＝0.49；SMA-13混合料各参数分别为N_max＝54，N_m＝9.8，Q＝0.46，均满足骨架结构接触链复杂网络评价指标标准，表明粗集料已形成较优的主骨架，设计的三种沥青混合料级配如表1所示：

表1沥青混合料级配表

根据表1级配，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)要求制作马歇尔试件，测定沥青混合料的体积指标是否符合要求，并确定最佳油石比，如表2所示：

表2沥青混合料马歇尔试验结果

对三种沥青混合料优化后的级配进行标准车辙试验，温度控制在60℃±0.5℃，荷载控制在0.7MPa±0.5MPa，试验加载一小时，获得评价沥青混合料抗车辙性能的指标，包括动稳定度(DS)和车辙深度(RD)，对于AC-13，RD＝2.78mm，DS＝3633次/mm-1，对于OGFC-13，RD＝2.49mm，DS＝6773次/mm-1；对于OGFC-13，RD＝1.48mm，DS＝7478次/mm-1均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)沥青混合料车辙试验指标的规定，另外，水稳定性试验和冻融劈裂试验等均符合规范要求。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取沥青混合料的切片图像；

基于沥青混合料的切片图像获取沥青混合料的细观评价指标；

根据沥青混合料的细观评价指标对沥青混合料进行室内马歇尔试验，得到验证结果。

2.根据权利要求1所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述获取沥青混合料的切片图像这一步骤，其具体包括：

设定级配最大公称粒径；

根据级配最大公称粒径制作马歇尔试件；

对马歇尔试件进行横向切割处理，获取马歇尔试件的切割剖面；

通过相机对马歇尔试件的切割剖面进行拍摄处理，得到沥青混合料的切片图像。

3.根据权利要求2所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述基于沥青混合料的切片图像获取沥青混合料的细观评价指标这一步骤，其具体包括：

对沥青混合料的切片图像进行图像预处理，得到预处理后的沥青混合料切片图像；

对预处理后的沥青混合料切片图像进行集料识别分析，得到接触链网络结构；

对接触链网络结构进行分析，获取沥青混合料切片图像的评价参数；

结合沥青混合料切片图像的评价参数与级配最大公称粒径，构建沥青混合料的细观评价指标。

4.根据权利要求3所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述对沥青混合料的切片图像进行图像预处理，得到预处理后的沥青混合料切片图像这一步骤，其具体包括：

通过自适应算法对沥青混合料的切片图像进行二值化处理，得到沥青混合料二值化图像；

对沥青混合料二值化图像进行移除集料表面噪声与细集料处理，得到移除后的沥青混合料切片图像；

通过分水岭算法对移除后的沥青混合料切片图像中的黏连颗粒进行分离处理，得到预处理后的沥青混合料切片图像。

5.根据权利要求4所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述对预处理后的沥青混合料切片图像进行集料识别分析，得到接触链网络结构这一步骤，其具体包括：

对预处理后的沥青混合料的切片图像进行边缘检测处理，获取图像的粗集料轮廓线；

根据图像的粗集料轮廓线计算粗集料的面积并进行转换处理，得到粗集料的等效直径；

通过暴力算法对预处理后的沥青混合料的切片图像进行分析，获取沥青混合料切片图像中的接触粗集料；

结合粗集料的等效直径，对沥青混合料切片图像中的接触粗集料的接触点坐标进行连接，构建接触链网络结构。

6.根据权利要求5所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述细观评价指标具体包括最长接触链粗集料数量、网络模块度和骨架模块度，其中，所述最长接触链粗集料数量的计算公式为：

上式中，N表示接触链中粗集料总数量，n_i表示接触链中某一粗集料；

所述骨架模块度Q计算公式为；

上式中，N_m表示网络模块度，l_i表示第i个模块中所有边的数量，d_i表示第i个模块中所有节点的度的总和，m表示网络中所有边的总和。

7.根据权利要求6所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述细观评价指标的标准具体包括：

所述最长接触链粗集料数量大于或等于50；

所述接触链网络模块度数量小于或等于10；

所述骨架模块度小于或等于0.5。

8.根据权利要求7所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，还包括对于不符合细观评价指标的马歇尔试件进行重新设定级配最大公称粒径。

9.根据权利要求1所述一种沥青混合料骨架细观结构的评价方法，其特征在于，所述验证结果其具体包括沥青混合料的体积指标和最佳油石比。

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