基于數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青混合料高溫性能研究

基于數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青混合料高溫性能研究

瀝青草混合材料由集合材料、瀝青草連續(xù)材料和空隙組成。屬于空間網(wǎng)絡(luò)的多相系統(tǒng)。瀝青草混合材料的強(qiáng)度主要取決于大傾角聚集材料之間的摩擦和嵌入，以及瀝青草膠結(jié)材料的粘附特性。因此，國內(nèi)外許多專家和科學(xué)家對(duì)收集材料的空間分布特征進(jìn)行了具體研究。在文獻(xiàn)中，采用數(shù)字圖像技術(shù)，提出了基于混合飼料混合材料的空間分布特征的混合材料性能評(píng)價(jià)方法。這些方法主要基于數(shù)字圖像技術(shù)和離散單元法研究了收集材料的空間分布狀態(tài)，并分析了混合材料的等級(jí)、分離分析和應(yīng)力路徑。作為評(píng)估混合材料的機(jī)械性的基礎(chǔ)，本文提出了影響于集料接觸特征的評(píng)估方法，并根據(jù)該方法分析了集料接觸特征的影響因素。然而，在這項(xiàng)研究中，我們只計(jì)算了收集材料的接觸點(diǎn)數(shù)量及其影響因素，并且沒有分析接觸點(diǎn)分布與瀝青路等混合材料性質(zhì)之間的關(guān)系，也沒有分析重復(fù)負(fù)荷下收到的貨物數(shù)量變化的性質(zhì)。可以認(rèn)為,集料接觸點(diǎn)的數(shù)量以及空間分布狀態(tài)可以表征混合料抗車轍性能,而重復(fù)荷載下接觸點(diǎn)數(shù)量的變化則反映了瀝青膠結(jié)料的性能.文中基于數(shù)字圖像技術(shù),通過對(duì)混合料的粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量以及集料空間狀態(tài)的分析,嘗試建立基于集料接觸特性、空間分布狀態(tài)與瀝青性能的車轍深度預(yù)估模型.1計(jì)算方法的優(yōu)化瀝青混合料集料接觸特性的分析建立于數(shù)字圖像技術(shù)之上.徐科等提出基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的粗細(xì)集料分析方法;吳文亮等在其基礎(chǔ)上推導(dǎo)了由多幅二維截面圖像上的粗集料面積比計(jì)算三維空間中粗集料體積比的方法,并初步研究了粗集料在荷載作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡.魏鴻等在集料顆粒之間的空間臨近關(guān)系分析中提出了“接觸對(duì)”概念,當(dāng)任意2個(gè)相鄰集料的邊界像素距離小于某個(gè)閾值時(shí),認(rèn)為這兩個(gè)集料是互相接觸的,但是在計(jì)算過程中采用的搜索窗口為矩形窗口,存在一定的誤差.基于現(xiàn)有的研究成果,可以對(duì)集料的空間臨近關(guān)系的計(jì)算方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化.具體計(jì)算方法為:首先,采用多分辨率自適應(yīng)窗口分割算法提取出集料邊界,并將圖像進(jìn)行二值化處理,如圖1所示;然后,對(duì)切片進(jìn)行虛擬篩分,提取粗集料并進(jìn)行編號(hào)(計(jì)算中以最大公稱粒徑4.75mm為粗細(xì)集料分界點(diǎn));最后,計(jì)算集料間的空間臨近關(guān)系.為了消除采用矩形窗口進(jìn)行搜索所帶來的計(jì)算誤差,采用優(yōu)化的搜索方法進(jìn)行掃描,掃描方法如圖2所示.計(jì)算24號(hào)集料與25號(hào)集料的空間關(guān)系,則從24號(hào)集料邊界上任意點(diǎn)A開始,計(jì)算與25號(hào)集料邊界任意點(diǎn)B的直線距離L,若L小于設(shè)定的閾值,則認(rèn)為接觸存在,反之則認(rèn)為接觸不存在;對(duì)25號(hào)集料邊界掃描完畢后,選取A點(diǎn)的順時(shí)針相鄰點(diǎn)A′,再次對(duì)25號(hào)集料邊界點(diǎn)進(jìn)行掃描,循環(huán)掃描直至回到A點(diǎn),然后進(jìn)入對(duì)下一編號(hào)集料的掃描.以此類推計(jì)算出所有粗集料間的空間臨近關(guān)系.由于閾值為非零數(shù)值,因此集料間的“接觸”一般表現(xiàn)為“線段”而非“點(diǎn)”,這里定義“線段”的中點(diǎn)為集料接觸點(diǎn).計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),新計(jì)算方法的效率略低于魏鴻等提出的窗口掃描方法,但其精度較高,基于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能,兩者的計(jì)算時(shí)間差異較小.2試件與儀器相比輪碾成型的試件,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)制備的試件均勻性更好.研究中采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑為150mm、高度為75mm的試件,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)200次.每種混合料成型4個(gè)試件.級(jí)配類型包括AC-13F、AC-13C以及SMA-133種,級(jí)配組成見表1.采用瀝青類型包括70#瀝青、SBS改性瀝青以及高模量瀝青3類(如表2所示),其中,P為瀝青針入度,TSP為瀝青軟化點(diǎn),D為瀝青延度.所采用集料為廣東龍溪嘉粵石場生產(chǎn)的花崗巖,礦粉為石灰?guī)r礦粉.油石比由馬歇爾試驗(yàn)確定,采用SBS改性瀝青時(shí),3種級(jí)配的油石比分別為4.9%、4.3%與5.9%;對(duì)于AC-13C型瀝青混合料,3種瀝青的油石比分別為4.4%、4.3%與4.3%.試驗(yàn)采用瀝青路面分析儀評(píng)價(jià)材料的抗車轍性能,該系統(tǒng)通過一個(gè)直徑25mm的充氣膠管(氣壓為690kPa)對(duì)試件施加一個(gè)0.44kN的荷載,充氣膠管上的輪載往復(fù)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)的速度大約0.2m/s,試驗(yàn)溫度為50℃,荷載作用次數(shù)為8000,變形數(shù)據(jù)由傳感器測量并記錄保存到計(jì)算機(jī)中.試件分為2組:一組瀝青相同(SBS改性瀝青)而級(jí)配不同;另一組級(jí)配相同(AC-13C)而瀝青不同.共計(jì)20個(gè)試件.車轍試驗(yàn)完成后采用高精度雙面鋸對(duì)試件進(jìn)行切割,切割方向與荷載運(yùn)動(dòng)方向一致,切割區(qū)域分為荷載作用區(qū)域與非荷載作用區(qū)域,如圖3所示.因此每種類型的瀝青混合料可以獲得24個(gè)切片圖像,其中8個(gè)位于荷載作用區(qū)域,16個(gè)位于非荷載作用區(qū)域.切片圖像采用數(shù)碼相機(jī)拍攝獲取,采用自制的固定支架保證切片水平放置,圖像精度大于25pixel/mm.為了便于對(duì)比計(jì)算,統(tǒng)一截取大小為50mm×100mm的圖像進(jìn)行分析.接觸點(diǎn)的分析中需確定粗細(xì)集料的分界點(diǎn),我國規(guī)范在SMA混合料設(shè)計(jì)中規(guī)定公稱最大粒徑等于或大于13.2mm的混合料以4.75mm作為骨架分界點(diǎn).同時(shí),已有研究表明,4.75mm顆粒為骨架穩(wěn)定受力點(diǎn)以及粗細(xì)集料的轉(zhuǎn)折點(diǎn).因此,分析中選擇4.75mm作為粗細(xì)集料分界點(diǎn).接觸閾值的設(shè)置需考慮集料的粒徑大小,參考Coenen等的方法,接觸閾值約為集料最小計(jì)算粒徑的0.2倍,即以4.75mm為分界點(diǎn)時(shí)接觸閾值為1mm.試驗(yàn)主要分析級(jí)配類型、瀝青性能以及荷載對(duì)集料接觸點(diǎn)數(shù)量與傾角的影響,采用非荷載作用區(qū)的截面代表車轍試驗(yàn)前的集料空間狀態(tài),荷載作用區(qū)的截面代表車轍試驗(yàn)后的集料空間狀態(tài),計(jì)算結(jié)果取均值.3數(shù)據(jù)分析3.1級(jí)配與傾角的關(guān)系截面圖分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示,N為接觸點(diǎn)數(shù)量,θ為集料的平均傾角.由圖4可知,粗集料含量大的級(jí)配在相同截面面積中形成更多的接觸點(diǎn)與更大的集料傾角,對(duì)比AC-13F(4.75mm篩孔通過率68%)與SMA-13(4.75mm篩孔通過率25%),前者接觸點(diǎn)數(shù)量僅為后者的1/4,傾角較后者小約6°.表明粗集料的含量是混合料骨架形成的主要影響因素,粗集料含量越高越容易形成骨架結(jié)構(gòu).根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知:粗集料初始傾角的大小反映混合料在成型過程中所能達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)壓實(shí)功相同時(shí),傾角越小表明混合料越容易被壓實(shí),細(xì)級(jí)配混合料缺乏有效的骨架抵抗荷載作用下的變形,因此其傾角較小.在車輪荷載作用后,集料空間狀態(tài)發(fā)生改變,總體表現(xiàn)為接觸點(diǎn)數(shù)量增加與集料傾角均值減小.粗集料含量越多接觸點(diǎn)增加量越大,傾角變化量越小.這是由于在單位面積內(nèi),粗集料含量較多的級(jí)配具備更多的大顆粒集料,提供了接觸點(diǎn)數(shù)量增多的前提條件;而細(xì)級(jí)配混合料單位面積內(nèi)的大顆粒集料較少,需要較大的變形才能發(fā)生大顆粒集料間的接觸.同時(shí),該類型級(jí)配由于其大顆粒集料數(shù)量較多,集料顆粒與顆粒間的嵌擠較為明顯,能夠較好地限制顆粒的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)(SMA-13傾角減小0.80°,AC-13F傾角減小2.84°).圖5為集料空間特性與車轍深度R的相關(guān)關(guān)系.由圖5可知,抗車轍性能好的混合料初始接觸點(diǎn)數(shù)量多、初始傾角大.由于應(yīng)力路徑的數(shù)量與粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量直接相關(guān),因此接觸點(diǎn)數(shù)量與車轍深度呈反比,同時(shí)也證明了前文“集料的初始傾角在一定程度上反映瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)”這一推斷.從變化量角度看,車轍深度小的混合料接觸點(diǎn)變化大,這是由于該混合料的粗集料數(shù)量多.而傾角變化小,是因?yàn)槠湄Q向變形小.不難看出,集料傾角的變化量與材料豎向位移量成正比.在瀝青性能相同的情況下,混合料初始接觸點(diǎn)數(shù)量與車轍深度間呈現(xiàn)較好的指數(shù)相關(guān)性,而傾角變化量與車轍深度則線性相關(guān).綜上可得,荷載的作用是集料接觸點(diǎn)數(shù)量與傾角變化的主因.級(jí)配決定了粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量與初始傾角,粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量決定材料抗車轍性能與集料傾角的變化量.因此,級(jí)配是影響混合料高溫穩(wěn)定性的主要因素之一,材料的高溫穩(wěn)定性可以采用集料接觸點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行評(píng)價(jià).3.2不同瀝青混合料的車哲學(xué)性能圖6為添加不同瀝青的AC-13C型混合料的粗集料空間特性.由圖6可知,采用不同瀝青類型的混合料初始接觸點(diǎn)數(shù)量與傾角基本一致,表明混合料的級(jí)配決定了集料的初始空間狀態(tài),初始空間狀態(tài)與瀝青類型無關(guān),但與壓實(shí)功有關(guān).由試驗(yàn)結(jié)果可知瀝青的性能主要影響了接觸點(diǎn)以及傾角的變化量,越堅(jiān)硬的瀝青越能夠約束集料的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng).車轍試驗(yàn)后,集料接觸點(diǎn)增加而傾角變小,采用高模量瀝青的混合料的接觸點(diǎn)變化量以及傾角變化量最小.添加不同瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果(如圖7所示)表明,同種級(jí)配類型下接觸點(diǎn)變化量、集料傾角變化量與車轍深度呈較好的線性相關(guān),瀝青越堅(jiān)硬混合料的車轍深度越小,高溫穩(wěn)定性越好.用以表征瀝青高溫性能的指標(biāo)很多,我國規(guī)范用瀝青的針入度與軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能,分析結(jié)果表明軟化點(diǎn)與集料傾角變化量呈較為顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,如圖8所示.4預(yù)測模型4.1初始接觸點(diǎn)數(shù)量、傾角變化量間相關(guān)關(guān)系和模型預(yù)測文中采用瀝青路面分析儀進(jìn)行混合料車轍性能的評(píng)價(jià),因此車轍預(yù)估模型的建立沒有考慮溫度、荷載、荷載作用次數(shù)等外部因素,而是將粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量、集料傾角變化以及瀝青性能作為主要輸入變量.綜合上文的分析可得,與車轍深度較好相關(guān)性的指標(biāo)有初始接觸點(diǎn)數(shù)量、集料初始傾角、接觸點(diǎn)變化量、集料傾角變化量.其中,集料初始傾角受級(jí)配影響,且切片圖像的質(zhì)量(水平偏差)直接影響傾角的計(jì)算,不利于模型的推廣應(yīng)用,因此剔除該變量.接觸點(diǎn)變化量數(shù)據(jù)分布較為離散(如圖9所示),與車轍深度間相關(guān)關(guān)系不顯著,該指標(biāo)與車轍深度間關(guān)系較為復(fù)雜.傾角變化量與車轍深度間則保持良好的線性相關(guān).初步建立初始接觸點(diǎn)數(shù)量、傾角變化與車轍深度的相關(guān)關(guān)系式:R=Aexp(BN0)Δθ+C(1)式中:R為車轍深度,mm;N0為粗集料初始接觸點(diǎn)數(shù)量,計(jì)算范圍為混合料50mm×100mm截面;Δθ為集料傾角變化量,(°);A、B、C為模型參數(shù).集料初始接觸點(diǎn)的數(shù)量在一定程度上決定了集料傾角的變化,因此集料傾角變化量的預(yù)測需要考慮初始接觸點(diǎn)數(shù)量與瀝青性能兩個(gè)指標(biāo).數(shù)據(jù)分析可得,初始接觸點(diǎn)數(shù)量與傾角變化量間呈較好的指數(shù)相關(guān)性,可以建立傾角變化量預(yù)測模型:Δθ=aexp(bN0+cTSP)+d(2)式中:TSP為瀝青軟化點(diǎn),℃;a、b、c、d為模型參數(shù).將上述兩模型結(jié)合起來,則基于集料接觸特性的車轍預(yù)估模型改寫為R=aexp(bN0+cTSP)+hexp(fN0)+d(3)式中,f、g為模型參數(shù).為了方便擬合計(jì)算,方程簡化為R=αexp(βN0+γTSP)+d(4)式中,α、β、γ均為模型參數(shù).4.2接觸點(diǎn)數(shù)量與瀝青軟化點(diǎn)匹配關(guān)系采用Originlab軟件對(duì)模型進(jìn)行非線性曲面擬合,曲面擬合相關(guān)系數(shù)為0.973,標(biāo)定后模型如下.R=84.22exp(-0.026N0-0.039TSP)-0.464(5)在已知混合料接觸特性以及瀝青性能時(shí),可以采用該模型預(yù)測材料的高溫穩(wěn)定性,由于集料接觸特性的分析基于數(shù)字圖像技術(shù),因此可以真實(shí)反映離析等因素對(duì)材料性能的影響.由模型參數(shù)β、γ的比值可以看出,接觸點(diǎn)數(shù)量與瀝青軟化點(diǎn)對(duì)車轍深度的貢獻(xiàn)比例分別60%與40%,說明集料骨架對(duì)材料高溫穩(wěn)定性的影響更顯著.當(dāng)沒有發(fā)生車轍損害(R=0)時(shí),混合料中接觸點(diǎn)數(shù)量與瀝青軟化點(diǎn)的應(yīng)有的匹配關(guān)系為2Nopt+3TSP=400(6)定義Nopt為該狀態(tài)下的最佳接觸點(diǎn)數(shù),那么對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的3種瀝青而言,最佳接觸點(diǎn)數(shù)量分別為125、93與80個(gè).但由于受到級(jí)配的限制,集料接觸點(diǎn)數(shù)難以達(dá)到最佳接觸點(diǎn)數(shù)量,這一分析結(jié)果僅表征了理想狀態(tài)下集料的空間特性,不能直接指導(dǎo)混合料的級(jí)配設(shè)計(jì).考慮到APA評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍能力的標(biāo)準(zhǔn)為“50℃試驗(yàn)條件下,荷載作用8000次后,車轍深度小于4mm”,因此可得下式:2Nmin+3TSP=226(7)式(7)表示的是滿足APA評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最小混合料接觸點(diǎn)數(shù)量,Nmin為該狀態(tài)下的最低接觸點(diǎn)數(shù),對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的3種瀝青而言,最低接觸點(diǎn)數(shù)Nmin分別為38、5與0個(gè).這一結(jié)果表明,若瀝青高溫性能較好,即使采用細(xì)級(jí)配也能滿足APA評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).因此,在確定瀝青性能的情況下,可以使用式(7)初步確定集料所必須具備的接觸點(diǎn)數(shù)量,作為混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的參考.5初始接觸點(diǎn)數(shù)量對(duì)抗車轍性能的影響文中提出了基于粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量的瀝青混合料抗車轍性能評(píng)價(jià)方法,從一個(gè)嶄新的角度對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行解讀.應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)混合料的粗集料接觸特性進(jìn)行分析,分析混合料在荷載作用前后的集料空間分布狀態(tài).采用初始接觸點(diǎn)數(shù)量、初始傾角、接觸點(diǎn)變化量以及傾角變化量描述集料在荷載作用下的空間狀態(tài).分析結(jié)果表明,集料的初始接觸點(diǎn)數(shù)量能夠反映混合料的抗車轍性能,集料初始傾角受制于初始接觸點(diǎn)數(shù)量.級(jí)配與試件成型方法是影響集料初始空間狀態(tài)的主要因素,瀝青僅影響接觸點(diǎn)變化量以及傾角變化量.基于接觸點(diǎn)數(shù)量以及瀝青