基于X-rayCT沥青混合料的基础性分析

基于X-rayCT沥青混合料的基础特性研究X射线断层扫描技术通过获取试件内部连续断层图像来反映扫描工件真实的三维空间结构信息，获取的数字图像真实、准确，图像重构的精度极高，显现出极强的发展潜力和应用前景。利用此项技术获取沥青混合料内部空间结构组成，分析其体积参数，进行虚拟力学仿真实验正逐渐成为科研领域的研究热点，借此技术实现计算机辅助设计沥青混合料成为一个宏大的远景目标。前言X-CT简介X射线断层扫描装置(XrayComputerizedTomography，简称X-rayCT)

X-CT是借助计算机将x射线断层扫描装置的断面再现出来的一种全新的x射线成像技术，可以无损地检测非透明物体的组成结构。利用X射线穿透物质时辐射强度呈指数型衰减且衰减率仅与物质密度相关的原理，将不同密度物质的射线吸收率定义为CT数X—CT的定量描述是CT数，将空气、水和冰的CT数分别定义为-l000，0和-1000，所以被检测物体对射线的吸收系数与CT数之问的换算关系为：CT

式中，μw为水对射线的吸收系数。利用正比于CT数的亮度成像，即可得到完整的CT图像

CT扫描的结构系统主要由探测器和射线源两大部分组成，一个典型的X-rayCT沥青混合料扫描系统如图所示。

沥青混合料体积组成的统计学研究差异性物质的辨识方法粗集料形态特征的提取内部结构组成的三维图像重构及虚拟力学试验疲劳损伤研究内容沥青混合料由石质集料颗粒、沥青胶浆、空隙等差异性物质组成。由于沥青与集料、空隙等差异性物质交互渗透致使边界图像模糊，难以利用沥青混合料数字图像精确区分不同物质。基于工业CT的沥青混合料

体积组成分析左峰(靠近0侧)为沥青胶浆,右峰(接近255侧)为碎石颗粒。在呈三峰分布的灰度曲线中，沥青胶浆与集料的分布呈现两峰夹一谷形式，C、D点分别代表胶浆和集料灰度分布概率密度大值．空隙分布介于B、C之间．灰度分布曲线表明BC之间和CD之间的谷地包括了空隙、沥青胶浆、集料颗粒等差异性物质．现有技术不能精确划分谷地区域的物质差异，导致包含集料、沥青胶浆和空隙的沥青混合料三维数字图像处理失效，阻滞了沥青混合料数字图像处理技术的发展与应用．

采用数字图像处理对CT扫描图片内部材质进行区分

阈值分割法（OTSU）大津法基本原理是将图形分为目标和背景两部分,两类之间的方差越大,说明两类之间的差别越大,将目标误认为背景或者将背景误认为目标都会使得两部分差别变小,因此使类间的方差最大就意味着错分的概率最小。此算法原理非常契合CT扫描断层图片中两类物质阈值边界不明显的灰度直方图平坦区域的划分。假定一个离散化概率密度函数如下：OTSU原理源代码具体流程简述如下：（1）批量读入断层扫描图片，将原始图像的伪彩色格式转换为灰度格式，并将原始图像进行备份；（2）采用常见的滤波法如中值滤波法滤除图像的噪声；（3）将灰度图片中的黑色背景区域滤除；（4）采用数字图像处理中形态学开运算，将灰度图片中由于VGStudioMAX软件在图片中生成的左上角文字及右下角坐标轴滤除；（5）填充图片中的细小孔洞；（6）结合OTSU法确定各类材质的比对模板，通过原始灰度图片逐点像素比对确定像素的分类归属；（7）将最终的图像分割结果分别以彩色及灰度图的形式批量保存。阈值分割法常见方法，直观有效，对于有较明显双峰面的断面图，处理效率高，且对各类物质的判别较为准确基于混合高斯模型（GMM）的EM算法模糊C均值聚类算法（FCM）模式识别领域中的GMM及FCM方法是识别复杂物质的有效手段，GMM对原始图像的灰度分布有一定要求，而FCM方法是一种于划分的聚类算法．运算过程复杂，计算效率较低，可需要根据实际情况对原算法加以改进．图像分割方法为了将图像内部区分为背景、孔隙、胶浆和集料4部分，先把背景分离出来，然后对剩余部分做两次二分类的策略来区分不同材质．最为合适的沥青混合料组成材质分类方法，必须根据原始图像的成像质量、三维重构后灰度直方图的分布特点及沥青混合料的不同类别等多种因素来综合确定．图像分割方法标准物质制作及三类算法材质分类效果的验证

采用了完全不同类型的分类方法,自然涉及到对图像分类效果进行评价的问题.现阶段以定性评价为主。工业CT扫描成像过程非常复杂，影响成像质量的因素众多，CT硬件平台本身差异性很大，即使是同型号产品单机安装调试后也存在较大差异．研制了用于CT扫描沥青混合料这类组成复杂材料精度校准的标准物质．标准物质制作

按ISO定义，标准物质为具有一种或多种足够均匀并已经确定了特性，用以校准测量仪器、评价测量方法或给材料赋值的材料或物质．经过反复比较多种材料，段跃华最终确定采用环氧树脂加锆玻璃珠的技术方案．制作标准物质时采用马歇尔试件用钢模(直径为101．6am，高为63．5mm)．选用直径为20am的粒径锆玻璃珠，每层布置19颗，3层共计57颗，各层颗粒之问及上下层完全嵌挤．浇注环氧树脂成型．锆玻璃珠密度为2.5g／cm3，与碎石密度接近；环氧树脂密度为1.09/cm3，与沥青密度接近；替代物质的密度接近沥青混合料的密度粗集料形态特征的数字表达涉及颗粒的