基于数字图像技术的沥青混合料高温性能研究

基于数字图像技术的沥青混合料高温性能研究

沥青草混合材料由集合材料、沥青草连续材料和空隙组成。属于空间网络的多相系统。沥青草混合材料的强度主要取决于大倾角聚集材料之间的摩擦和嵌入，以及沥青草胶结材料的粘附特性。因此，国内外许多专家和科学家对收集材料的空间分布特征进行了具体研究。在文献中，采用数字图像技术，提出了基于混合饲料混合材料的空间分布特征的混合材料性能评价方法。这些方法主要基于数字图像技术和离散单元法研究了收集材料的空间分布状态，并分析了混合材料的等级、分离分析和应力路径。作为评估混合材料的机械性的基础，本文提出了影响于集料接触特征的评估方法，并根据该方法分析了集料接触特征的影响因素。然而，在这项研究中，我们只计算了收集材料的接触点数量及其影响因素，并且没有分析接触点分布与沥青路等混合材料性质之间的关系，也没有分析重复负荷下收到的货物数量变化的性质。可以认为,集料接触点的数量以及空间分布状态可以表征混合料抗车辙性能,而重复荷载下接触点数量的变化则反映了沥青胶结料的性能.文中基于数字图像技术,通过对混合料的粗集料接触点数量以及集料空间状态的分析,尝试建立基于集料接触特性、空间分布状态与沥青性能的车辙深度预估模型.1计算方法的优化沥青混合料集料接触特性的分析建立于数字图像技术之上.徐科等提出基于数字图像处理技术的粗细集料分析方法;吴文亮等在其基础上推导了由多幅二维截面图像上的粗集料面积比计算三维空间中粗集料体积比的方法,并初步研究了粗集料在荷载作用下的运动轨迹.魏鸿等在集料颗粒之间的空间临近关系分析中提出了“接触对”概念,当任意2个相邻集料的边界像素距离小于某个阈值时,认为这两个集料是互相接触的,但是在计算过程中采用的搜索窗口为矩形窗口,存在一定的误差.基于现有的研究成果,可以对集料的空间临近关系的计算方法进行适当的优化.具体计算方法为:首先,采用多分辨率自适应窗口分割算法提取出集料边界,并将图像进行二值化处理,如图1所示;然后,对切片进行虚拟筛分,提取粗集料并进行编号(计算中以最大公称粒径4.75mm为粗细集料分界点);最后,计算集料间的空间临近关系.为了消除采用矩形窗口进行搜索所带来的计算误差,采用优化的搜索方法进行扫描,扫描方法如图2所示.计算24号集料与25号集料的空间关系,则从24号集料边界上任意点A开始,计算与25号集料边界任意点B的直线距离L,若L小于设定的阈值,则认为接触存在,反之则认为接触不存在;对25号集料边界扫描完毕后,选取A点的顺时针相邻点A′,再次对25号集料边界点进行扫描,循环扫描直至回到A点,然后进入对下一编号集料的扫描.以此类推计算出所有粗集料间的空间临近关系.由于阈值为非零数值,因此集料间的“接触”一般表现为“线段”而非“点”,这里定义“线段”的中点为集料接触点.计算过程中发现,新计算方法的效率略低于魏鸿等提出的窗口扫描方法,但其精度较高,基于现有计算机运算性能,两者的计算时间差异较小.2试件与仪器相比轮碾成型的试件,旋转压实制备的试件均匀性更好.研究中采用Superpave旋转压实仪成型直径为150mm、高度为75mm的试件,旋转压实200次.每种混合料成型4个试件.级配类型包括AC-13F、AC-13C以及SMA-133种,级配组成见表1.采用沥青类型包括70#沥青、SBS改性沥青以及高模量沥青3类(如表2所示),其中,P为沥青针入度,TSP为沥青软化点,D为沥青延度.所采用集料为广东龙溪嘉粤石场生产的花岗岩,矿粉为石灰岩矿粉.油石比由马歇尔试验确定,采用SBS改性沥青时,3种级配的油石比分别为4.9%、4.3%与5.9%;对于AC-13C型沥青混合料,3种沥青的油石比分别为4.4%、4.3%与4.3%.试验采用沥青路面分析仪评价材料的抗车辙性能,该系统通过一个直径25mm的充气胶管(气压为690kPa)对试件施加一个0.44kN的荷载,充气胶管上的轮载往复运动,运动的速度大约0.2m/s,试验温度为50℃,荷载作用次数为8000,变形数据由传感器测量并记录保存到计算机中.试件分为2组:一组沥青相同(SBS改性沥青)而级配不同;另一组级配相同(AC-13C)而沥青不同.共计20个试件.车辙试验完成后采用高精度双面锯对试件进行切割,切割方向与荷载运动方向一致,切割区域分为荷载作用区域与非荷载作用区域,如图3所示.因此每种类型的沥青混合料可以获得24个切片图像,其中8个位于荷载作用区域,16个位于非荷载作用区域.切片图像采用数码相机拍摄获取,采用自制的固定支架保证切片水平放置,图像精度大于25pixel/mm.为了便于对比计算,统一截取大小为50mm×100mm的图像进行分析.接触点的分析中需确定粗细集料的分界点,我国规范在SMA混合料设计中规定公称最大粒径等于或大于13.2mm的混合料以4.75mm作为骨架分界点.同时,已有研究表明,4.75mm颗粒为骨架稳定受力点以及粗细集料的转折点.因此,分析中选择4.75mm作为粗细集料分界点.接触阈值的设置需考虑集料的粒径大小,参考Coenen等的方法,接触阈值约为集料最小计算粒径的0.2倍,即以4.75mm为分界点时接触阈值为1mm.试验主要分析级配类型、沥青性能以及荷载对集料接触点数量与倾角的影响,采用非荷载作用区的截面代表车辙试验前的集料空间状态,荷载作用区的截面代表车辙试验后的集料空间状态,计算结果取均值.3数据分析3.1级配与倾角的关系截面图分析统计结果如图4所示,N为接触点数量,θ为集料的平均倾角.由图4可知,粗集料含量大的级配在相同截面面积中形成更多的接触点与更大的集料倾角,对比AC-13F(4.75mm筛孔通过率68%)与SMA-13(4.75mm筛孔通过率25%),前者接触点数量仅为后者的1/4,倾角较后者小约6°.表明粗集料的含量是混合料骨架形成的主要影响因素,粗集料含量越高越容易形成骨架结构.根据试验结果可知:粗集料初始倾角的大小反映混合料在成型过程中所能达到的稳定状态,当压实功相同时,倾角越小表明混合料越容易被压实,细级配混合料缺乏有效的骨架抵抗荷载作用下的变形,因此其倾角较小.在车轮荷载作用后,集料空间状态发生改变,总体表现为接触点数量增加与集料倾角均值减小.粗集料含量越多接触点增加量越大,倾角变化量越小.这是由于在单位面积内,粗集料含量较多的级配具备更多的大颗粒集料,提供了接触点数量增多的前提条件;而细级配混合料单位面积内的大颗粒集料较少,需要较大的变形才能发生大颗粒集料间的接触.同时,该类型级配由于其大颗粒集料数量较多,集料颗粒与颗粒间的嵌挤较为明显,能够较好地限制颗粒的平动与转动(SMA-13倾角减小0.80°,AC-13F倾角减小2.84°).图5为集料空间特性与车辙深度R的相关关系.由图5可知,抗车辙性能好的混合料初始接触点数量多、初始倾角大.由于应力路径的数量与粗集料接触点数量直接相关,因此接触点数量与车辙深度呈反比,同时也证明了前文“集料的初始倾角在一定程度上反映沥青混合料骨架结构的特点”这一推断.从变化量角度看,车辙深度小的混合料接触点变化大,这是由于该混合料的粗集料数量多.而倾角变化小,是因为其竖向变形小.不难看出,集料倾角的变化量与材料竖向位移量成正比.在沥青性能相同的情况下,混合料初始接触点数量与车辙深度间呈现较好的指数相关性,而倾角变化量与车辙深度则线性相关.综上可得,荷载的作用是集料接触点数量与倾角变化的主因.级配决定了粗集料接触点数量与初始倾角,粗集料接触点数量决定材料抗车辙性能与集料倾角的变化量.因此,级配是影响混合料高温稳定性的主要因素之一,材料的高温稳定性可以采用集料接触点数量进行评价.3.2不同沥青混合料的车哲学性能图6为添加不同沥青的AC-13C型混合料的粗集料空间特性.由图6可知,采用不同沥青类型的混合料初始接触点数量与倾角基本一致,表明混合料的级配决定了集料的初始空间状态,初始空间状态与沥青类型无关,但与压实功有关.由试验结果可知沥青的性能主要影响了接触点以及倾角的变化量,越坚硬的沥青越能够约束集料的平动与转动.车辙试验后,集料接触点增加而倾角变小,采用高模量沥青的混合料的接触点变化量以及倾角变化量最小.添加不同沥青混合料的车辙试验结果(如图7所示)表明,同种级配类型下接触点变化量、集料倾角变化量与车辙深度呈较好的线性相关,沥青越坚硬混合料的车辙深度越小,高温稳定性越好.用以表征沥青高温性能的指标很多,我国规范用沥青的针入度与软化点评价沥青的高温性能,分析结果表明软化点与集料倾角变化量呈较为显著的指数相关关系,如图8所示.4预测模型4.1初始接触点数量、倾角变化量间相关关系和模型预测文中采用沥青路面分析仪进行混合料车辙性能的评价,因此车辙预估模型的建立没有考虑温度、荷载、荷载作用次数等外部因素,而是将粗集料接触点数量、集料倾角变化以及沥青性能作为主要输入变量.综合上文的分析可得,与车辙深度较好相关性的指标有初始接触点数量、集料初始倾角、接触点变化量、集料倾角变化量.其中,集料初始倾角受级配影响,且切片图像的质量(水平偏差)直接影响倾角的计算,不利于模型的推广应用,因此剔除该变量.接触点变化量数据分布较为离散(如图9所示),与车辙深度间相关关系不显著,该指标与车辙深度间关系较为复杂.倾角变化量与车辙深度间则保持良好的线性相关.初步建立初始接触点数量、倾角变化与车辙深度的相关关系式:R=Aexp(BN0)Δθ+C(1)式中:R为车辙深度,mm;N0为粗集料初始接触点数量,计算范围为混合料50mm×100mm截面;Δθ为集料倾角变化量,(°);A、B、C为模型参数.集料初始接触点的数量在一定程度上决定了集料倾角的变化,因此集料倾角变化量的预测需要考虑初始接触点数量与沥青性能两个指标.数据分析可得,初始接触点数量与倾角变化量间呈较好的指数相关性,可以建立倾角变化量预测模型:Δθ=aexp(bN0+cTSP)+d(2)式中:TSP为沥青软化点,℃;a、b、c、d为模型参数.将上述两模型结合起来,则基于集料接触特性的车辙预估模型改写为R=aexp(bN0+cTSP)+hexp(fN0)+d(3)式中,f、g为模型参数.为了方便拟合计算,方程简化为R=αexp(βN0+γTSP)+d(4)式中,α、β、γ均为模型参数.4.2接触点数量与沥青软化点匹配关系采用Originlab软件对模型进行非线性曲面拟合,曲面拟合相关系数为0.973,标定后模型如下.R=84.22exp(-0.026N0-0.039TSP)-0.464(5)在已知混合料接触特性以及沥青性能时,可以采用该模型预测材料的高温稳定性,由于集料接触特性的分析基于数字图像技术,因此可以真实反映离析等因素对材料性能的影响.由模型参数β、γ的比值可以看出,接触点数量与沥青软化点对车辙深度的贡献比例分别60%与40%,说明集料骨架对材料高温稳定性的影响更显著.当没有发生车辙损害(R=0)时,混合料中接触点数量与沥青软化点的应有的匹配关系为2Nopt+3TSP=400(6)定义Nopt为该状态下的最佳接触点数,那么对实验中采用的3种沥青而言,最佳接触点数量分别为125、93与80个.但由于受到级配的限制,集料接触点数难以达到最佳接触点数量,这一分析结果仅表征了理想状态下集料的空间特性,不能直接指导混合料的级配设计.考虑到APA评价沥青混合料抗车辙能力的标准为“50℃试验条件下,荷载作用8000次后,车辙深度小于4mm”,因此可得下式:2Nmin+3TSP=226(7)式(7)表示的是满足APA评价标准的最小混合料接触点数量,Nmin为该状态下的最低接触点数,对实验中采用的3种沥青而言,最低接触点数Nmin分别为38、5与0个.这一结果表明,若沥青高温性能较好,即使采用细级配也能满足APA评价标准.因此,在确定沥青性能的情况下,可以使用式(7)初步确定集料所必须具备的接触点数量,作为混合料级配设计的参考.5初始接触点数量对抗车辙性能的影响文中提出了基于粗集料接触点数量的沥青混合料抗车辙性能评价方法,从一个崭新的角度对混合料的高温稳定性能进行解读.应用数字图像技术对混合料的粗集料接触特性进行分析,分析混合料在荷载作用前后的集料空间分布状态.采用初始接触点数量、初始倾角、接触点变化量以及倾角变化量描述集料在荷载作用下的空间状态.分析结果表明,集料的初始接触点数量能够反映混合料的抗车辙性能,集料初始倾角受制于初始接触点数量.级配与试件成型方法是影响集料初始空间状态的主要因素,沥青仅影响接触点变化量以及倾角变化量.基于接触点数量以及沥青