CN103558236A - 基于工业ct的沥青混合料水分分布测试方法 - Google Patents

Abstract

基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法，本发明涉及一种用于沥青混合料内部水分分布的测试方法，它要解决现有测试沥青混合料水分分布的方法无法直观准确获取水分分布规律的问题。沥青混合料水分分布测试方法是先将泡沫材质的夹具固定到工业CT机支撑台上，X射线出口位置加盖金属片，启动工业CT机，干燥试件放置于夹具中，调试工业CT机的扫描参数，对试件进行扫描，通过软件对扫描结果进行图像重构，分析试件的体积参数，然后将干燥试件作浸水处理，再对扫描结果进行图像重构和参数分析，非空隙物质的增加区域即为水分分布的区域，从而完成沥青水分分布的测试。通过本发明的测试方法可将水分分布可视化，提高了测量精度。

Description

基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于沥青混合料内部水分分布的测试方法，具体涉及基于工业CT的沥青混合料内部水分分布测试及分析方法。

背景技术

沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，具有连续性好、行车平稳舒适、噪声小、无扬尘、养护方便、易于回收等优点，因而在高等级公路建设中占据主导地位。例如，沥青路面在美国和日本的高速公路中占到了90%以上，全世界大约80%的路面为沥青路面，近年来我国新建及改建的高等级路面90%以上为沥青路面。随着沥青路面的广泛使用，其早期损坏问题也日益突出。在对沥青路面损坏问题广泛调查的基础上，道路工作者发现，沥青路面的早期损坏大多与水有关。水损害已成为各类沥青路面早期损坏现象中最主要、危害最大的损坏类型。

水损害的发生与水在沥青路面中的存在及分布有密切的关系，进入路面空隙或裂缝中的水在汽车车轮动态荷载的作用下，不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，使得沥青粘附性逐渐降低并丧失粘结力，从而导致沥青膜剥落，沥青混合料出现掉粒、松散等现象。水的存在及分布直接或者间接地影响了路面的使用性能，降低了路面的使用寿命。传统的关于沥青路面水损害的研究主要集中在沥青混合料的水稳定性评价、抗水损害材料的开发以及施工的质量控制等问题上，对不同类型沥青混合料中水分的分布状态分析较少。然而，沥青路面水损害是外界因素、自身结构特性及材料相互作用、相互影响的综合外在表现，了解沥青混合料中水分的分布状态，掌握不同条件下水分的存在及分布规律，对于提高道路的耐久性及使用性能具有重要的理论意义。

目前世界各国学者针对沥青混合料内部的水分分布开展了一些研究工作，这些研究大都采用数值模拟的方法：通过X射线获取沥青混合料的内部细观结构，将图像进行处理作为数值模拟的输入数据，通过设定边界条件等一系列操作对水分的分布状态进行模拟分析，这些基于数值模拟的研究所采用的方式是间接的，其可靠度有待验证。迄今为止，尚没有一种可行的试验方法探测沥青混合料内部水分分布，路面内部水分分布情况犹如一个“黑箱”，无法确切直观地了解其分布规律。

计算机X射线断层摄影术（简称X-ray CT）是利用X射线在穿透物体的过程中，由于不同的被检测物拥有不同的成分、密度、厚度等而对射线具有不同的吸收或散射特性，通过射线强度的变化达到检测物体内部结构的目的。经过X射线扫描重构后的数字图像可以获取沥青混合料的内部结构信息，包括集料取向及分布特征、离析、压实度、接触状况、空隙大小及分布特征等，因此，此项技术成为目前研究沥青混合料微细观结构的重要手段，也为从细观角度测试沥青混合料内部水分分布提供了条件。

综上所述，水分的分布对沥青混合料性能有重要影响，而目前尚没有一种明确的方法能测试沥青混合料内部水分分布情况，X射线计算机层析技术为从细观角度研究沥青混合料的水分分布提供了条件。

发明内容

本发明目的是为了解决现有测试沥青混合料水分分布的方法无法直观准确获取水分分布规律的问题，而提供基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法。

本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法按下列步骤实现：

一、将泡沫材质的夹具固定到工业CT机支撑台上，使夹具竖直方向的中轴与工业CT机支撑台旋转轴重合；

二、在工业CT机的发射X射线出口位置加盖上金属片，启动工业CT机，对工业CT机进行暖机，将圆柱形干燥的沥青混合料试件放置于夹具中，保证沥青混合料试件在探测器的接收范围之内，记录沥青混合料试件的位置坐标；

三、调试工业CT机的扫描参数，设置扫描参数的电压为140～220kV，电流为60～140μA，旋转面的个数为1500，曝光时间为1000ms及敏感度系数为2，对干燥的沥青混合料试件进行扫描，获取干燥沥青混合料试件的扫描结果；

四、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤三得到的扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后干燥沥青混合料试件空隙体积大小及分布（坐标）以及非空隙物质体积大小及分布（坐标）；

五、将干燥的沥青混合料试件作浸水处理，擦除沥青混合料试件表面上的水分，然后以与步骤三相同的扫描参数对含水的沥青混合料试件进行扫描，扫描的位置也与步骤三对干燥沥青混合料试件扫描的位置相同，获取含水沥青混合料试件的扫描结果；

六、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤五得到的含水沥青混合料试件扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后含水沥青混合料试件空隙体积大小及分布（坐标）以及非空隙物质体积大小及分布（坐标），将步骤四得到的干燥沥青混合料试件重构的图像与含水沥青混合料试件重构的图像进行对比，非空隙物质的增加区域即为水分分布的区域，从而完成沥青混合料水分分布的测试。

本发明采用非空隙物质增加法测试水分分布的区域，即以非空隙物质为研究对象，针对含水沥青混合料试件与干燥沥青混合料试件的扫描重构图像分别选定合适的区分空隙与非空隙物质的阈值，含水沥青混合料试件非空隙物质的增加区域即为水分分布的区域。

本发明利用德国菲尼克斯公司（Phoenix∣x-ray）生产的Phoenixv∣tome∣x S240型工业CT机进行扫描成像，利用机器附带软件datos∣x reconstruction对扫描图像进行重构，得到标准装置下的数字图像。

综上所述，本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法包括如下优点：

（1）直观性，本发明可以直接探测到沥青混合料试件内部水分含量，通过分析可将水分分布可视化。

（2）无损性，运用工业CT探测沥青混合料试件内部的含水情况，该方法对沥青试件没有损害，可以对同一试件进行多次重复试验。

（3）平行性好，对同一沥青试件进行多次试验，结果表明该测试方法具有较好的平行性。

（4）测量精度高，利用工业CT扫描沥青试件，通过不断调整获取最佳的扫描参数，保证了成像质量，采用VGStudio MAx2.2软件进行图像处理和体积分析时，对背景做处理，在一定程度上提高了精度，同时运用非空隙物质体积增加法分析含水量，避免了水分与沥青的难区分性，进一步提高分析精度。该方法具有的测量精度可以完全满足沥青混合料内部水分分析需要。

通过本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法可以了解沥青混合料中水分的分布状态，掌握不同条件下水分的存在及分布规律，对研究路面内水分迁移及水损害机理提供直观依据，对于提高道路的耐久性及使用性能具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法步骤一所述夹具的俯视图，1—夹具底座，2—泡沫块，3—沥青混合料试件；

图2是本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法步骤一所述夹具的侧视图，1—夹具底座，2—泡沫块，3—沥青混合料试件；

图3是本发明采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构时选取的背景区域的俯视示意图，1—采用datos∣x reconstruction软件重构后的沥青混合料试件图像，2—所选取的背景区域；

图4是本发明采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构时选取的背景区域的侧视示意图，1—采用datos∣x reconstruction软件重构后的沥青混合料试件图像，2—所选取的背景区域；

图5是本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法步骤四获取的干燥沥青混合料试件断面二维图像示意图，1—非空隙物质，2—空隙；

图6是本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法步骤六获取的含水沥青混合料试件断面二维图像非空隙，1—非空隙物质，2—空隙；

图7是本发明基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法获取的沥青混合料试件断面的水分分布二维图像，3—水分；

图8是实施例一基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法的测试结果，1—等值线，2—CT测试数据回归线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法按下列步骤实施：

一、将泡沫材质的夹具固定到工业CT机支撑台上，使夹具竖直方向的中轴与工业CT机支撑台旋转轴重合；

二、在工业CT机的发射X射线出口位置加盖上金属片，启动工业CT机，对工业CT机进行暖机，将圆柱形干燥的沥青混合料试件放置于夹具中，保证沥青混合料试件在探测器的接收范围之内，记录沥青混合料试件的位置坐标；

三、调试工业CT机的扫描参数，设置扫描参数的电压为140～220kV，电流为60～140μA，旋转面的个数为1500，曝光时间为1000ms及敏感度系数为2，对干燥的沥青混合料试件进行扫描，获取干燥沥青混合料试件的扫描结果；

四、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤三得到的扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后干燥沥青混合料试件空隙体积大小及分布（坐标）以及非空隙物质体积大小及分布（坐标）；

五、将干燥的沥青混合料试件作浸水处理，擦除沥青混合料试件表面上的水分，然后以与步骤三相同的扫描参数对含水的沥青混合料试件进行扫描，扫描的位置也与步骤三对干燥沥青混合料试件扫描的位置相同，获取含水沥青混合料试件的扫描结果；

六、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤五得到的含水沥青混合料试件扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后含水沥青混合料试件空隙体积大小及分布（坐标）以及非空隙物质体积大小及分布（坐标），将步骤四得到的干燥沥青混合料试件重构的图像与含水沥青混合料试件重构的图像进行对比，非空隙物质的增加区域即为水分分布的区域，从而完成沥青混合料水分分布的测试。

本实施方式步骤一所述的泡沫材质的夹具是在圆盘形的夹具底座的3点钟方向、6点钟方向、9点钟方向和12点钟方向上设置有四件泡沫块，用于支撑并固定沥青混合料试件，使沥青混合料试件与工业CT机的底座隔离，避免试件与支撑台相对移动。而选取泡沫材质是因为泡沫密度很小，对X射线的影响较小，可近似于空气处理，因此可以大大减小底座影响，降低如圆环等扫描缺陷的发生，且便于单独分析试件自身的非空隙物质部分。

本实施方式步骤二在X射线出口位置加金属片（一片锡片或两片铜片）滤波以减少低能射线部分所占比例，防止产生“射束硬化”现象。

本实施方式所使用的德国菲尼克斯公司（Phoenix∣x-ray）生产的Phoenixv∣tome∣xS240型工业CT机，该工业CT机的主要参数如下表1。

表1CT机主要参数

本实施方式步骤四运用软件VGStudio Max2.2进行体积参数提取时，选定的感兴趣区域为柱体感区域，以尽量减小背景区域。步骤六针对含水沥青混合料试件与干燥沥青混合料试件的扫描重构图像分别选定合适的区分空隙与非空隙物质的阈值，此阈值的选取方法是对五次主观判定选取的阈值取平均值以得到最终阈值。

本实施方式通过与质量法测得沥青混合料含水质量的方法对比，可以从细观角度分析沥青混合料内部水分分布，提高了沥青混合料内部水分分布测试及分析的精度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是沥青混合料试件的级配类型为沥青混凝土AC、沥青玛蹄脂碎石SMA、沥青碎石AM或排水式沥青磨耗层OGFC。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二在工业CT机的发射X射线出口位置加盖上金属片，金属片为锡片或铜片。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是圆柱形干燥的沥青混合料试件的高度为63.5mm，直径为50mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

通过对实验结果精度的分析，该尺寸下试验效果最好。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三调试工业CT机的扫描参数，设置扫描参数的电压为180kV，电流为100μA，旋转面的个数为1500，曝光时间为1000ms及敏感度系数为2。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

实施例一：本实施例基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法按下列步骤实施：

一、将泡沫材质的夹具固定到工业CT机支撑台上，使夹具竖直方向的中轴与工业CT机支撑台旋转轴重合；

二、在工业CT机的发射X射线出口位置加盖厚度为2mm的锡片，启动工业CT机，对工业CT机进行暖机，将高度为63.5mm，直径为50mm的圆柱形干燥的沥青混合料试件放置于夹具中，保证沥青混合料试件在探测器的接收范围之内，记录沥青混合料试件的位置坐标；

三、调试工业CT机的扫描参数，设置扫描参数的电压为180kV，电流为100μA，旋转面的个数为1500，曝光时间为1000ms及敏感度系数为2，对干燥的沥青混合料试件进行扫描，获取干燥沥青混合料试件的扫描结果；

四、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤三得到的扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后干燥沥青混合料试件空隙体积大小及分布（坐标）以及非空隙物质体积大小及分布（坐标）；

五、将干燥的沥青混合料试件作浸水处理，擦除沥青混合料试件表面上的水分，然后以与步骤三相同的扫描参数对含水的沥青混合料试件进行扫描，扫描的位置也与步骤三对干燥沥青混合料试件扫描的位置相同，获取含水沥青混合料试件的扫描结果；

六、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤五得到的含水沥青混合料试件扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后含水沥青混合料试件空隙体积大小及分布（坐标）以及非空隙物质体积大小及分布（坐标），将步骤四得到的干燥沥青混合料试件重构的图像与含水沥青混合料试件重构的图像进行对比，非空隙物质的增加区域即为水分分布的区域，从而完成沥青混合料水分分布的测试。

本实施例步骤四选取的背景区域为柱形区域，柱形区域的高度为64mm，直径为52mm。

本实施例各取沥青混合料试件AC-13、SMA-13和OGFC-13三个，测试结果见表2。

表2CT测试结果分析

本实施例基于工业CT测试数据回归线的相关系数R2=0.9104，通过与质量法对比，可以发现CT测试结果精度较高。

Claims (5)

1.基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法，其特征在于基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法按下列步骤实现：

一、将泡沫材质的夹具固定到工业CT机支撑台上，使夹具竖直方向的中轴与工业CT机支撑台旋转轴重合；

二、在工业CT机的发射X射线出口位置加盖上金属片，启动工业CT机，对工业CT机进行暖机，将圆柱形干燥的沥青混合料试件放置于夹具中，保证沥青混合料试件在探测器的接收范围之内，记录沥青混合料试件的位置坐标；

三、调试工业CT机的扫描参数，设置扫描参数的电压为140～220kV，电流为60～140μA，旋转面的个数为1500，曝光时间为1000ms及敏感度系数为2，对干燥的沥青混合料试件进行扫描，获取干燥沥青混合料试件的扫描结果；

四、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤三得到的扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后干燥沥青混合料试件空隙体积大小及分布以及非空隙物质体积大小及分布；

五、将干燥的沥青混合料试件作浸水处理，擦除沥青混合料试件表面上的水分，然后以与步骤三相同的扫描参数对含水的沥青混合料试件进行扫描，扫描的位置也与步骤三对干燥沥青混合料试件扫描的位置相同，获取含水沥青混合料试件的扫描结果；

六、通过工业CT机配带的软件datos∣x reconstruction对步骤五得到的含水沥青混合料试件扫描结果进行图像重构，然后采用软件VGStudio MAx2.2分析计算图像重构后含水沥青混合料试件空隙体积大小及分布以及非空隙物质体积大小及分布，将步骤四得到的干燥沥青混合料试件重构的图像与含水沥青混合料试件重构的图像进行对比，非空隙物质的增加区域即为水分分布的区域，从而完成沥青混合料水分分布的测试。

2.根据权利要求1所述的基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法，其特征在于沥青混合料试件的级配类型为沥青混凝土AC、沥青玛蹄脂碎石SMA、沥青碎石AM或排水式沥青磨耗层OGFC。

3.根据权利要求1所述的基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法，其特征在于步骤二在工业CT机的发射X射线出口位置加盖上金属片，金属片为锡片或铜片。

4.根据权利要求1所述的基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法，其特征在于圆柱形干燥的沥青混合料试件的高度为63.5mm，直径为50mm。

5.根据权利要求1所述的基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法，其特征在于步骤三调试工业CT机的扫描参数，设置扫描参数的电压为180kV，电流为100μA，旋转面的个数为1500，曝光时间为1000ms及敏感度系数为2。

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