CN104361579A - 一种沥青混合料的各向异性程度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料的各向异性程度评估方法，属于沥青混合料基本物理属性的检测与评价技术领域。本发明针对现有沥青混合料各向异性程度评估技术的不足，提出了一种新的沥青混合料各向异性度量指标，以沥青混合料内部集料颗粒的截面积以及集料颗粒当量椭圆的扁平率和长轴取向等形状特征作为引起沥青混合料各向异性的主要因素，来更精准地评价沥青混合料各向异性程度；并进一步利用现有图像处理技术实现自动快速地各向异性度评估。相比现有技术，本发明通过简单的测试设备和软件即可实现对沥青混合料各向异性程度的快速准确评估。

Description

一种沥青混合料的各向异性程度评估方法

技术领域

本发明涉及一种沥青混合料的各向异性程度评估方法，属于沥青混合料基本物理属性的检测与评价技术领域。

背景技术

沥青路面结构设计理论的发展历程，其大致可以分为四个阶段，包括古典静力平衡理论、弹性半空间理论、层状弹性半空间理论和现代的黏弹塑性理论。其中，层状弹性半空间理论由于能够较真实地反映路面结构的实际情况，已成为包括我国在内的世界很多国家沥青路面结构设计方法的基础理论，在沥青路面结构设计和力学响应分析等方面发挥了巨大作用。

但是，随着我国沥青路面的大量铺筑，各种病害也随之出现，一些路面的实际寿命短于设计寿命。在分析其原因时，除了考虑交通、气候、水文等因素之外，众多研究者把目光投向了路面结构设计所采用的基础理论，尤其是弹性层状体系把路面材料的各向异性假定为各向同性是否合理？是否会低估沥青路面的荷载响应？为此，道路工作者开展了路面材料各向异性程度评价、材料各向异性对路面结构的影响等多方面的研究。

目前，通常采用沥青混合料不同方向的模量比反映其各向异性程度。为了获得沥青混合料竖向与水平向的模量比，采用的测试方法主要有两种，分别是：(1)不同试件同一方向的模量测试；(2)同一试件不同方向的模量测试。

(1)不同试件同一方向的模量测试

这种方法的测试步骤为：成型沥青混合料的大体积试件，在大试件1的水平方向和竖直方向分别钻取圆柱体试件2、3，如图1所示，对钻取得到的试件2和试件3分别测试其圆柱体纵向的模量E_v和E_h，计算得到大试件内部竖向与水平向的模量比α。Underwood Shane等人在2005年、Michael P.Wagoner在2008年都曾经采用这种方法研究沥青混合料的各向异性。

上述方法虽然可以获取沥青混合料竖向与横向的模量比，但其缺陷也不容忽视，其中最大的问题是，尽管模量测试的试件来自于同一沥青混合料试件，但毕竟竖向和横向模量是在不同的试件上测试得到的，不同试件的内部结构肯定不相同，由此获得模量比值并不能准确反映材料的各向异性，甚至有可能出现图1中试件3模量大于试件2的反常情形。

(2)同一试件不同方向的模量测试

为了克服上述方法的缺陷，人们设计了对同一试件测试不同方向模量的方法，如图2所示，该方法的测试步骤为：成型沥青混合料圆柱体试件4，从中切割出立方体试件5，对沥青混合料的立方体试件5，在竖向和水平向分别施加小应力或小应变，测试立方体试件竖向和水平向模量，以两者的比值表征沥青混合料的各向异性程度。值得注意的是，这种方法测试混合料模量时，所施加的应力必须是小应力，混合料产生的变形也必须是微小的，以确保混合料内部没有产生裂纹、集料颗粒没有大的位移等，只有这样测试得到的各向异性才是纯粹的固有结构引起的各向异性，而不是由应力诱发的各向异性。

尽管与第一种方法相比，这种方法实现了在同一试件上测试的目标，但却带来了另外的问题。主要是该方法中模量的测试分为两个步骤，在第一步骤在对立方体试件施加一个方向的压缩应力，必然引起与此方向平行的四个面产生向外侧的“***”变形，即使施加应力水平较小，这种变形也不可避免。由于沥青混合料是典型的黏弹塑性材料，在压缩应力撤除后，部分变形并不能完全恢复，这就导致在第二步骤施加另一方向压缩应力测试模量时，必然导致模量测试的不准确。

综上所述，目前沥青混合料各向异性程度的评价均是以混合料试件的模量测试为基础，以不同方向的模量比为评价指标。此外，在模量比的获取上，目前的方法要么忽视了试件个体差异，要么存在着损伤条件下模量测试不准确，或者存在着操作繁复等问题。因此，有必要找到一种能够快速准确地对沥青混合料各向异性程度进行评估的新方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种沥青混合料的各向异性程度评估方法，以沥青混合料内部集料颗粒的形状特征作为引起沥青混合料各向异性的主要因素来对其各向异性程度进行评估，不但评估结果更准确，且可进一步利用现有图像处理技术进行快速评估。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种沥青混合料的各向异性程度评估方法，利用各向异性度Δ来度量沥青混合料的各向异性程度，Δ越大，沥青混合料的各向异性程度越显著；所述各向异性度根据下式得到：

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{A_0}\sqrt{{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\sin {2\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right)}^2+{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\cos {2\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right)}^2},$

式中，ρ^(k)为沥青混合料截面上第k个集料颗粒的截面积；λ^(k)为沥青混合料截面上第k个集料颗粒当量椭圆的扁平率；θ^(k)为沥青混合料截面上第k个集料颗粒当量椭圆的长轴与截面水平方向的夹角；M为沥青混合料截面上集料颗粒的总数。

优选地，所述沥青混合料截面为：把待评估沥青混合料的圆柱体试件沿平行于圆柱体轴向的方向切割至少一次所得到的至少一个截面。为了使评估结果更准确，所述沥青混合料截面为把待评估沥青混合料的圆柱体试件沿平行于圆柱体轴向的方向平行切割多次所得到的多个截面。优选地，所述平行切割多次为等间距平行切割。

为了实现自动快速的评估，本发明进一步采用以下优选技术方案：

计算各向异性度所需的参数ρ^(k)、λ^(k)、θ^(k)、M，通过对所述沥青混合料截面的图像进行图像处理得到。

相比现有技术，本发明及其优选或改进技术方案具有以下有益效果：

本发明方法提出了一种新的沥青混合料各向异性度量指标，以沥青混合料内部集料颗粒的形状特征作为引起沥青混合料各向异性的主要因素，所得到的各向异性程度评估结果更趋近于实际；

本发明方法受实验条件的影响更小，评估结果更准确；

本发明方法实现简单，无需大型、复杂的力学测试设备，只需要一台图像采集设备和切割机，通过简单的步骤，即可完成对沥青混合料各向异性程度的快速准确评价。

附图说明

图1为不同试件同一方向的模量测试的原理示意图；图中，1为大体积试件；2为竖直方向钻取的圆柱体试件；3为水平方向钻取的圆柱体试件；

图2为同一试件不同方向的模量测试的原理示意图；图中，4为大体积试件；5为切割获得的立方体试件；

图3为具体实施例中沥青混合料圆柱体试件的切割示意图；

图4为具体实施例中沥青混合料圆柱体试件切割后需采集图像的截面；

图5为待评价沥青混合料切割后4个截面图像中的集料轮廓；

图6为截面图像中单个集料颗粒的形状参数定义。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明针对现有沥青混合料各向异性程度评估技术的不足，提出了一种新的沥青混合料各向异性度量指标，以沥青混合料内部集料颗粒的截面积ρ以及集料颗粒当量椭圆的扁平率λ和长轴取向θ等形状特征作为引起沥青混合料各向异性的主要因素，来更精准地评价沥青混合料各向异性程度；并进一步利用现有图像处理技术实现自动快速的各向异性程度评估。

本发明使用各向异性度Δ来度量沥青混合料的各向异性程度，所述各向异性度的推导过程如下：

在沥青混合料的截面上，第k个集料颗粒采用向量表示，按式(1)计算，

${\stackrel{\→}{a}}^{\left(k\right)}=a^{\left(k\right)}{\stackrel{\→}{n}}^{\left(k\right)}---\left(1\right)$

其中，a^(k)为考虑第k个集料颗粒大小、扁平率的标准化值，按式(2)计算；为第k个集料颗粒的长轴在二维平面上的单位向量，其两个分量由式(3)计算。

$a^{\left(k\right)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^M\left[{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\right]}---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1^{\left(k\right)}=\cos [x_1,{\stackrel{\→}{n}}^{\left(k\right)}]=\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ n_2^{\left(k\right)}=\cos [x_2,{\stackrel{\→}{n}}^{\left(k\right)}]=\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right.---\left(3\right)$

上两式中，M为集料颗粒的个数；λ^(k)为第k个集料颗粒的扁平度，即其当量椭圆的长短轴比值；ρ^(k)为评价颗粒大小的截面积；θ_k为集料颗粒的长轴取向，即集料颗粒当量椭圆的长轴与截面水平方向的夹角。集料颗粒当量椭圆是指与集料颗粒的截面积、1阶矩和2阶矩均相等的椭圆。当量椭圆的相关内容为现有技术，详细内容可参考[成正爱,姚卫星,吴富强.复合材料分层损伤特性分析的分层形状等矩椭圆当量方法.计算机辅助工程,2013,22(5):64-69.]。

二维平面上组构张量可以表示为

$F_{\mathrm{ij}}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{a}^{\left(k\right)}{\stackrel{\→}{n}}_i^{\left(k\right)}{\stackrel{\→}{n}}_j\mathrm{d\Ω},(i,j=\mathrm{1,2};\mathrm{\Ω}=2\mathrm{\π})---\left(4\right)$

由此，组构张量的三个独立分量为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{11}=\frac{1}{A_0}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^M\left[{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right]\\ F_{12}=F_{21}=\frac{1}{A_0}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^M\left[{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\sin {\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\cos {\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right]\\ F_{22}=\frac{1}{A_0}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^M\left[{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right]\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中， $A_0=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\right].$

二维平面上，通过求解特征方程|F_ij-Fδ_ij|＝0，可得到上述二阶张量的主不变量，

$\left\{\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\end{array}\right\}=\frac{F_{11}+F_{22}}{2}\stackrel{-}{+}\sqrt{\frac{1}{4}{(F_{11}-F_{22})}^2+{F_{22}}^2}=\frac{1\stackrel{-}{+}\mathrm{\Δ}}{2}---\left(6\right)$

其中，

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{A_0}\sqrt{{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\sin {2\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right)}^2+{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\cos {2\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right)}^2}---\left(7\right)$

式中，ρ^(k)为沥青混合料截面上第k个集料颗粒的截面积；λ^(k)为沥青混合料截面上第k个集料颗粒当量椭圆的扁平率(长轴与短轴的比值)；θ^(k)为沥青混合料截面上第k个集料颗粒当量椭圆的长轴取向(长轴与截面水平方向的夹角)；M为沥青混合料截面上集料颗粒的总数。根据式(7)可知，各向异性度Δ的范围为[0,1]，Δ越大说明各向异性明显，Δ＝0说明混合料趋于各向同性。

为了便于公众理解本发明的技术方案，下面以一个优选实施例来进行进一步详细说明。

本发明的沥青混合料的各向异性程度评估方法，具体包括以下步骤：

步骤一、试件的切割与截面图像采集：

把沥青混合料的圆柱体试件沿平行于圆柱体轴向的方向切割至少一次，从而得到至少一个截面，为了使评估结果更精确，本发明优选沿平行于圆柱体轴向的方向进行多次等间距平行切割，从而得到多个截面。如图3所示，本实例中沿纵向平行切割4次，每次切割的间距为2cm，获得如图4所示的4个截面(图中的斜线区域)，待通风环境下干燥后，采用数码相机拍摄上述4个截面，得到这4个截面的图像，如图5所示，其中白色区域为集料颗粒。

步骤二、截面内集料形状信息的提取：

要计算各向异性度Δ，则需要提取截面图像中每个集料颗粒的截面积ρ、集料颗粒当量椭圆的扁平率λ(即长轴长度m与短轴长度n的比值m/n)和长轴取向θ(长轴与截面水平方向的夹角)，以及截面图像中集料颗粒的总数量M；其中长轴取向θ为(90°-δ)，δ为长轴与截面竖直方向的夹角。截面图像中单个集料颗粒的形状参数定义如图6所示。以上形状参数可利用现有图像处理技术对截面图像进行处理得到，例如直接使用Image-pro plus、ImageJ、Scion Image等图像处理软件。

下面以Image-pro plus 6.0图像处理软件为例来具体说明：

把第1个截面的图像导入Image-pro plus 6.0图像处理软件中，在Image-pro plus 6.0图像处理软件中，对第1个截面图像，选择Count/Size菜单，进入Count/Size对话框，在对话框中依次点击Measure-Select Measurements，进入下一级Select Measurements对话框。选择“Angle”，并在Start中输入0，在End中输入180选择“Area”，并在Start中输入0，在End中输入100000；选择“Axis(major)”并在Start中输入0，在End中输入100000；选择“Axis(minor)”，并在Start中输入0，在End中输入100000；点击OK，返回到上级Count/Size对话框。点击Count，在菜单View中选择Measurement Data，进入Measurement Data对话框，在其中的File菜单中，点击Data to Clipboard，采集到了第1个截面中167个集料颗粒的面积、集料颗粒当量椭圆长轴与竖直方向的夹角、当量椭圆的长轴和短轴，并由(90°-δ)计算各个集料颗粒的长轴取向θ，由长轴m与短轴n的比值计算各个集料颗粒当量椭圆的长短轴比值λ，所得到的结果如表1所示。

表1 沥青混合料第1个截面中所有集料颗粒的形状特征参数

采用与上述类似的方法，运用Image-pro plus 6.0图像处理软件采集了其他3个截面图像中集料颗粒(第2个截面中145个集料、第3个截面中125个集料、第4个截面中176个集料)的面积、集料颗粒当量椭圆长轴与竖直方向的夹角δ、集料颗粒当量椭圆的长轴m和短轴n。

步骤三、各向异性度的计算：

把采集到的4个截面内共613个集料颗粒的面积以及集料颗粒当量椭圆的长轴取向和扁平率代入式(7)计算得到：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}=\frac{1}{A_0}\sqrt{{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\sin {2\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right)}^2+{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\cos {2\mathrm{\θ}}^{\left(k\right)}\right)}^2}\\ =\frac{1}{65098.91}\sqrt{51640645.63+40124516.28}=0.147\end{array}$

由于沥青混合料的各向异性度为0.147，远小于1，说明该沥青混合料中集料的细观结构特征分布较均匀，各向异性并不显著。

Claims (6)

1.一种沥青混合料的各向异性程度评估方法，其特征在于，利用各向异性度                                               来度量沥青混合料的各向异性程度，越大，沥青混合料的各向异性程度越显著；所述各向异性度根据下式得到：

  ，

式中，，为沥青混合料截面上第个集料颗粒的截面积；为沥青混合料截面上第个集料颗粒当量椭圆的扁平率；为沥青混合料截面上第个集料颗粒当量椭圆的长轴与截面水平方向的夹角；为沥青混合料截面上集料颗粒的总数。

2.如权利要求1所述沥青混合料的各向异性程度评估方法，其特征在于，所述沥青混合料截面为：把待评估沥青混合料的圆柱体试件沿平行于圆柱体轴向的方向切割至少一次所得到的至少一个截面。

3.如权利要求2所述沥青混合料的各向异性程度评估方法，其特征在于，所述沥青混合料截面为把待评估沥青混合料的圆柱体试件沿平行于圆柱体轴向的方向平行切割多次所得到的多个截面。

4.如权利要求3所述沥青混合料的各向异性程度评估方法，其特征在于，所述平行切割多次为等间距平行切割。

5.如权利要求1～4任一项所述沥青混合料的各向异性程度评估方法，其特征在于，计算各向异性度所需的参数、、、，通过对所述沥青混合料截面的图像进行图像处理得到。

6.如权利要求5所述沥青混合料的各向异性程度评估方法，其特征在于，利用Image-pro plus图像处理软件进行所述图像处理。