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沥青混合料集料分布状态及其对劈裂试验影响数值分析

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沥青混合料集料分布状态及其对劈裂试验影响数值分析
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师也给予了无私的支持与帮助,在此深表感谢。同时也要感谢王金昌老师,还记 得最先听到的就是王老师的声音;他那不拘一格,爽朗不羁的东北人性格,还有 其它方面都很值得我去学习.这儿还要感谢黄志义老师、王福建老师、杨仲轩老 师,吴珂博士、梅振宇博士等,感谢他们对我研究生阶段学习上的指导与关心. 还要感谢实验室的于师傅和其他工作人员在我试验方面所提供的帮助. 接下去到了得感谢朝夕相处的师兄弟、同窗好友的时候.感谢王新飞、张其 践,李永永、徐伟等师兄的帮助。感谢刘卓、王孝红、王夕鹏、张雷.我们在 一 块儿的时间相比最长,在学校共同学习生活,还有在外出差的事儿,都留下最深 刻的印迹.还要感谢谭真、吴中华、曾志远,范亮平等师弟,你们都带给我美好 的记忆.也要感谢在研究生阶段,工作室中的许多可爱的人物。 格外要感谢一直以来都在默默支持我学业的亲人,这么多年来我能够一路走 下来,你们给予的支持与鼓舞必不可少. 最后,感谢各位专家教授在百忙之中评阅本论文和出席论文的答辩会,就我 论文方面所给予的珍贵指导。 徐小剑 年月于浙大紫金港浙江大学坝:学位论文 摘要 沥青路面普遍存在混合料离析的现象,而离析是造成沥青路面早期损坏的主 要原因,也是影响路面使用寿命的重要因素。当前,数字图像处理技术是对混合 料离析进行评价的一种重要手段.基于此研究者从细观角度提出相应的评价指 标,并进一步研究其与混合料力学性能的关系。 本文在前人对沥青混合料均匀性方面的研究基础上,应用数字图像处理技 术,从细观角度提出评价截面集料分布状态的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 与指标;进一步提出了评价混 合料集料分布状态的指标,对影响混合料集料分布状态的因素集料粒径、油石 比与压实功进行定量分析。再者建立基于试件截面的劈裂试验有限元模型,研 究集料分布状态对其虚拟劈裂试验力学性能的影响。此外在室内进行劈裂试验, 验证混合料集料分布状态对其虚拟劈裂试验力学性能的影响. 研究表明:混合料集料分布状态的评价指标能够较好地反映集料粒径、油石 比与压实功对混合料集料分布状态的影响.混合料集料分布状态评价指标,与其 对应于试件多个截面的虚拟劈裂试验计算得到的压头反力的变异系数的均值,有 很好的相关性。室内进行力学劈裂试验,以其劈裂强度的变异系数作为反映混合 料集料整体分布状态的指标,验证了混合料集料分布状态对其虚拟劈裂试验力学 性能的影响。 关键词:沥青混合料,集料分布状态,数字图像处理,有限元法,劈裂试验 ?浙江大学硕:学位论文 , . .. ., . .,. ,.. , .浙江大学硕学位论义 。 , , , , 浙江大学烦:学位论文 目录 丈谢.. 摘婴.??. 目录., 者沦??. .研究于景和意义? .囡内外研究现状?.. .上要研究内容与方法沥青混合料集料分布状态评价方法??. .数字图像处理技术简介? .沥青混合料数字图像处理技术? .沥青混合料截【斫集料分斫状态一 ..评价方法一:同心网划分法?. ..评价方法?:扇形划分法 ..评价方法三:综合划分法??. .沥青混合料集料分布状态??。 .本章小结。 沥肯混合料集料分布状态上要影响因素??. .试什制薪与处理.沥青混合料集料分布状态丰婴影响凶素??. ..集料粒径. ..汕行比??.. ..压实功?. ..其它凶素. .本市小结。 沥青混合料集料分和状态对劈裂试验影响数值分析. .有限?法简介..概走 ..自限元法存沥青混合料中应用. .沥青混合料集料分伽状态对劈裂试验影响数值分析. ..劈裂试验简介?. ..截向集料分布状态对劈裂试验影响数值分析. ..集料分斫状态对劈裂试验影响数值分析??。 .奉章小结。 主要结论‘腱塑?“ .生要结论。 .展望? 参考义献?. 浙江大学帧学位论义 绪论 绪论 .研究背景和意义 截止 年底,全国高速公路里程达.万公里:到“十二五”结束,即 年高速公路总里程将达到.万公里。在这短暂的五年时间,如此大规模 地建设国家高速公路路网,要确保建成优质的道路也是道路工作者的一项重大任 务。在已建高速公路和规划建设中的一批高速公路中,其采用的路面形式因沥青 路面具有较强的适用性、行车舒适性、维修养护方便快捷等方面的优点,所以沥 青路面成为主要考虑的路面形式。面对可预见的庞大的沥青路面建设数量而言, 我国在高等级道路中,沥青路面的建设与使用经验也只有短短的二十多年,相比 国外沥青路面的建设水平,我国沥青路面的整体质量仍存在一定的差距. 这些年在沥青路面的原有老问题还未得以彻底解决的情况下,同时也遇到一 些新的问题。自然这与我国的道路交通环境也息息相关,譬如说道路交通量大, 运输车辆超载现象严重等状况。沥青路面的离析问题便是众多老问题中不可忽视 的一个,并且其随着所用级配中集料粒径的增大而越趋严重。此外在沥青路面中 也出现一些新的病害形式,如出现裂缝自上而下发展、坑洞的上窄下宽特 征?。 病害与沥青混合料的离析也存在一定的关系,或是因离析直接导致的,事实上离 析也起到加剧一些病害的严重性的反面作用。 沥青路面在建设中普遍存在沥青混合料离析的现象,而离析是造成沥青路面 早期损坏的主要原因,也是影响路面耐久性的重要因素。在沥青混合料发生离析 现象后,显然由此所成型的沥青路面,其内部各组成将偏离预先的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要求,也 势必造成其具有不同的性质,整体表现上就是路面将呈现不同的路用性能,影响 沥青路面正常服务于道路交通。相关的调查表明,很多高速公路在建成通车仅? 年的时间沥青路面就出现大面积的破损现象,如车辙、推移、泛油、拥包、松 散、裂缝和透水等初期与早期的破坏状况‘.具体而言,沥青路面在发生离析后, 沥青混合料的劲度模量、抗拉强度等将下降,从而导致路面的加速损坏,如松散、 裂缝、高温稳定性、抗疲劳性能和车辙等.有研究表明因离析而造成的沥青路面 层的寿命将会大大缩短,在发生严重离析的路面层其使用寿命甚至可以降 低% 浙江大学碘:学位论文 绪论 以上?。 沥青混合料的离析主要分为材料离析与温度离析两大类型。材料离析的表现 形式是沥青混合料中粗集料与细集料的分离、沥青含量的波动、纤维等外加剂的 集散和空隙率的变化。温度离析发生在沥青混合料的运输、摊铺、碾压等环节, 其表现形式是混合料在不同的部位产生温度差异,在施加相同压实功时,将产生 不同的压实度和不同的空隙率。其中集料离析本研究的主要方面是材料离析 中主要的一种,所以有相关的研究直接将沥青混合料的离析分为集料离析或级 配离析与温度离析两大类型。如图.所示即为集料离析发生的现象之一。 集料离析发生后,沥青路面一般将会出现某些区域粗集料较为集中,相应的 某些区域细集料较为集中,使得混合料呈现不均匀的态势。一般而言,粗集料较 为集中的区域,其空隙率往往过大、沥青含量也偏少,易于造成沥青路面出现水 损害、路面开裂,使得路面出现坑洞、裂纹,降低路面使用寿命等问题。而在细 集料较为集中的区域,其沥青含量往往偏多、空隙率过小,从而造成沥青路面 高 温稳定性差,易于出现车辙.泛油等路面病害。可见无论出现那种状况都不是我 们所乐见的. 图.集料离析情况? 卜细集料;一粗集料;一传送带 沥青混合料的离析现象因混合料内部颗粒粒径的巨大反差而造成其本身的 不可避免,又因混合料在组成设计上的不合理和施工过程中机械问题或人员的疏 忽等等不可完全规避的因素。离析虽如所言不可避免,但可以使离析的严重程度 降到一定范围以内.在此,就很有必要从混合料的设计阶段到施工的各个环节都 严格要求,进而达到预防与降低离析的目的.在这个过程中非常重要的一点就涉 及到了评判沥青路面发生离析的严重程度以及不同因素对离析的影响等问题.通 浙江大学硕:学位论文 绪论 过对文献资料的调研,作者了解到当前在评判沥青混合料离析方面,主要是从宏 观角度就沥青路面的某些属性指标,快速检测路面的离析;而从细观尺度出 发, 在最近些年也有部分人员展开了相关的研究。 纵观国内外对沥青混合料离析方面的研究,研究人员探讨了离析的产生、识 别、评价与降低离析的程度等多层面的内容,取得一定的研究进展。特别是在评 判沥青混合料的离析方面,从宏观角度定性或定量地研究离析,不断突破技术上 的难度,采用新技术新手段实现快速检测路面的离析状况.从细观角度实现对沥 青混合料离析的评判,主要始于上个世纪的末期,研究者施行从混合料的内部结 构方面进行研究。但因从技术上要准确获取混合料内部结构特征在实行上的难 度,多数的研究者只是基于二维或由二维间接反映混合料的三维特征,从某些个 别的指标反映混合料的离析状况。自然这些方面的研究具有局限性,可是从另一 方面加深了人们对混合料内部结构的认识。 本文从细观角度研究沥青混合料中集料的分布状态,选取合理的评价方法及 相应的指标,评价混合料试件截面中集料分布状态,进而实现评价整个沥青混合 料试件中集料分布状态。而后研究集料分布状态对混合料虚拟劈裂试验力学 性能 的影响. .国内外研究现状 通过前节对沥青混合料离析的简单阐述,让我们对离析及其产生的病害有个 初步的认识.很多国家对离析都有高度的认识与重视,在对离析相关方面的研究 者中投入大量的人力与物力,从而实现防止与降低离析的目的.对此进行系统的 研究,主要有美国在上世纪末借助强大的资源,开展了美国国家联合公路研究项目“热拌沥青混合料的离析原因” ‘和“热拌沥青混合料路面的离析” 一?.该研究项目的重点在于探究了沥 青路面离析的检验与评价方法,使人们对离析有了更深的认识. 经过多年的探讨与发展,国内外在用于检测沥青路面离析的方法与手段上, 从早期的目测法、铺砂法,钻心取样法,透水法,到核子密度仪法、无核密度仪 法,雷达、红外摄像仪、地震波、激光构造深度法,到采用数字图像技术等方法. 浙江大学坝学位论文 绪论譬如 等使用数字图像分析法定量研究了的离析现象。其研究先捕 捉路面的图像信息,再测得因离析导致的路面表观上的变化. 等也采用数字图像处理技术实现快速获取沥青路面构造深度的信息,而后再 对离 析进行探测与评估.等应用红外线成像技术与地质雷达检测热拌沥青 混合料层的离析。研究表明,无论是红外线还是雷达数据的改变,都与热拌沥青 路面的属性,如空隙含量与集料级配,存在很好的相关性‘。李强使用红外摄像 仪拍摄摊铺时的温度离析带,在混合料碾压完成之后,使用无核密度仪测 试温度离析区域的密度值,并将其与离析周围正常温度区域的密度进行比较分 析。研究指出红外热像仪可以精确地测得混合料温度离析的区域和形状郭大 进结合红外热像仪与无核密度仪,直观定性分析路面离析情况和找到离析 的原因,而且定量评价路面离析程度及范围?。此外其运用无核密度仪, 与传统的水中重法进行对比试验,总结了在沥青面层施工压实度检测中的精 度,研究了其用于沥青路面的适用性、使用方法、可靠性并控制测量误差.查 旭东采用无核密度仪对路面下面层试验路的压实度、横向压实质量 及均匀性进行了快速检测评价,指出无核密度仪法具有快速、可靠等优点,可广 泛地应用于路面施工中的质量控制”.付玉论述了核子密度仪测试结果与现场取 芯结果的对应性问题,测试了核子密度仪在实际路面的压实度检测中的使用??。 以上所罗列出的部分前人研究内容,其主要是借助高技术手段从宏观角度检 测、评价沥青混合料离析的研究成果.接下去文中将着重就国内外各研究者借助 先进的研究手段,从细观角度探讨混合料的离析,特别是从集料的分布状态角度 研究相关的内容。 等人借助 技术与图像处理技术,提出描绘混合料的集料 的朝向、级配与空隙的分布的参数.其指出,需得到的集料朝向随成型压实功而 理想化,直到达到一定的压实功水平?.在而后的进一步研究中,等人量 化了用旋转压实法成型的试件在不同深度处的空隙分布状况与所受的影响。统计 分析表明, 模型可以用于描述空隙的分布,即用该模型量化了压实功、 成型方法和集料粒径的分布对空隙的影响。研究表明,空隙在旋转压实法成型的 试件中呈现“浴盆”形状,即大的空隙分布在试件的上下两部分,并且在高的压 实功下这种形状越明显??。 浙江大学颁学位沦义 绪论 等人研究了由旋转压实法成型的试件中粒径. 的集料在径向 的分布状况。其基于扫描获取纵向纵向截面图,并将纵向截面图分成三条带, 即分成中心与外围等面积的区域,再计算集料在该区域的面积比的变异系数, 由 统计法分析了不同成型方式所制成的混合料试件的均匀性状况。并且,其进一 步分析了不同成型法中其各区域在空隙上的分布状况。通过剪切试验机进行 力学受力分析,表明在两种试验温度?与情况下,其材料的剪切性能与 其非均匀性状况存在函数关系”引。 等人提出将沥青混合料的水平截面划分成内外等面积的两区域,同 时将竖向截面划分成上中下形式的区域上下两部分的与中间部分等体积,考 察空隙在试件空间上的分布状况,并且提出纵向分布指数、纵向变异系数,与水 平分布指数.水平变异系数.研究表明,在旋转压实试件中有更多的空隙分布于 外围区域与上下两部分的区域;在现场试件中水平方向的空隙分布较均匀而纵向 分布不均匀“。在另一篇论文中,他们采用名为不均匀指数来量化空隙在纵向与 横向的空隙分布状况。研究指出室内成型的试件是非均匀的,需要配备空隙均匀 分布的试件用以实验,并且指出造成不均匀性的原因. 借助数字图像处理技术,研究了用不同成型方法制成的试件,量化 了其中集料在水平截面上的朝向与集料的分布,提出比较截面上相等区域里集料 累计面积值的大小来评价离析程度的方法.结果表明,旋转压实与振动压实的试 件,其中的集料呈现圆周对齐分布状态,而这种状况在大颗粒的集料与长宽比 的集料中尤为明显。同时也表明,板坯压实的试件,集料的朝向更为随意。此 外进一步指出较大的离析现象发生在旋转压实与振动压实成型的试件??。 胡迟春等人从沥青混合料的空隙分布角度,分别就纵向空隙率分布和径向空 隙分布评价沥青混合料动态压实过程中的压实均匀性.研究表明,混合料试件的 纵向空隙率分布,呈现两端高中间较低的情形;随着旋转压实次数的增加,混合 料的压实均匀性也随着提高。 彭勇将沥青混合料试件的水平与垂直截面分成四等块再进行。旋转,获取 各区域中粒径. 的集料个数,提出了集料颗粒个数的变异系数:并且考 虑各档集料质心与几何中心的距离偏差,再化为无量纲的距离偏差率.最终即以 反映截面颗粒数目分布的集料颗粒个数的变异系数和反映位置分布的距离偏差浙江大学坝:学位沦文 绪论 率两个指标的组合值来反映混合料的三维均匀性啦。此外还就此在室内进行各种 力学试验,探讨其均匀性对混合料力学性能的影响?”。在其博士论文中有具 体提 出并且验证了种沥青混合料均匀性的定量评价方法,包括了集料对轴的转动 惯量和对轴的转动惯量、级配集料粒径分布函数的分形方法;而且给出了相应 的沥青混合料均匀性指标,也在此基础上对指标进行了界定,对研究沥青混合料 均匀性进行了非常有益的探讨 英红等人对沥青混合料试件的水平截面进行图像处理,获取将截面旋转一周 其中颗粒的转动惯量,再求取转动惯量的均值与方差两个指标,以此两个指标依 次评价混合料的整体均匀性与细节上的均匀性。研究表明,通过分析芯样图片中 集料颗粒的转动惯量,俩指标可以定量地评价混合料的离析情况‘?。在另外的研 究沥青混合料集料颗粒的接触特性中,计算出粗细不同的集料颗粒的接触对数 ,提出离析指数来表征局部离析现象?. 吴文亮采用彩色集料界定试件水平截面上的粗细集料颗粒,采用圆心 角扫描截面将其分成个区域,求取这些区域颗粒面积比的变异系数,并作为 判定集料分布状态的指标,结果表明该指标能够定量评价混合料的均匀性盯.而 后其又对矩形截面以一定间距分别从左到右与从上到下做扫描,得到一系列 的矩 形区域,再将扫描断面内累计粗集料粒径面积之和与矩形面积的比值定义为颗粒 面积比,分别计算每次扫描后区域内的颗粒面积比,通过对颗粒面积比的统计分 析,最后以颗粒面积比的变异系数作为指标定量评价混合料的整体均匀性.基于 该法并且采用统计分析的方法研究同一级配在不同成型方法情况下的 均匀性状况,指出四种成型方法,即旋转压实、轮碾成型,马歇尔击实、振动成 型,成型的试件的均匀性依次变差?. 潘艳珠等人基于数字图像处理技术,求取试件水平截面上的各档集料对轴、 轴的静矩,并且使用各档粗集料分计筛余百分率作为加权平均参数,计算各档 集料的静矩和,最后取各截面静矩和的平均值,以此作为表征整个试件的离析指 标.此外就工程中常见的种典型级配,定量地评价不同类型的混合料的离析状 况,研究表明:随着混合料最大公称粒径的增大,其离析程度明显增强;对于最 大公称粒径相同混合料类型,的离析程度较小‘们. 从以上所列出的一系列国内外研究者所做的研究,可以说国外较早就开始了 浙江大学钡:学位论文 绪论 沥青混合料均匀性方面的研究,其主要着力点是从混合料的空隙分布、密度变异, 表面构造深度等方面研究混合料的离析问题。国内的研究者在这些方面也做出相 当多的研究,通过借助先进的技术手段而后来跟上。其中从细观角度研究混合料 的内部特征,特别是与本文较有关联的均匀性方面,这些年国内的研究人员做了 较多的工作,如同济大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学、长安大学等高校都 有较多的研究成果。国内外的无论是针对混合料中的空隙还是集料,都有相关的 涉及,特别就集料的分布状态方面,也可看出已有一些评价集料分布状态的方法 与指标。此外从文献调阅中也可了解到,在混合料集料分布状态对其力学性能的 影响方面的研究,也有部分人员主要通过室内实验进行了相关的分析。 .主要研究内容与方法 通过对国内外相关研究资料的调研,我们了解到从细观角度研究混合料的集 料分布状态,实现对其均匀性问题的评价,随着研究技术与手段的不断突破,也 得到众多研究者的重视,并且加入该研究的行列。本文在这样的背景条件下, 基 于数字图像处理技术,采用商业有限元数值模拟软件,以及在实验室进 行劈裂试验,从细观角度研究混合料集料的分布状态及其对虚拟劈裂试验的 影 响,具体的研究内容如下: 文中综述了沥青混合料均匀性评价方面的研究现状,特别介绍了从细 观角度对混合料集料分布状态的研究. 在前人研究沥青混合料集料分布状态的基础上,结合数字图像处理技 术,进一步探讨评价混合料集料分布状态的方法并且提出相应的评价指标。 采用所提出的评价方法与指标,研究混合料集料分布状态的主要影响 因素. 结合数字图像处理技术,建立基于混合料试件水平截面的劈裂试验有 限元模型,并考察不同截面图对应的模型在不同加载方向与方式下的力学响 应与 力学特征,以研究混合料集料分布状态对其虚拟劈裂试验力学性能的影响. 对沥青混合料试件进行劈裂试验,以其劈裂强度的变异系数,验证混 合料集料分布状态对其虚拟劈裂试验中力学性能的影响。 浙江大学颂学位论文 沥青混合誊:集抖分斫状态计价方法 沥青混合料集料分布状态评价方法 本章采用数字图像处理技术,对沥青混合料试件的水平截面进行处理与分 析,获取包括集料面积,质心、长短轴及长轴朝向等方面的数据。在此基础上, 借助其它软件,对所获得的数据进行进一步的计算与分析,从而得到后面应用分 析的直接数据。此后着重介绍评价混合料截面中集料分布状态的方法与对应的指 标,并且通过对直接数据的具体应用,验证混合料截面中集料分布状态的评价方 法。最后提出了评价混合料集料整体分布状态的方法与指标。 .数字图像处理技术简介 数字图像处理技术又称为计算机图像处理技术,指的是将图像信号转换成数 字信号并利用计算机对其进行相应的处理的技术,包括图像输入输出技术、图像 分析.变换与处理技术以及图像识别与特征提取等方面。具体而言,就是通过计 算机实现对图像的除噪、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术?. 数字图像处理技术伴随电子计算机的出现而出现,也伴随着电子计算机的快 速发展而取得长足的进展。数字图像处理最早出现于上世纪的年代,当时的 电子计算机已发展到一定的水平,人们便利用计算机处理图形和图像信息;而其 作为一门学科大约形成于上世纪年代的初期‘?.数字图像处理技术具有再现 性好.处理精度高、适用面宽,灵活性高等方面的优点,但也存在受人的因素影 响较大等问题。目前其应用领域已涉及到人类生活和工作的众多领域,如工程学, 计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等 领域,并且在多个领域都取得了巨大的成功和显著的经济效益。 .沥青混合料数字图像处理技术 沥青混合料是种由多种成分组成的复杂材料,组成成分包括沥青、粗集料、 细集料和矿粉以及外加剂,或者另一尺度把它分成由粗集料、胶浆包括沥青、 细集料与外加剂,空隙三部分组成的材料.数字图像处理技术最主要的工作就 是对这些成分针对不同的使用目的给予相应的辨识与数据获取. 浙江大学硕。二学位论文 沥青混合料集料分和状态计价方法 数字图像处理技术应用到沥青混合料,其中图像数据的采集是个非常重要的 环节。目前获取混合料试件内部的截面图片信息,主要有数码相机拍照法与 ? 扫描法。数码相机拍照法主要利用不同材质所呈现色彩不同的特点 实现对材料的区分;而 扫描法是根据混合料试件内部的各组分在密度 上存在的差异. 数码相机拍照法是利用电荷耦台器件在一定的光照条件下,对所研究 的物体进行拍照,以采集其结构信息.目前,数码相机拍照技术已在医疗,通信、 电子、机械、文艺等领域都得到广泛应用,其也逐步在土木工程领域得到运用?。 对混合料试件的内部切片进行图像采集,数码相机拍照技术在进行识别与分析 时,一般而言集料呈现为灰色或白色,沥青胶浆接近黑色,而空隙通常为深黑色。 因此,为便于对图像中的集料进行边缘识别与提取,先期在选择石料时,宜选用 色泽较浅的石灰岩,玄武岩等岩石类型,使得集料和沥青胶浆间的色泽反差增大。 此外遇到的问题是,在对试件进行切割获取截面时,通常在切面的集料颗粒的边 缘,易发生松散破碎,出现许多松散连接的细小颗粒,使得边缘模糊与颗粒相连 接,从而致使后续处理的困难。总之数码相机拍照法对混合料内部结构进行研究, 其特点可概括为:图像的精度高.分辨率达几百万相素甚至更高的数码相机 也随工作需要而定,其精度已经到了到相当高的水准.硬件设备要求较低, 仅需数码相机及光照系统.随着目前数码相机制造技术的不断成熟,专业数码相 机的价格己降至可接受的水平。破坏性检测。若对试件的内部结构进行观测 时,需对混合料试件进行切割,破坏了试件的完整性,无法对该试件进行对应的 力学试验?引. ? 无损扫描技术是利用射线辐射成像装置对物体的断面进行旋转扫 描,再收集射线经此层面中不同物质衰减后的信息,进一步放大和模数转换后, 最后由计算机在的探测空间范围内与空间某点相关的各个方向射线进行空间 解算,得出与该点射线吸收系数数直接相关联的数值,从而形成一幅物 体层面的“数字图像”.物质的密度越大,数越大,表现在图像上其亮度也越 高?.因此,利用扫描技术对沥青混合料试件内部结构进行扫描时,宜采用密 度较大的花岗岩、石英岩等岩类,增强集料与沥青胶浆间的亮度对比,便于后续 处理时集料边缘的检测与识另. 扫描技术对混合料内部结构进行研究, 沥青混合料集料分布状态评价方法 浙江大学帧学位论文 其特点可概括为:成像精度较高。目前的设备大致可分为医用与工业 两种,在对沥青混合料试件内部结构进行扫描宜采用工作电压较高、有更高分辨 率的工业,当前的工业扫描空间分辨率可达. 量级。硬件设备要 求高。设备本身昂贵,检测使用的成本也高。无损伤检测 在对物体内 部进行检测的过程中,不会破坏物体的整体性,同时可以获取理论上任意多次的 对试件的不同层面包括横向与纵向重复扫描,克服了数码拍照在该点上的 缺陷。 由以上所提及的采集混合料内部图像的方法,从混合料中获取相应的数字图 像。但在数字图像用于定量分析之前,通常仍需进行一定的处理,如:滤波去噪、 图像增强、图像阀值化、颗粒复原、颗粒分离,集料内部的空洞还原等.经过这 些步骤的处理后,方可对集料颗粒的边缘进行识别与提取,并且进一步对颗粒的 周长、质心、半径、面积、长轴朝向,以及对混合料的空隙等方面进行计算与获 取数据。 当前用于混合料试件截面的数字图像处理的软件,如:, , ,等.这些软件各具特色,可针对性地利用其某项特 征,充分展现其功能,高效便捷地达到图像处理的预期效果.但在具体的图像处 理的操作过程中,各种商业图像处理软件仍存在对特别的处理对象上存在局限 性,一般还需要编制特定的程序。文中涉及到的图像处理,便既使用到常用的商 业图像处理软件,也在关键部分运用到专门编写而成的程序语言. 本文采用由同济大学彭勇等人编写而成的基于 程序语言的图像 处理与分析软件完成对图像处理的相关工作,其具体内容参见文献【】。为获取 混合料试件内部的细观结构的图像,文中采用有破损的方式按规定的切割方 式, 即用切割机的切片在事先设定的部位切开试件,再使用数码相机采集试件切 割面的图像信息,结合数字图像处理技术与 语言编写的图像处理程 序,获得切面各项组成成分的数据,最后采用常用的办公与工程软件与 进行进一步的计算与分析,以供在混合料集料分布状态的评价与虚拟劈 裂力学试验当中使用.数字图像处理的流程如图.所示. 浙江大学坝:学化论义 沥青混合料集料分枷状态计价方法 成型沥青混合料试 . 数码相机图像采集 , 图像初步处 』上 输入图像 上上 图像预处理 上上 图像识别、降噪等操作 上上 图像分析 』上 获取细观结构特征 图.沥青混合料数字图像处理总流程图示 对由数码相机获得的彩色图片进行初步处理,生成灰色度的图片,其简要的 数字图像处理过程图如图.所示: 图.图像处理过程图 在数字图像处理技术处理混合料试件的截面过程中,试件截面与集料颗粒的 基本参数简介如下:浙江大学坝学位论文 沥青混合料集料分夼状态计价方法 本研究需要得到试件水平截面上的集料颗粒的面积、质心、长短轴、颗粒长 轴方向、粒径等主要图像信息。为计算出以上所提到的各个量,建立以图像的左 上角为坐标原点,竖直向下的方向为轴正方向,水平向右的方向为轴正方向的, 针对整个图像截面的全局坐标系。以下对各主要概念略表介绍。 面积:即数字图像处理软件识别出的颗粒边界所包含的像数的总和,再由其 与真实试件尺寸的比例关系,得到真实比例的颗粒面积,单位为。 质心:沥青混合料图像中,每个集料颗粒的质心。 几何中心:对整个沥青混合料图像,存在一正方形的边框外切于其图像边界, 而该正方形的几何中心即为截面图像的几何中心. 长轴与短轴:以圆形颗粒的等效粒径代表颗粒,与真实的粒径有较大 的偏差。本文采用椭圆近似代表真实的集料颗粒。在确定其椭圆的长短轴时,连 接颗粒边界的凸边界上任意两个边界点,以其中最大的直线距离作为颗粒的长 轴。在确定集料颗粒的面积与长轴的前提下,可以方便地计算出其短轴的长度. 具体如图.所示. 方向:用于描述椭圆颗粒长轴的朝向.其指的是在全局坐标系下,颗粒长轴 . 与水平间的夹角? 粒径与级配:由所计算出的短轴长度,其值即为该集料颗粒的粒径。就由颗 粒的粒径,再根据筛孔的尺寸,从而得到该集料颗粒所属的级配范围. 图.等效椭圆示意图 在混合料离析研究中,细集料颗粒细小、数量众多,基本不存在离析的问题, 而粗集料的分布情况则对混合料离析的影响重大.因此在本文研究中,以粒径 . 的颗粒作为图像处理的对象.浙江大学坝:学位沦义 沥青混合料集料分钿状念计价力’法 .沥青混合料截面集料分布状态 本节结合数字图像处理技术,对沥青混合料试件的水平截面,进行处理与分 析;其将混合料试件的水平截面,分别按同心圆划分法与扇形划分法两种划分方 法进行区域划分,而后计算与处理相应图像处理后的数据,从中获取两个反 映截 面集料分布状态的次评价指标,并且最终确定以两个次评价指标的组合值作为截 面集料分布状态的评价指标。文中主要针对粗集料集料粒径?. 或 . 进行分析,是因为粗集料的分布状态,在很大程度上,决定了细集料 与胶浆部分的分布状态。此外在沥青路面中粗集料对荷载的承受与传递起到主要 的作用。因此,本文通过对截面中粗集料分布状态的计算与分析,反映截面中全 体集料的分布状态,进而在很大程度上也反映混合料试件在该对应截面的部位集 一 料的分布状态。 在研究混合料试件截面中集料的分布状态时,我们需要考察集料在截面上的 分布均匀性与合理性,譬如以防出现集料在某一区域聚集的现象。理想的情况是, 若集料的分布完全均匀,从截面中任切取一块,其中该区域集料颗粒的面积占整 个截面集料颗粒的面积与该小块区域的面积占整个试件截面的面积相等;但在实 际的混合料试件截面中,不可能达到如此理想的地步。因此,为突破传统受人 为 视觉观察方式影响较大的定性评价,在前人从细观角度研究的基础上,文中 提出能够定量地反映截面中集料分布状态的评价方法与指标. ..评价方法一:同心圆划分法 就获取的混合料试件的水平截面图片,从视觉直观的感觉角度观察,首先映 入眼帘的是清晰且亮锃锃的集料颗粒的截面。文中的评价方法正是基于这种视觉 特征,达到评价指标与视觉特征的对应性,实现对评价方法与指标的验证。为使 研究易于实施,需作如下的简化措施: 不同粒径的集料均视为等厚度的薄板. 不同粒径的集料均视为等密度的颗粒体. 在以上假设的前提下,以集料颗粒的尺寸与对应的该集料颗粒的面积代表该 集料的特征;再以截面上等面积区域内集料颗粒的面积和的变异系数,体现混合浙江大学硕,:学位论文 沥青混合料集料分和状态件价力’法 料截面中集料的分布状态.评价方法一采用的划分方法是将试件截面按径向,划 分成等面积的三圈与四圈同心圆的形式,如图.所示。在此需加以说明的是, 为了使狭小的试件水平截面不至于被划分得过于破碎,出现各同心圆之间的间距 过于窄小的状况;同时也要使划分的同心圆数目对截面中集料的分布状态有较强 的敏感性,本研究探讨并尝试采用中等同心圆的数目,即最终考虑三圈与四 圈两 种划分形式.对于由旋转压实成型的直径为的试件水平截面,为使各区 、 域的面积相等,对应于三圈划分形式的各个同心圆半径依次为. . 、. 。 ;对应于四圈划分形式的各个同心圆半径依次为 . 。再者,计算各径向不同区域中的集料颗粒集料的质心落在所属的 区域范围内的面积之和,求取得到多个集料颗粒面积和的变异系数。此处将 分 与. 别计算颗粒粒径. 的集料其对应的情形,具体的计算公式 一 如下所示: ,?‘ . ./ ‘. . ,,,?,朋; 式中:墨一一各径向区域中编号为的颗粒的面积 一一编号为,区域中的颗粒的面积,./,,?,玎,此处力 或; 一一各区域中集料颗粒的平均面积; ‖一一各区域中集料颗粒面积之和的变异系数,无量纲. 该评价方法的目的主要在于体现集料颗粒在试件水平截面的径向方向的分 布状态.显然,若‖值越小,即表明集料的分布状态越为均匀;而最理想的状 况 是‖值等于零. 浙江大学坝:学位沦义 沥青混合料集料分布状态评价方法 三圈划分形式 四圈划分形式 图.试件水平截面同心圆划分法的模拟图 以下所附的为 型沥青混合料试件的一组截面图‘卯图.,以其作 为实例对该评价方法做具体的使用说明,同时也在一定程度上对该法进行验 证. 对应于所计算颗粒粒径.删与.删的集料的三圈划分形式与四圈划 分形式的运算数据分别如表.一表.所示.此外各组变异系数值‖的对比, 如图.所示.浙江大学坝:学位沦义 沥青混合料集料分棚状态计价方法图.沥 青混合料试件水平截面图 浙江大学顺:学位论文 沥青混合料集抖分布状态评价方法 表.集料粒径?. 的四圈划分计算数据 表.集料粒径.的三圈划分计算数据 截面编号 面积 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差 交置多数 ?鱼垦苎兰兰堕堕旦竺 上????一面积均值 ‖ 洲青混合料集料分斫状态计价方法 浙江大学硕:学位沦义 图.同心圆划分法集料颗粒面积变异系数‖对比 从表.~表.中可看出:无论是对应于那种计算的集料颗粒粒径与划分 形式,同一个截面中的集料颗粒在不同的划分区域中,其颗粒面积之和有较 大的 偏差;不同的截面,其截面中的颗粒面积之和也存在较大的偏差。 从图.可看出: 从图中的四根折线的走向来看,其中三根折线的走势在总体上较为相似, 而另一对应于表.的针对粒径?.集料的四圈划分形式计算的变异系数 折线,尤其是对号与号截面的计算存在较大的反差.而其它三根折线之间, 虽在总体走势上较为相似,但在具体的某个截面上也存有或多或少的偏差。 针对三圈与四圈两种划分形式的两两折线,相对来说四圈划分形式特别 是对粒径.集料的计算,极易使划分线穿越对各区域中集料面积之和有 较大影响的粗集料颗粒。 对应于粒径?. 集料的折线,其三圈划分与四圈划分形式的变异 系数的两条折线具有较相似的变化规律,其变异系数的大小也一定程度上能够体 现截面中集料颗粒的分布状况。考虑到四圈划分形式可能导致的不稳定,在后续 计算与分析中,只探讨三圈划分形式对应的情形. 采用三圈划分形式计算,对应于粒径. 或粒径. 集料的 折线,特别是在号截面两者间有较大的偏差,将其与原图比对可见该截面图中 粗集料占有较大的比例;而号编号也有一定的偏差,与原图比对相对来说粗集 料偏向外围,对粒径. 集料的计算结果较为吻合;对其它截面的计算, 基本能够较好的吻合. 浙江大学坝学位论文 事实上,由于同心圆戈 态,其在变异系数‖上所呈 单独采用该法计算得到的变异系数,作为单一的评价截面中集料分布状态的指 标,不能全面地反映试件截面中集料的分布状况。此外如前初步的分析,采用四 圈划分形式存在划分过密,造成划分线过多穿越集料颗粒的情形,其实也可 从图 .中看出特别是靠近外围,其圈间的间距明显偏小。至于确定以三圈划分 形式对截面进行处理,在采用对粒径?. 或是对采用粒径?. 集料 的计算上,为严谨起见,在下文的评价方法中将做出进一步的分析。 ..评价方法二:扇形划分法 在采用扇形划分法对试件水平截面中集料分布状态进行评价之前,同样以方 法一中所做出的简化措施进行相应的处理,在此分别对粒径. 与粒径? .集料进行计算与分析. 扇形划分试件水平截面,也遇到如方法一中类似的问题,即如何使得对集料 颗粒的划分不至于过分碎裂,而造成所计算的数据其可信度下降。此外也需考虑 到该评价指标要对扇形面的数量又有较高的敏感性。若将截面划分成四等面积的 扇形区域,且从单一的角度计算各扇形区域中的集料颗粒面积之和,该划分形式 显得过于粗糙。因此,文中综合以上的分析且为在划分处理与计算上易于实行方 面出发,最终将试件水平截面图分别划分成六等面积扇形与八等面积扇形两种形 式,具体的划分如图.所示.同样的,以等面积区域内集料颗粒的面积和的变 异系数,体现混合料截面中集料的分布状态.其计算式子如下: , ,. ,??。 . . ?,/ 厂???????一一 . ?/ 、/? 式中:墨一一各扇形区域中编号为颗粒的面积,,,?,; 一一编号为,扇形区域中集料颗粒的面积,,,?,, 浙江大学坝学位论文 浙青混合科集料分加状念计价方法 此处,,或; ; 一一各扇形区域中集料颗粒的平均面积 一一各扇形中集料的面积变异系数,无量纲。 该评价方法的目的主要在于体现集料颗粒在试件水平截面各不同旋转部位 的分布状态.显然,若值越小,即表明截面中集料的分布状态越为均匀;而最 理想的状况是值等于零。 簇底 澎 鹱区? 六扇形划分形式 八扇形划分形式 图.试件水平截面扇形划分法的模拟图 以下所附的为型沥青混合料试件的一组截面图?图.,以其作 为实例对该评价方法做具体的使用说明,同时也在一定程度上对该法进行验 证。 对应于所计算颗粒粒径.与.的集料的六扇形划分形式与八扇 形划分形式的运算数据分别如表.一表.所示.此外各组变异系数值的对 比图,如图.所示.浙江大学硕:学位论义 沥青混合料集料分和状念计价方法 图.沥青混合料试件水平截面图 浙江大学帧学位论义 沥青混合科集科分和状念汁价力法 表.集料粒径?.的六扇形划分计算数据 表.集料粒径. 的八扇形划分计算数据 表.集料粒径.的六扇形划分计算数据 表.集料粒径. 的八扇形划分计算数据 浙江夫学坝。?位论文 青混含料集料分自状态计价斤法 图.扇形划分法集料颗粒面积变异系数对比 从表.一表.中可看出:无论是对应于那种计算的集料颗粒粒径与划分 形式,同一个截面中的集料颗粒在不同的划分区域中,其颗粒面积之和有较 大的 偏差;不同的截面,其截面中的颗粒面积之和也存在较大的偏差。 从图.可看出: 从以上四根折线的走向上看,采用六扇形或八扇形划分形式计算获得的 两两折线总体上有较好的相关性,特别是八扇形划分形式的两条折线有更高的相 关性.从与截面图的比对来看,号、号截面中集料的分布状态相对来说较不 理想,依此分析,由八扇形划分形式计算的变异系数其数值更能反映截面中集料 的分布状况. 由八扇形划分形式分别针对粒径.与.集料的计算,如 前所述其在折线走势上相似程度更高.与截面图进一步对比,号截面中的集料 分布状态相对较好,似乎针对粒径.集料的计算更为符合,但其与其它 截面图之间的关系未有明显的跳跃。因此,而后还需对其进行进一步的分析. 总体而言,从表中的数据或是从图中折线的关系来看,集料在各部分都存在 不同程度的偏离。虽然八扇形划分形式能在一定程度上能够较好地反映试件截面 集料的分布状况,但因其不能充分反映试件截面出现集料外散或内聚的影响,需 要更进一步地予以综合分析,如联 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 心圆划分法以抵消这种现象的效应.此外 在确定以八扇形划分形式对截面进行处理后,对于采用以粒径.或是以 粒径.集料进行计算,同样为严谨起见,在评价方法三中将做出更进一 步的分析.浙江大学硕,:学位论文 沥青混合料集料分斫状念计价力‘法 ..评价方法三:综合划分法 通过以上对评价方法一与评价方法二在实例验证中的情形的分析,从中可见 此两种评价方法虽能够在一定程度上反映截面中集料的分布状态,但因其本身在 评价上只是从单个角度出发,存在不够全面的缺点。此外,在其中的实例验证上, 对确定是就粒径?.还是粒径?. 集料作为计算的标准,尚未给出 明确的答复。鉴于以上两种评价方法的特点,评价方法三试图联合两种评价方法, 以达到较全面又合理地评价集料分布状态的目的。 此处将评价方法一与方法二中获得的两个次评价指标变异系数‖与, 以其之和作为方法三中的反映试件截面集料分布状态的评价指标,其计算简式 如下所示: . 式子中,‖为同心圆划分法对应的变异系数评价指标,为扇形划分法对应 的变异系数评价指标. 由评价方法一与评价方法二的分析结果,就其中未确定的情形进行进一步的 与. 集 计算与分析,所以以下将对同心圆划分法中针对粒径. 料的三圈划分形式和扇形划分法针对粒径?.与?.集料的八扇形 划分形式,进行组合分析。 以下仍以图.中所示的 型沥青混合料试件的一组截面图,作为实例 对该评价方法做具体的使用说明,同时也在一定程度上对该法进行验证。 在验证评价方法三之前,将先对该组截面图中粒径. 与. 集料的三圈划分形式进行计算,以其面积变异系数作为该法评价指标中的次指 标,并且也再次验证同心圆划分法中三圈划分形式的可行性.具体的计算数据如 表.、表. 所示。此外各组变异系数值‖的对比图,如图.所示。 浙江大学颂‘:学位论文 沥青混合料集料分布状态计价方法 图.三圈划分形式集料颗粒面积变异系数‖对比 从图.中可看出: 两条折线的变化趋势在总体上较为接近;但相对来说,针对颗粒粒径 . 集料的计算,其数据的波动幅度更为显著,一定程度可反映出其对集料 的分布状态更为敏感.在图中反映出号截面其对应的集料分布状态较好,这与 实际的截面图,若从径向考虑其集料分布状态,有较好的一致性;号与号截 面相应的数据,表明其对应的集料分布状态较为接近,也具有一定程度的吻合. 由此证明采用三圈划分形式,针对粒径. 与. 集料的计算,具 有一定的合理性.但因两条折线呈现出较大的相似性,都在某种程度上表现 截面浙江大学坝:学位沦义 沥青混合料集料分和状态计价方法 中集料的状况,所以在以下的分析中,将进一步由评价方法三对其进行深入 的分 析。 综合考虑八扇形划分形式与三圈划分形式对试件水平截面的划分,分别针对 截面中颗粒粒径?. 与. 集料进行相应的计算,所得数据如表 .与表. 中所示;而对应两种情形其评价指标的对比图,如图.所示. 表. 集料粒径.删综合划分形式计算数据 截?毛壁喾 表.集料粒径. 综合划分形式计算数据 ?号等等 图.不同截面综合划分法评价指标七变异系数对比 从图. 中可看出: 图中所示的两条折线,就其总体而言,在折线的走向上较为相似,但在号 截面上对应的数值却明显有较大的偏差.通过与试件截面图图.所示的集浙 江大学坝:学位论文 沥青混合料集料分和状态评价方法 料分布状态进行一一比对,可以大略看出截面图中编号为号、号与号的截 面,其中集料的分布状况相对较差;由此与折线图对比可以发现,相对来说针 对 粒径. 集料的计算得到的评价指标,能够更好地反映试件截面中集料 的分布状态. 通过以上的分析,本文最终考虑以针对粒径. 集料的扇形划分法中 的八扇形划分形式与同心圆划分法中的三圈划分形式的组合形式,作为评价混合 料截面中集料分布状态的评价方法,以该法确定的指标作为反映集料分布状态的 评价指标。 .沥青混合料集料分布状态 沥青混合料中的集料处于三维空间立体的分布状态,若要反映其中集料整 体的分布状态
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