本發(fā)明屬于道路材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于接觸特征的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)瀝青混合料車轍性能的方法。

背景技術(shù)：

車轍等永久變形破壞一直是我國(guó)高等級(jí)瀝青路面最典型的也最具有危害性的病害形式之一。目前，室內(nèi)試驗(yàn)常以動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗高溫車轍性能。然而在微觀方面，目前缺少評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)瀝青混合料車轍性能的方法。本發(fā)明是一種基于接觸特征的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)瀝青混合料車轍的方法，應(yīng)用圖像處理技術(shù)，對(duì)混合料提出了一個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)車轍性能。該方法從微觀角度出發(fā)，全面評(píng)價(jià)了混合料的接觸特性，完善了有關(guān)瀝青混合料車轍性能的評(píng)價(jià)體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了完善現(xiàn)有瀝青混合料車轍性能的評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用圖像處理技術(shù)，從微觀角度出發(fā)，全面評(píng)價(jià)了混合料的接觸特性，從而提出了一個(gè)綜合指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)瀝青混合料車轍性能。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于接觸特征的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)瀝青混合料車轍性能的方法，包括以下步驟：

1)圖像獲取

首先利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型高度180mm、直徑150mm的試件，然后對(duì)于成型好的試件進(jìn)行取芯和切割，得到高度150mm、直徑100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。將切割后的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件自上而下進(jìn)行切片以獲取混合料切片。所有的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件均用金剛石鋸片在豎直方向進(jìn)行切割，切割應(yīng)控制在較慢的速率以保證切割面的平滑。每一個(gè)試件切割7面，每個(gè)切割面相距10mm，選取試件中間的六個(gè)切片。隨后，每片試樣的切割面均被清理干凈并用高分辨率的掃描儀(762dpi，每個(gè)像素點(diǎn)大約為0.0334mm)對(duì)其進(jìn)行掃描，掃描過(guò)程在暗箱中進(jìn)行，以防止自然光的影響。最終，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件得到12張高精度二維切片圖像。

2)圖像處理

首先對(duì)高精度的切片圖像施加綠色的濾鏡以稀釋集料部分存在的較多藍(lán)色通道像素點(diǎn)。圖像分割前，利用MATLAB相關(guān)算法將圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖的形式以便于后續(xù)的分析。應(yīng)用頂帽變換和中值濾波算法分別消除亮度不均勻和圖像噪聲。在分割圖像時(shí)，圖像分割過(guò)程中，將掃描圖像分割為16個(gè)等大的矩形區(qū)分別進(jìn)行閾值選取，每個(gè)區(qū)域的最優(yōu)閾值計(jì)算采用OTSU自適應(yīng)算法。應(yīng)用閾值法從瀝青膠漿和空隙中區(qū)分出集料并去除小于1.18mm的顆粒。分割結(jié)束后，對(duì)整體二進(jìn)制圖像應(yīng)用分水嶺變換和腐蝕膨脹算法，對(duì)顆粒輪廓進(jìn)行檢查和修正。

3)接觸特征評(píng)價(jià)

1.平均接觸距離d_ave

對(duì)集料邊界的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行圓盤掃描，獲取其距離任何其他集料邊界的最小距離(單位為：mm)，并定義此最小距離為此像素點(diǎn)的接觸距離。分析切片圖像中每個(gè)集料的邊界的每一個(gè)像素點(diǎn)的接觸距離，提出平均接觸距離指標(biāo)離d_ave，如公式1所示：

式中：

N：某切片圖像中所有集料的邊界像素點(diǎn)的總數(shù)目；

d_i：邊界像素點(diǎn)i的接觸距離(mm)；

d_ave：平均接觸距離(mm)。

2.總接觸長(zhǎng)度L_sum

選擇接觸距離閾值為0.5mm，即接觸距離小于0.5mm的集料邊界像素點(diǎn)屬于接觸像素點(diǎn)。每個(gè)截面的實(shí)際接觸線總長(zhǎng)度定義為該截面的接觸像素點(diǎn)的總長(zhǎng)度(單位：mm)。由于同一個(gè)試件所獲取的12個(gè)截面的面積有差異，將每個(gè)截面的接觸線總長(zhǎng)度換算成標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸的接觸線總長(zhǎng)度L_sum，如公式2所示。

3.平均接觸長(zhǎng)度L_ave

不同的兩個(gè)集料之間存在接觸則稱之為集料接觸對(duì)。由于同一個(gè)試件所獲取的12個(gè)截面的面積有差異，將每個(gè)截面的接觸對(duì)總個(gè)數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸的接觸對(duì)總個(gè)數(shù)No.pair，如公式3所示。每個(gè)截面的平均接觸長(zhǎng)度L_ave則定義為總接觸長(zhǎng)度與接觸對(duì)總個(gè)數(shù)的比值，如公式4所示。

式中：

A_s：標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸(150mm*100mm的矩形，面積15000mm²)；

A_i：截面i面積(mm²)；

L_i：截面i換算前總接觸長(zhǎng)度(mm)；

No.pair_i：截面i換算前接觸對(duì)個(gè)數(shù)。

4.接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI

為了更好地定義接觸結(jié)構(gòu)并考慮集料骨架的嵌擠、接觸的連通性以及接觸的密度，利用平均接觸距離d_ave、總接觸長(zhǎng)度L_sum、平均接觸長(zhǎng)度L_ave三個(gè)指標(biāo)定義綜合的接觸指標(biāo)——接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI(單位：mm)，如公式5所示。

式中：

L_sum：總接觸長(zhǎng)度，mm；

L_ave：平均接觸長(zhǎng)度，mm；

d_ave：平均接觸距離，mm。

接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中流變次數(shù)Fn之間存在相關(guān)性，此相關(guān)性比單一指標(biāo)(平均接觸距離d_ave、總接觸長(zhǎng)度L_sum、平均接觸長(zhǎng)度L_ave)與流變次數(shù)Fn的關(guān)系更顯著。所以，從微觀角度出發(fā)，在預(yù)測(cè)同種膠結(jié)料的不同級(jí)配類型瀝青混合料車轍性能方面，接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI是一種更為合理和全面的指標(biāo)。較大的CSI代表該混合料動(dòng)態(tài)蠕變流變次數(shù)Fn更大，即抵抗車轍性能更強(qiáng)。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出的基于接觸特征的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)瀝青混合料車轍性能的方法簡(jiǎn)單易行，通過(guò)平均接觸距離d_ave、總接觸長(zhǎng)度L_sum、平均接觸長(zhǎng)度L_ave得到接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI評(píng)價(jià)瀝青混合料的車轍性能，該指標(biāo)與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果具有較好的相關(guān)性，從而為指導(dǎo)道路工程實(shí)踐，尤其是我國(guó)高速公路車轍的預(yù)防及維修養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1為試件制備和圖像獲取示意圖；

圖2為圖像處理及分析示意圖；

圖3為接觸距離示意圖；

圖4為接觸長(zhǎng)度示意圖；

圖5為CSI與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

一種基于接觸距離分布的瀝青混合料砂漿厚度計(jì)算方法，包括以下步驟：

1)圖像獲取

首先利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型高度180mm、直徑150mm的試件，然后對(duì)于成型好的試件進(jìn)行取芯和切割，得到高度150mm、直徑100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。將切割后的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件自上而下進(jìn)行切片以獲取混合料切片。所有的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件均用金剛石鋸片在豎直方向進(jìn)行切割，切割應(yīng)控制在較慢的速率以保證切割面的平滑。每一個(gè)試件切割7面，每個(gè)切割面相距10mm，選取試件中間的六個(gè)切片。隨后，每片試樣的切割面均被清理干凈并用高分辨率的掃描儀(762dpi，每個(gè)像素點(diǎn)大約為0.0334mm)對(duì)其進(jìn)行掃描，掃描過(guò)程在暗箱中進(jìn)行，以防止自然光的影響。最終，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件得到12張高精度二維切片圖像。試件制備和圖像獲取流程如圖1所示。

2)圖像處理

首先對(duì)高精度的切片圖像施加綠色的濾鏡以稀釋集料部分存在的較多藍(lán)色通道像素點(diǎn)。圖像分割前，利用MATLAB相關(guān)算法將圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖的形式以便于后續(xù)的分析。應(yīng)用頂帽變換和中值濾波算法分別消除亮度不均勻和圖像噪聲。在分割圖像時(shí)，圖像分割過(guò)程中，將掃描圖像分割為16個(gè)等大的矩形區(qū)分別進(jìn)行閾值選取，每個(gè)區(qū)域的最優(yōu)閾值計(jì)算采用OTSU自適應(yīng)算法。應(yīng)用閾值法從瀝青膠漿和空隙中區(qū)分出集料并去除小于1.18mm的顆粒。分割結(jié)束后，對(duì)整體二進(jìn)制圖像應(yīng)用分水嶺變換和腐蝕膨脹算法，對(duì)顆粒輪廓進(jìn)行檢查和修正。

圖像處理及分析示意圖如圖2所示。

3)接觸特征評(píng)價(jià)

1.平均接觸距離d_ave

對(duì)集料邊界的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行圓盤掃描，獲取其距離任何其他集料邊界的最小距離(單位為：mm)，并定義此最小距離為此像素點(diǎn)的接觸距離。分析切片圖像中每個(gè)集料的邊界的每一個(gè)像素點(diǎn)的接觸距離，提出平均接觸距離指標(biāo)離d_ave，如公式1所示：

式中：

N：某切片圖像中所有集料的邊界像素點(diǎn)的總數(shù)目；

d_i：邊界像素點(diǎn)i的接觸距離(mm)；

d_ave：平均接觸距離(mm)。

接觸距離示意圖如圖3所示，接觸距離即為集料邊界上任意一點(diǎn)至相鄰集料的最短距離。圖中所示有標(biāo)號(hào)為1、2、3、4的四個(gè)集料，A、B、C三圓半徑即為圓心像素點(diǎn)與相鄰集料的接觸距離。

2.總接觸長(zhǎng)度L_sum

選擇接觸距離閾值為0.5mm，即接觸距離小于0.5mm的集料邊界像素點(diǎn)屬于接觸像素點(diǎn)。每個(gè)截面的實(shí)際接觸線總長(zhǎng)度定義為該截面的接觸像素點(diǎn)的總長(zhǎng)度(單位：mm)。由于同一個(gè)試件所獲取的12個(gè)截面的面積有差異，將每個(gè)截面的接觸線總長(zhǎng)度換算成標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸的接觸線總長(zhǎng)度L_sum，如公式2所示。

接觸長(zhǎng)度示意圖如圖4所示，將某一集料外邊界向外擴(kuò)大0.5mm，該曲面與相鄰集料相交部分的長(zhǎng)度即為接觸長(zhǎng)度。圖中所示有標(biāo)號(hào)為1、2、3、4的四個(gè)集料，4號(hào)集料紅線部分即為接觸長(zhǎng)度。

3.平均接觸長(zhǎng)度L_ave

不同的兩個(gè)集料之間存在接觸則稱之為集料接觸對(duì)。由于同一個(gè)試件所獲取的12個(gè)截面的面積有差異，將每個(gè)截面的接觸對(duì)總個(gè)數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸的接觸對(duì)總個(gè)數(shù)No.pair，如公式3所示。每個(gè)截面的平均接觸長(zhǎng)度L_ave則定義為總接觸長(zhǎng)度與接觸對(duì)總個(gè)數(shù)的比值，如公式4所示。

式中：

A_s：標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸(150mm*100mm的矩形，面積15000mm²)；

A_i：截面i面積(mm²)；

L_i：截面i換算前總接觸長(zhǎng)度(mm)；

No.pair_i：截面i換算前接觸對(duì)個(gè)數(shù)。

4.接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI

為了更好地定義接觸結(jié)構(gòu)并考慮集料骨架的嵌擠、接觸的連通性以及接觸的密度，利用平均接觸距離d_ave、總接觸長(zhǎng)度L_sum、平均接觸長(zhǎng)度L_ave三個(gè)指標(biāo)定義綜合的接觸指標(biāo)——接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI(單位：mm)，如公式5所示。

式中：

L_sum：總接觸長(zhǎng)度，mm；

L_ave：平均接觸長(zhǎng)度，mm；

d_ave：平均接觸距離，mm。

提出上述指標(biāo)后，將其應(yīng)用于多種瀝青混合料。本專利所采用的瀝青混合料種類范圍廣，涵蓋了四種級(jí)配類型(AC-13，SMA-13，UTA-10，SUP-13)、三種最大公稱粒徑(SUP-13，SUP-20，SUP-25)。瀝青統(tǒng)一采用SBS改性瀝青。集料采用了玄武巖和石灰?guī)r。為了更好地模擬實(shí)際路面狀況，SUP-20和SUP-25瀝青混合料使用石灰?guī)r，其余瀝青混合料使用玄武巖。試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型，控制空隙率在3％～4％以消除空隙率對(duì)結(jié)果的影響。此外，考慮到壓實(shí)度對(duì)永久變形影響顯著，AC-13混合料采用四種壓實(shí)次數(shù)(25次，50次，75次，100次)。

將接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI與動(dòng)態(tài)蠕變結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到以下結(jié)論：接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中流變次數(shù)Fn之間存在相關(guān)性，此相關(guān)性比單一指標(biāo)(平均接觸距離d_ave、總接觸長(zhǎng)度L_sum、平均接觸長(zhǎng)度L_ave)與流變次數(shù)Fn的關(guān)系更顯著。

相關(guān)指標(biāo)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，CSI與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果關(guān)系如圖5所示。

表1瀝青混合料各指標(biāo)與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

所以，從微觀角度出發(fā)，在預(yù)測(cè)同種膠結(jié)料的不同級(jí)配類型瀝青混合料車轍性能方面，接觸結(jié)構(gòu)指數(shù)CSI是一種更為合理和全面的指標(biāo)。較大的CSI代表該混合料動(dòng)態(tài)蠕變流變次數(shù)Fn更大，即抵抗車轍性能更強(qiáng)。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。