一种沥青混合料均匀性评价方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103575752 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575752 A (21)申请号 201310542528.7 (22)申请日 2013.11.05 G01N 23/04(2006.01) G01N 21/00(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路 866 号 (72)发明人 彭勇 王振 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 周烽 (54) 发明名称 一种沥青混合料均匀性评价方法 (57) 摘要 本发明公开了一种沥青混合料均匀性评价方 法， 该方法首先

2、在室内成型或现场取样提供分析 所需的沥青混合料圆柱形试件， 然后通过工业 CT 机或数码相机采集沥青混合料试件的截面图像， 运用后者时， 沥青混合料试件需先经锯齿切割机 切割 ； 再将图像转化为BMP格式的黑白图像。 分析 该黑白图像， 得到沥青混合料截面图像中每个集 料和孔隙的信息， 如周长、 面积、 等效直径、 长轴短 轴坐标、 质心位置坐标等。 最后就混合料中集料和 孔隙的位置分布、 数量分布、 长轴方位角分布三个 方面分别计算混合料截面上集料和孔隙的分布状 态， 借此评价混合料均匀性。 本发明基于数字图像 技术， 直接针对沥青混合料的均匀性进行定量评 价， 相比其他方法， 评价结果更为

3、准确。 (51)Int.Cl. 权利要求书 5 页 说明书 7 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书5页 说明书7页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103575752 A CN 103575752 A 1/5 页 2 1. 一种沥青混合料均匀性评价方法， 其特征在于， 该方法具体为 ： 室内成型或现场取 样提供分析所需的沥青混合料圆柱形试件 ； 通过工业 CT 机或数码相机采集沥青混合料试 件的截面图像， 运用后者时， 沥青混合料试件需先经锯齿切割机切割 ； 将图像转化为 BMP 格 式的黑白图像。 分析该黑白图像， 得到沥青混合料截面

4、图像中每个集料和孔隙的信息， 所述 集料和孔隙的信息包括周长、 面积、 等效直径、 长轴短轴坐标、 质心位置坐标等。获取上述 混合料截面上的集料和孔隙信息以后， 就混合料中集料和孔隙的位置分布、 数量分布、 长轴 方位角分布三个方面分别计算混合料截面上集料和孔隙的分布状态， 借此评价混合料均匀 性。 截面上各档集料的位置分布状态通过该档集料的重心与该截面几何中心的距离偏差 率来衡量。所述计算公式如下 ： 集料重心与几何中心的距离偏差 ： 把距离偏差 S 转换成无量纲的 r ： ri=Si/R 式中 ：分别为第 i 档集料的重心坐标， i 为集料的筛孔尺寸 （方孔筛） ； xin， yin分别为

5、第 i 档集料中第 n 个颗粒的质心坐标位置 ； Ni 为第 i 档集料中颗粒的总数 ； Si为截面上第 i 档集料的重心与几何中心的距离偏差 ； xPC、 yPC 为截面的几何中心的横坐标和纵坐标 ； ri为截面上第 i 档集料的重心与几何中心的距离偏 差率 ； R 为几何中心到截面边缘的距离。 将截面对称划分为四等分区域， 分别统计各区域该档集料数目， 利用下式分别计算各 档集料在各区域里的数目分布情况 ： （1） 若 N1i=N3i， N2i=N4i， 则 N1i 0， N2i 0 N1i=0 或 N2i=0 （2） 若 N1i N3i， N2i N4i， 则 当 N1i=N3i=0 或

6、 N2i=N4i=0 时， 其他情况下， c=1。 式中 ： N1i， N2i， N3i， N4i分别为第 i 档集料在四块区域里的分布数量 ； ti为第 i 档集料在 四块区域里的数量分布状况参数 ； 为待定系数， 一般取 0.1 ； Ni为第 i 档集料中颗粒的总 数。 分别计算截面上四个区域里各挡集料长轴方位角的均值， 以此代表该区域该档集料 方位角的主方向， 计算相邻及相对区域主方向的位置关系作为评价集料长轴方位角分布状 权 利 要 求 书 CN 103575752 A 2 2/5 页 3 态。集料方位角分布状态好， 则截面上相邻区域内集料主方向垂直和相对区域内集料主方 向对称。分为两

7、种情况， 所述计算公式如下 ： （1） 若 Ni0， 则 对于一、 三区域 ： 1） 若 2） 若 3） 若 4） 若 对于二、 四区域 ： 1） 若 2） 若 3） 若 4） 若 对于一、 二区域 ： 1） 若 2） 若 3） 若 权 利 要 求 书 CN 103575752 A 3 3/5 页 4 4） 若 Si=S13i+S24i+S12i （2） 若 Ni=0， Si=0 ； 式中 ：分别为第 i 档集料在四块区域里的方位角的平均数， 即方位 角的主方向，S1i， S2i， S3i， S4i分别为第 i 档集料 在四块区域里的方位角总和 ； N1i， N2i， N3i， N4i分别为第

8、 i 档集料在四块区域里的分布数量 ； S13i， S24i， S12i分别为第 i 档集料在一、 三区域， 二、 四区域和一、 二区域方位角分布的评价指 数 ； Si为第 i 档集料方位角分布的评价指标。 截面上集料的分布状态指标为 ： da= ki(ri+ti+si) 式中 ： da为沥青混合料中集料分布状态指标 ； 为与集料级配相关的一待定系数 ； ki 为截面上第i档集料的面积比 ； ri为截面上第i档集料的重心与几何中心的距离偏差率 ； ti 为第i档集料在四块区域里的数量分布状况参数 ； si为第i档集料方位角分布的评价指数。 类似于集料分布状态的计算方法， 截面上各类孔隙的位置分

9、布状态通过该类孔隙的重 心与该截面几何中心的距离偏差率来衡量。所述计算公式如下 ： 孔隙重心与几何中心的距离偏差 ： 把距离偏差 S转换成无量纲的 r ： r i=Si/R 式中 ： S i为截面上第 i 类孔隙的重心与几何中心的距离偏差 ； 分别为第 i 类孔隙的重心坐标，x in， yin分别为第 i 类孔隙中第 n 个颗粒的质心坐标位置 ； N i为第 i 类孔隙中颗粒的总数 ； xPC， yPC为截面的几何中心位 置坐标 ； ri为截面上第i类孔隙的重心与几何中心的距离偏差率 ； R为几何中心到截面边 缘的距离。k i为截面上第 i 类孔隙的面积比， ki=ai/a ； ai为截面上的

10、第 i 类 孔隙的总面积 ； a为截面上各类孔隙的总面积 ； 将截面对称划分为四等分区域， 分别统计各区域该类孔隙数目， 利用下式分别计算各 类孔隙在各区域里的数目分布情况 ： （3） 若 N1i=N 3i， N2i=N4i， 则 N 1i 0， N2i 0 N 1i=0 或 N2i=0 （4） 若 N 1i N3i或 N2i N4i， 则 权 利 要 求 书 CN 103575752 A 4 4/5 页 5 当 N1i=N3i=0 或 N2i=N4i=0 时，其他情况下， c =1。 式中 ： N 1i， N2i， N3i， N4i分别为第 i 类孔隙在四块区域里的分布数量 ； ti为 第

11、i 类孔隙在四块区域里的数量分布状况参数 ； 为待定系数， 一般取 0.1 ； N i同上。 分别计算截面上四个区域里各挡孔隙长轴方位角的均值， 以此代表该区域该类孔隙 方位角的主方向， 计算相邻及相对区域主方向的位置关系作为评价孔隙长轴方位角分布状 态。孔隙方位角分布状态好， 则截面上相邻区域内孔隙主方向垂直和相对区域内孔隙主方 向对称。分为两种情况， 所述计算公式如下 ： （3） 若 N i0， 则 对于一、 三区域 ： 5） 若 6） 若 7） 若 8） 若 对于二、 四区域 ： 5） 若 6） 若 7） 若 8） 若 对于一、 二区域 ： 5） 若 6） 若 权 利 要 求 书 CN

12、103575752 A 5 5/5 页 6 7） 若 8） 若 S i=S13i+S24i+S12i （4） 若 N i=0， Si=0 ； 式中 ：分别为第 i 类孔隙在四块区域里的方位角的平均数， 即 方位角的主方向，S 1i， S2i， S3i， S4i分别为第i类孔隙在四块区域里的方位角总和 ； N1i， N2i， N3i， N4i 分别为第i类孔隙在四块区域里的分布数量 ； S13i， S24i， S12i分别为第i类孔隙在一、 三区域， 二、 四区域和一、 二区域方位角分布的评价指数 ； S i为第 i 类孔隙方位角分布的 评价指标。 截面上孔隙的分布状态指标为 ： dp= k i

13、(ri+ti+Si) 式中 ： da为沥青混合料中孔隙分布状态指标 ； 为与孔隙尺寸相关的一待定系数 ； k i为截面上第 i 类孔隙的面积比， ki=ai/a ； ai为截面上的第 i 档集料的总面积， ;a 为截 面上各档集料的总面积 ； r i为截面上第 i 类孔隙的重心与几何中心的距离偏差率 ； ti 为第 i 类孔隙在四块区域里的数量分布状况参数 ； Si为第 i 类孔隙方位角分布的评价指 数。 截面上混合料均匀性指标 d 为 ： d=da+dp 以一组平行截面上混合料均匀性表征这一方向上混合料均匀性。 沥青混合料整体均匀 性通过混合料水平方向和竖直方向均匀性进行综合评价。 计算公式

14、如下 ： D=dh+dv 式中 ： D 为沥青混合料均匀性指标 ； ， 分别为水平方向和竖直方向混合料均匀性对 整体均匀性的权重 ； dh， dv分别为沥青混合料水平方向和竖直方向均匀性指标。 dh= h(i-i)dh(i-i) dv= v(i-i)dv(i-i) 式中， h(i-i)， v(i-i)分别为水平和竖直方向第 i 个截面混合料均匀性对整体均匀性的 影响系数 ； dh(i-i)， dv(i-i)分别为水平和竖直方向第 i 个截面混合料均匀性指数。 沥青混合料均匀性指标 D 越小， 对应的沥青混合料均匀性就越好 ； 反之， 则沥青混合料 均匀性就越差。 权 利 要 求 书 CN 10

15、3575752 A 6 1/7 页 7 一种沥青混合料均匀性评价方法 技术领域 0001 本发明属于道路工程领域， 尤其涉及一种沥青混合料均匀性的定量评价方法。 背景技术 0002 沥青混合料的均匀程度直接关系到沥青路面的力学性能和使用寿命。 在许多潜在 引起热拌沥青混合料路面早期破坏的因素中， 最严重的是沥青混合料的不均匀性。不均匀 的沥青混合料中集料的级配和 （或） 沥青含量与最初的现场配合比中的要求不相符， 造成混 合料的密度和空隙率变化很大。研究已经表明 ： 沥青混合料发生不均匀时， 混合料的劲度、 拉伸强度和疲劳寿命下降， 路面的服务寿命降低， 从而加速路面的早期损坏。 0003 沥

16、青混合料是由沥青、 粗细集料、 添加剂和空隙四成分组成。 沥青混合料的不均匀 性是沥青混合料中组成成分不均匀性的综合反映。 传统上人们没有把沥青混合料的均匀性 当作一个严重的问题来看待， 没有采取严格的措施予以控制， 只是要求施工时认真就可以 了。 而随着交通量的增大， 均匀性已经成为决定路面质量的主要因素之一， 应该引起充分注 意。将路面早期水损坏的主要原因归结于路面空隙率过大， 又将空隙率过大归结于压实度 不够， 压实不足， 这确实是早期路面空隙率过大的主要原因， 但却比较容易解决 ； 实际上， 沥 青混合料的不均匀性不仅是造成局部空隙率过大的另一个主要原因， 而且是比较难以解决 的技术问

17、题。 一旦沥青混合料出现不均匀性， 一切关于材料设计的努力都变得徒劳无功了。 路面压实度的不足， 有时也是混合料不均匀性引起的， 仅检测路面的平均压实度， 往往不能 客观地反映问题， 还应考虑其变异性。 当沥青混合料不均匀发生时， 仅仅依靠提高压实度难 以达到减少空隙率的目的， 甚至会造成集料破碎而实得其反。 0004 查找现有的研究成果和文献资料， 令人遗憾的是， 目前， 国内外对沥青混合料均匀 性定量的研究还不是很多。究其原由， 除了上述传统的认识外， 可能还有以下 3 方面因素 ： （1） 沥青混合料均匀性研究是一项复杂的课题， 它的涉及面很广， 系统地研究起来比较困 难。 （2） 局限

18、于传统研究方法， 定量研究沥青混合料均匀性很困难。 （3） 虽然， 目前世界上很 多国家逐步意识到沥青混合料均匀性的重要性， 但在高纬度的一些国家， 如英国、 比利时、 荷兰、 法国等， 在沥青混合料设计时， 习惯采用较细的集料和连续级配 （SMA除外） ， 公称最大 粒径不大于 20mm， 沥青混合料的非均匀性在这些国家不是主要问题， 故对混合料均匀性展 开研究的积极性不太高。 0005 目前， 在有限的沥青混合料均匀性定量研究中， 其均匀性评价指标参数的选择与 确定不够科学， 考虑不够全面， 代表性不强， 结果有偏差， 只能部分反映沥青混合料均匀性 的实际情况。 发明内容 0006 为了克

19、服现有评价方法的局限性， 本发明提供一种沥青混合料均匀性评价方法。 0007 本发明解决其问题所采用的方案是 ： 一种沥青混合料均匀性评价方法， 该方法具 体为 ： 室内成型或现场取样提供分析所需的沥青混合料圆柱形试件 ； 通过工业 CT 机或数码 说 明 书 CN 103575752 A 7 2/7 页 8 相机采集沥青混合料试件的截面图像， 运用后者时， 沥青混合料试件需先经锯齿切割机切 割 ； 将图像转化为 BMP 格式的黑白图像。分析该黑白图像， 得到沥青混合料截面图像中每 个集料和孔隙的信息， 如周长、 面积、 等效直径、 长轴短轴坐标、 质心位置坐标等。获取上述 混合料截面上的集料

20、和孔隙信息以后， 就混合料中集料和孔隙的位置分布、 数量分布、 长轴 方位角分布三个方面分别计算混合料截面上集料和孔隙的分布状态， 借此评价混合料均匀 性。 0008 本发明的有益效果是 ： 本发明基于数字图像技术， 直接针对沥青混合料的均匀性 进行定量评价， 相比其他方法， 评价结果更为准确。 附图说明 0009 图 1 是本发明划分沥青混合料水平截面示意图 ； 0010 图 2 是本发明划分沥青混合料竖直截面示意图。 具体实施方式 0011 本发明沥青混合料均匀性评价方法， 具体为 ： 室内成型或现场取样提供分析所需 的沥青混合料圆柱形试件 ； 通过工业 CT 机或数码相机采集沥青混合料试

21、件的截面图像， 运 用后者时， 沥青混合料试件需先经锯齿切割机切割 ； 将图像转化为BMP格式的黑白图像。 分 析该黑白图像， 得到沥青混合料截面图像中每个集料和孔隙的信息， 如周长、 面积、 等效直 径、 长轴短轴坐标、 质心位置坐标等。获取上述混合料截面上的集料和孔隙信息以后， 就混 合料中集料和孔隙的位置分布、 数量分布、 长轴方位角分布三个方面分别计算混合料截面 上集料和孔隙的分布状态， 借此评价混合料均匀性。 0012 截面上各档集料的位置分布状态通过该档集料的重心与该截面几何中心的距离 偏差率来衡量。所述计算公式如下 ： 0013 集料重心与几何中心的距离偏差 ： 0014 把距离

22、偏差 S 转换成无量纲的 r ： ri=Si/R 0015 式中 ：分别为第 i 档集料的重心坐标， i 为集料的筛孔尺寸 （方孔筛） ； 0016 xin， yin分别为第 i 档集料中第 n 个颗粒的质心坐 标位置 ； Ni为第 i 档集料中颗粒的总数 ； Si为截面上第 i 档集料的重心与几何中心的距离 偏差 ； xPC、 yPC为截面的几何中心的横坐标和纵坐标 ； ri为截面上第 i 档集料的重心与几何 中心的距离偏差率 ； R 为几何中心到截面边缘的距离。 0017 将截面对称划分为四等分区域， 分别统计各区域该档集料数目， 利用下式分别计 算各档集料在各区域里的数目分布情况 ： 0

23、018 （5） 若 N1i=N3i， N2i=N4i， 则 0019 N1i 0， N2i 0 说 明 书 CN 103575752 A 8 3/7 页 9 0020 N1i=0 或 N2i=0 0021 （6） 若 N1i N3i， N2i N4i， 则 0022 0023 当 N1i=N3i=0 或 N2i=N4i=0 时， 0024 其他情况下， c=1。 0025 式中 ： N1i， N2i， N3i， N4i分别为第 i 档集料在四块区域里的分布数量 ； ti为第 i 档集 料在四块区域里的数量分布状况参数 ； 为待定系数， 一般取 0.1 ； Ni为第 i 档集料中颗粒 的总数。

24、0026 分别计算截面上四个区域里各挡集料长轴方位角的均值， 以此代表该区域该档集 料方位角的主方向， 计算相邻及相对区域主方向的位置关系作为评价集料长轴方位角分布 状态。集料方位角分布状态好， 则截面上相邻区域内集料主方向垂直和相对区域内集料主 方向对称。分为两种情况， 所述计算公式如下 ： 0027 （5） 若 Ni0， 则 0028 对于一、 三区域 ： 0029 9） 若 0030 10） 若 0031 11） 若 0032 12） 若 0033 对于二、 四区域 ： 0034 9） 若 0035 10） 若 0036 11） 若 说 明 书 CN 103575752 A 9 4/7

25、页 10 0037 12） 若 0038 对于一、 二区域 ： 0039 9） 若 0040 10） 若 0041 11） 若 0042 12） 若 0043 Si=S13i+S24i+S12i 0044 （6） 若 Ni=0， Si=0 ； 0045 式中 ：分别为第 i 档集料在四块区域里的方位角的平均数， 即 方位角的主方向，S1i， S2i， S3i， S4i分别为第 i 档 集料在四块区域里的方位角总和 ； N1i， N2i， N3i， N4i分别为第 i 档集料在四块区域里的分布数 量 ； S13i， S24i， S12i分别为第i档集料在一、 三区域， 二、 四区域和一、 二区域

26、方位角分布的评价 指数 ； Si为第 i 档集料方位角分布的评价指标。 0046 截面上集料的分布状态指标为 ： 0047 da= ki(ri+ti+si) 0048 式中 ： da为沥青混合料中集料分布状态指标 ； 为与集料级配相关的一待定系 数 ； ki为截面上第 i 档集料的面积比 ； ri为截面上第 i 档集料的重心与几何中心的距离偏 差率 ； ti为第 i 档集料在四块区域里的数量分布状况参数 ； si为第 i 档集料方位角分布的 评价指数。 0049 类似于集料分布状态的计算方法， 截面上各类孔隙的位置分布状态通过该类孔隙 的重心与该截面几何中心的距离偏差率来衡量。所述计算公式如下

27、 ： 0050 孔隙重心与几何中心的距离偏差 ： 0051 把距离偏差 S转换成无量纲的 r ： r i=Si/R 0052 式中 ： Si为截面上第i类孔隙的重心与几何中心的距离偏差 ；分别为第 i 类孔隙的重心坐标，x in， yin分别为第 i 类孔隙中 第 n 个颗粒的质心坐标位置 ； N i为第 i 类孔隙中颗粒的总数 ； xPC， yPC为截面的几何中心 说 明 书 CN 103575752 A 10 5/7 页 11 位置坐标 ； r i为截面上第 i 类孔隙的重心与几何中心的距离偏差率 ； R 为几何中心到截 面边缘的距离。ki为截面上第 i 类孔隙的面积比， k i=ai/a

28、 ； ai为截面上的第 i 类孔隙的总面积 ； a为截面上各类孔隙的总面积 ； 0053 将截面对称划分为四等分区域， 分别统计各区域该类孔隙数目， 利用下式分别计 算各类孔隙在各区域里的数目分布情况 ： 0054 （7） 若 N 1i=N3i， N2i=N4i， 则 0055 N 1i 0， N2i 0 0056 N 1i=0 或 N2i=0 0057 （8） 若 N 1i N3i或 N2i N4i， 则 0058 0059 当 N 1i=N3i=0 或 N2i=N4i=0 时， 其他情 况下， c =1。 0060 式中 ： N1i， N2i， N3i， N4i分别为第i类孔隙在四块区域里

29、的分布数量 ； ti 为第i类孔隙在四块区域里的数量分布状况参数 ； 为待定系数， 一般取0.1 ； Ni同上。 0061 分别计算截面上四个区域里各挡孔隙长轴方位角的均值， 以此代表该区域该类孔 隙方位角的主方向， 计算相邻及相对区域主方向的位置关系作为评价孔隙长轴方位角分布 状态。孔隙方位角分布状态好， 则截面上相邻区域内孔隙主方向垂直和相对区域内孔隙主 方向对称。分为两种情况， 所述计算公式如下 ： 0062 （7） 若 N i0， 则 0063 对于一、 三区域 ： 0064 13） 若 0065 14） 若 0066 15） 若 0067 16） 若 0068 对于二、 四区域 ：

30、0069 13） 若 说 明 书 CN 103575752 A 11 6/7 页 12 0070 14） 若 0071 15） 若 0072 16） 若 0073 对于一、 二区域 ： 0074 13） 若 0075 14） 若 0076 15） 若 0077 16） 若 0078 S i=S13i+S24i+S12i 0079 （8） 若 N i=0， Si=0 ； 0080 式中 ：分别为第i类孔隙在四块区域里的方位角的平均数， 即方位角的主方向，S1i， S 2i， S3i， S4i分别为第 i 类孔隙在四块区域里的方位角总和 ； N1i， N2i， N3i， N 4i分别为第 i 类孔

31、隙在四块区域里的分布数量 ； S13i， S24i， S12i分别为第 i 类孔 隙在一、 三区域， 二、 四区域和一、 二区域方位角分布的评价指数 ； Si为第 i 类孔隙方位角 分布的评价指标。 0081 截面上孔隙的分布状态指标为 ： 0082 dp= k i(ri+ti+Si) 0083 式中 ： da为沥青混合料中孔隙分布状态指标 ； 为与孔隙尺寸相关的一待定系 数 ； k i为截面上第 i 类孔隙的面积比， ki=ai/a ； ai 为截面上的第 i 档集料的总面积， ； a 为截面上各档集料的总面积 ； r i为截面上第 i 类孔隙的重心与几何中心的距离偏差率 ； ti为第i类孔

32、隙在四块区域里的数量分布状况参数 ； Si为第i类孔隙方位角分布的评 价指数。 0084 截面上混合料均匀性指标 d 为 ： 0085 d=da+dp 0086 以一组平行截面上混合料均匀性表征这一方向上混合料均匀性。 沥青混合料整体 说 明 书 CN 103575752 A 12 7/7 页 13 均匀性通过混合料水平方向和竖直方向均匀性进行综合评价。 0087 计算公式如下 ： 0088 D=dh+dv 0089 式中 ： D 为沥青混合料均匀性指标 ； ， 分别为水平方向和竖直方向混合料均匀 性对整体均匀性的权重 ； dh， dv分别为沥青混合料水平方向和竖直方向均匀性指标。 0090 dh= h(i-i)dh(i-i) 0091 dv= v(i-i)dv(i-i) 0092 式中， h(i-i)， v(i-i)分别为水平和竖直方向第 i 个截面混合料均匀性对整体均匀 性的影响系数 ； dh(i-i)， dv(i-i)分别为水平和竖直方向第 i 个截面混合料均匀性指数。 0093 沥青混合料均匀性指标 D 越小， 对应的沥青混合料均匀性就越好 ； 反之， 则沥青混 合料均匀性就越差。 说 明 书 CN 103575752 A 13 1/1 页 14 图 1图 2 说 明 书 附 图 CN 103575752 A 14