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基于工业CT的排水沥青混合料连通空隙特征研究
2019年04月04日    阅读量:2316    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

引言


排水沥青路面具有排水、抗滑和降噪等优良的路用性能,可显著提高雨天的行车安全,降低车辆行驶过程中产生的噪音。在越来越注重道路功能性的今天,排水沥青路面作为一种环境友好型路面已逐渐成为公路建设的一个重要发展方向。排水沥青路面优良的排水特性来源于其路表结构层内部有互相连通的大空隙结构,能保证渗入到表面层内的雨水迅速排出中国沥青网sinoasphalt.com。研究表明,空隙率、空隙尺寸与数量、空隙形状及连通空隙水流路径对排水沥青路面的排水能力影响显著。


各国学者相继对沥青混合料的空隙特征进行了研究。Masad等采用CT技术与图像分析技术研究了沥青混合料的空隙沿深度的分布特征,分析了旋转压实法与搓揉法成型试件的空隙数量、空隙率与空隙等效直径的分布状态。Wang等采用X-ray CT研究了沥青混合料的空隙分布与损伤特性,描述了混合料中空隙的空间分布特征,并定量分析了沥青混合料的空隙体积含量与空隙尺寸大小等指标。汪海年等利用X-ray CT分别对马歇尔与旋转压实成型的沥青混合料及开级配沥青磨耗层进行内部结构扫描,分析了沥青混合料内部空隙的空间分布特征。吴文亮等采用X-ray CT获取沥青混合料断层图像,研究了三维空隙体积参数,分析了空隙的分布特性。裴建中等利用X-ray CT与分形理论研究矿料级配对多孔沥青混合料内部结构中空隙特征的影响,定量分析了空隙率与空隙等效直径的关系。吴浩等运用X-ray CT和数字图像处理技术获取了不同级配OGFC-13马歇尔试件的内部空隙分布图像,采用分形理论研究了多孔沥青混合料的空隙分维特征,分析了空隙分维特征与混合料路用性能的关系。蒋玮等基于X-ray CT、图像处理及重构技术分析了多孔沥青混合料细观空隙特征的表征,研究了空隙率、粗细级配和公称最大粒径等对多孔沥青混合料细观特征的影响规律以及细观空隙特征同混合料性能之间的关系。


上述研究都集中在分析空隙在试件中的整体分布情况,关于连通空隙的研究甚少,实际上,连通空隙特征才是决定排水沥青路面排水能力的关键因素。鉴于此,本文采用工业CT对排水沥青混合料马歇尔试件进行扫描,利用数字图像处理技术分析排水沥青混合料内部连通空隙的分布特征,为排水沥青路面的排水能力研究提供支撑。


图像获取与处理技术


X-ray断层成像技术


X-ray CT可以无损地检测非透明物体的组成结构。将不同密度物质的射线吸收率定义为CT数,建立被检测物体密度与CT数之间的换算关系并转化为对应的像素灰度值(颜色值),对于有多种组成成分的混合材料(例如集料、沥青结合料、空隙),借助X-ray CT就能确定其组成成分的空间分布情况。


沥青混合料差异性物质辨识


沥青混合料由石质集料颗粒、沥青胶浆、空隙等差异性物质组成。由于沥青与集料、空隙等差异性物质交互渗透致使边界图像模糊,难以利用沥青混合料数字图像精确区分不同物质。现有的区分方法主要有最大类间方差法、基于混合高斯模型的EM算法和模糊C均值聚类算法,在这些方法中大津法应用最为广泛。然而,由于工业CT机扫描能量的制约,工业CT沿试件厚度方向扫描时功率逐渐衰减,同类物质在试件不同位置扫描后得到的灰度值也存在较大变异,单一阈值已无法有效识别差异性物质。因此本文采用李智等提出的改进的大津法进行CT图像组分识别。该法采用环状分块和大津法相结合的自适应阈值选取方法,从提高运算速度和分割精度两方面对大津法进行了改进;其将工业CT扫描图像自内向外划分成若干个部分相互重叠的环状子样本,对环状子样本分别采用大津法求算目标和背景的灰度阈值;再将整幅图像分为与环状中线位置重合且相互连续但不重叠的圆环作为子图像,利用相应各环状子样本阈值区分子图像目标,将子图像组合即得到整幅图像的目标提取结果。可以看出,分割的结果中,集料边界比较清晰,能清楚地区分各组成物质,整体效果良好。


空隙结构基本特性


空隙率


空隙率是指空隙体积与试样总体积的比值。通过统计单张CT图像中空隙的面积与图像总面积,用空隙面积除以图像总面积得到单张图像的空隙率,试件的总空隙率即为所有图像空隙率的平均值。


连通空隙率


空隙连通性是沥青混合料的3D特性,要求从试件的顶面到底面追踪所有连通空隙并剔除掉所有不连通空隙。本文研究通过使用ImageProPlus软件把阈值图像转换为二进制文件来识别连通空隙。二进制文件由矩阵数组成,该矩阵数是通过把图像中的每个像素转化为灰度值形成。在CT图像中,沥青混合料试件灰度值范围为0~255,每个像素点的灰度值代表沥青混合料试件在该处的物质密度,如果像素点为空隙,那么在二进制文件中相应的数值为0。通过FORTRAN算法来识别连通空隙,二进制文件作为输入参数。


利用该算法对每个二进制文件进行识别,当数值为0时,核对其周边最近的8个数值,如果在这8个数值中有数值为0,那么把该区域内所有数值为0的归为一类,并确认为同一个空隙对象。接着,利用该算法确定竖直方向空隙的连通性,从顶面第1幅图开始,对于任意空隙对象,核查紧接的下一幅图像中同一位置的数值及与该位置临近的8个数值,只要在这些区域中有一个数值为0,那么就认为该空隙在这2幅图像中是连通的,并把这2个空隙标记为同一个空隙,重复相同的步骤直到核查完最后1幅图像。此外,为考虑空隙路径的弯曲度,重复该步骤,但是从相应底面最后1幅图像开始,直到顶面第1幅图像。最后,如果空隙从顶面第1幅图像至底面最后1幅图像未完全连通则定义为封闭空隙,在计算分析中剔除这些封闭空隙。


比表面积


比表面积S定义为空隙过水面积与试件总体积的比值。过水面积为每个空隙的周长乘以其厚度,因为所有图像的厚度均为常数。


弯曲度


由于沥青混合料内部空隙形状复杂,水在沥青混合料中的流动不是沿直线前进,而是迂回曲折地向前流动。通常用弯曲度来反映这种迂回曲折的程度。弯曲度T定义为实际水流长度Le(水流流通的最长距离)与该水流路径出、入口的直线垂直长度L的比值。


尽管在示意图中,可以以一个非常简单的方式来表示弯曲度,但是如果没有示踪试验,要计算实际空隙的弯曲度通常很困难,因此一般采用简化方法来求解。即在获取连通空隙结构后,把每幅图像切片中的独立空隙截面进行集合分组,每组空隙的质心与紧接的下一幅图像中最接近该空隙截面的质心相连,每条直线连接2个空隙截面。弯曲度等于该连接直线的长度除以两切面图像间的垂直距离,整个试件的弯曲度值等于所有连续图像切片弯曲度值的平均。


排水沥青混合料空隙分布特征


试验材料


本文研究中,试验所用沥青采用高黏度改性沥青,集料采用闪长岩,矿粉为普通石灰岩矿粉,油石比为4.1%。空隙率采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的体积法经计算确定。


经计算得到空隙率为23%,连通空隙率为17.5%


试验结果与分析


对成型后的排水沥青混合料试件进行CT扫描,层间间距0.1mm,共获取图像635张,由于CT设备的穿透力有限,因此试件端部的CT图像非常模糊,无法区分组成材质,故对这部分图像进行了剔除,上下表面各剔除了4.7mm,剔除端部后的有效图像541张。通过调整对比度、亮度与伽马值等参数,对有效图像进行进一步处理,提高图片质量。


采用介绍的改进大津法进行沥青混合料差异性物质辨别,旨在把空隙从沥青混合料中提取出来,由于空隙的灰度值为0,相比于沥青混合料中的其他组分,空隙最易被提取出来。


对各截面提取出的空隙进行面积与周长测量,任意选取其中1个截面的测量结果,计算整个试件的空隙率、比表面积、弯曲度与连通空隙率。连通空隙的特征,包括连通空隙路径的数量,每条连通路径中最小截面面积及每条连通路径的弯曲度。


可以看出,2种方法所得空隙率与连通空隙率相近,但是图像分析计算结果比实验室实际测量结果小,这是因为在计算过程中对试件端部的图像进行了剔除,而试件空隙率沿深度方向不断变化,两端空隙率最大,剔除端部图像会使试件的平均空隙率与连通空隙率下降,但对总体分析结论影响不大。连通空隙率明显低于试件总空隙率,可见传统方法中采用总空隙率来评价排水沥青路面的排水特性具有一定的局限性,其确定的路面排水能力通常会比实际沥青路面的排水能力大。


试件竖向连通空隙的详细特征包括最小截面面积与水流路径弯曲度。最小截面面积和弯曲度分别是控制水流流量和排水时间的最重要因素,要精确计算排水沥青路面的排水能力,就需准确确定最小截面面积与弯曲度值。


空隙截面面积沿深度的分布情况,同一条水流路径中空隙截面面积沿深度方向的分布规律大致为端部空隙面积大、中间较小,最小截面随机分布。


结语


(1)采用改进大津法可以在细观尺度下将排水沥青混合料CT扫描断面图像内部空隙有效提取出来,计算结果表明,利用提取的空隙图像计算的空隙率与试验值差别较小,说明该方法较为可靠。


(2)采用空隙率、连通空隙率、比表面积与弯曲度的算法进行空隙空间分布特征分析,包括空隙的位置、大小、连通空隙路径的最小截面面积、弯曲度等信息。这些空隙信息为精确分析排水沥青混合料的排水特性提供了支撑,同时这种连通空隙分析方法也为沥青混合料细观结构研究提供了一种新的思路。


(3)由于CT穿透力有限,本文研究中对沥青混合料马歇尔试件端部图像进行了剔除,使分析结果偏小,因此需进一步完善扫描图片质量。在后续工作中,将利用获取的连通空隙特征建立数值模型,进行排水沥青混合料的排水能力分析。



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