基于X-ray CT的沥青混合料剪胀变形分析

论文总字数：26575字

摘 要

我国高级公路建设中，沥青混凝土路面所占比例很高，但沥青混合料作为一种粘弹性材料，对于温度具有较高的敏感性，在高温条件下极易出现车辙现象。近年来车辙病害成为我国沥青路面最主要的早期破坏现象，对沥青混凝土路面行车舒适性和安全性造成了严重的影响。车辙病害的形成过程中，剪胀是一种标志性现象，以往对于剪胀的分析，大多基于宏观试验，忽略了许多影响因素，因此有必要从微观角度对沥青混合料的细观结构及相应的剪胀变形进行深入研究。

之前通过旋转压实成型的方法制备的PA13、AC13、AC20、SMA13、SUP13、SUP20六种沥青混合料试件，进行压缩破坏，分别用CT机扫描破坏前后的试件，得到各层面的扫描图像，通过MATLAB软件编制程序对CT图像进行处理，采用最大类间方差法（OTSU）计算分割阈值，从而分割集料、沥青砂浆以及空隙。本文通过基于体数据的算法对沥青混合料试件进行三维重构。通过观测破坏前后试件不同深度处的径向周长，从而计算径向应变，以此分析不同级配试件的剪胀变形情况，发现除AC20外，其余5种级配试件上下部均存在一定的剪缩现象，中部均产生明显的剪胀现象，PA13以及AC20两种级配试件的剪胀量明显更大一些。AC13级配试件的径向应变分布情况比较对称，而SMA13、SUP13、SUP20级配试件剪胀量分布较为均匀，且剪胀量较小。

关键词：沥青混合料；CT扫描；图像处理；三维重构；剪胀变形

Abstract

The ratio of the asphalt concrete pavement in the construction of advanced highway is very high in our country.However, as one kind of viscoelastic material,asphalt mixture has a high sensitivity to temperature,so the rutting is prone to occur at high temperature.In recent years,rutting has seriously affected driving comfort and safety of asphalt pavement as one kind of early damage. In the formation of rutting,dilation is a sign phenomenon.Analysis of the dilation in the past was usually based on traditional methods which ignored a lot of factors,so it is necessary to study the microstructure and the corresponding dilation of asphalt mixture in micro perspective.

Specimens of six gradations were molded using gyratory compaction method including PA13,AC13,AC20,SMA13,SUP13,SUP20 which were compressed to destruction later. X-ray CT scanning was carried out to get the scanning images at different depths of the specimens before and after destructions and MATLAB was used to deal with the images. OTSU algorithm was adopted to calculate threshold values or the purpose of distinguishing aggregate, asphalt and air void.Reconstructing algorithm based on volume data was used to reconstruct three-dimensional model of asphalt mixture. Radial strain along the depth direction before and after compression test were calculated through calculating the radial circumference to analyze the dilation of different gradations.Results shown that PA13,AC13,SMA13,SUP13 and SUP20 specimens display shear dilation in the middle of the specimens and shear shrinkage at upper and lower of the specimens except AC20.The dilation of PA13 and AC20 specimens were obviously larger than other specimens.The radial strain distribution of the AC13 specimens is symmetric while the dilation of SMA13, SUP13 and SUP20 specimens were evenly distributed.The dilation of AC13,SMA13, SUP13 and SUP20 specimens were lower than the others.

Key words: asphalt mixtures; CT scanning; image processing; three-dimensional reconstruction; dilation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 进一步研究必要性 3

1.4 论文主要研究内容及技术路线 4

第二章 沥青混合料配合比设计及其评价 5

2.1原材料性质 5

2.1.1沥青 5

2.1.2集料 5

2.2 混合料试件设计 6

2.2.1级配设计 6

2.2.2确定最佳沥青用量 8

2.3 试件成型 9

2.4 单轴压缩试验 9

2.5 本章小结 10

第三章 CT图像二值化处理 11

3.1数字图像处理简介 11

3.1.1 CT技术简介 11

3.1.2 MATLAB图像处理简介 12

3.2 图像预处理 13

3.2.1 图像类型转换 13

3.2.2 对比度增强 14

3.2.3 滤波降噪 14

3.3 图像分割 15

3.4本章小结 16

第四章 沥青混合料的三维重构 19

4.1 重构方法简述 19

4.2 重构结果 20

4.3 本章小结 24

第五章 沥青混合料剪胀变形分析 25

5.1 沥青混合料剪胀特点 25

5.2 不同级配试件剪胀量计算 25

5.3 本章小结 29

第六章 结论与展望 31

6.1 主要结论 31

6.2 进一步研究的展望 31

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着我国国民经济的快速发展，我国的公路建设也取得了举世瞩目的成就，目前我国已建成的高速公路中，约90%采用沥青路面结构，以沥青混凝土作为路面面层材料。由于我国国情特殊，公路交通量大、轴载重、交通渠化严重，加之气候特征差异性大，部分地区气温较高等原因，车辙病害成为我国沥青路面最主要的早期破坏现象，特别是在南方地区，车辙问题更为普遍。

研究表明，沥青混合料是一种典型的粘、弹、塑性综合体。在低温条件下，接近于线弹性体；在常温小变形或卸载条件下，具有粘弹性质；在高温大变形范围内则表现为粘弹塑性综合行为。因此沥青混合料作为一种粘弹性材料，对于温度具有较高的敏感性，在高温条件下，沥青混合料抗变形性能急剧下降，极易出现车辙现象。另一方面，我国超载现象严重，使得路面实际承受的轴载高于设计最大轴载，虽设计路面结构时已留有一定的安全系数，但超载现象仍在一定程度上加快了路面的破坏速度。

研究发现，在车辙形成过程中，剪胀是一个标志性现象,剪胀是指颗粒组成的混合料在剪切过程中产生的体积膨胀。沥青混合料受剪时，受限制的颗粒之间的胶结料将残余应力传递给颗粒，从而引起颗粒的重分布、位置和方向的改变，微观结构随塑性变形改变而变化，从而导致了剪胀现象的发生。剪胀行为与多种因素有关，之前已经有研究人员利用分析模型来预测理想沥青混合料的剪胀特性^[1]，但是以往对沥青混合料剪胀特性的分析，大多都基于连续介质模型和有限元模型，不考虑微观结构对沥青混合料宏观性能的影响，而且这些大多基于无黏性的砂土或碎石材料建立而成，无法表征沥青混合料中胶结料的黏结性能。考虑到沥青混合料的复杂多相特性，从微观的角度入手，利用先进的微观试验手段或者模拟分析手段，对沥青混合料的微观结构进行研究分析，可以更好的了解沥青混合料的剪胀性能。当前对微观力学问题的认识和掌握以及相关技术已经可以支持研究人员在微观角度来分析沥青混合料的特性，深入了解病害的发展机理，进而可以得出该机理对宏观整体的影响。在确定了材料的微观颗粒的性能，组成分布以及聚合成宏观材料模型的方式等因素之后，就可以利用先进的计算机技术，以模拟的手段来一一确定材料的宏观力学性能，而不必耗费大量的人力物力进行室内试验。

近年来，大量研究人员通过获取沥青混合料的微观结构图像，采用数字图像处理技术来分析沥青混合料的特性，其中，CT扫描技术能够无损地检测混合料的内部结构，可以更清楚地认识相应的宏观现象，从而可以更准确地把握宏观规律，细观与宏观有机结合可以更加透彻地认识沥青混合料。获得沥青混合料的扫描图片后，可以通过计算机程序例如MATLAB软件等，对图像进行处理，并进行三维重构，计算混合料的应变，从而为剪胀特性分析提供了基础。

1.2 国内外研究现状

为了研究混合料的剪胀特性，研究人员构建了许多沥青混合料的本构模型，Tan^[2]提出沥青混合料的剪胀特性可以通过莫尔-库伦破坏理论与极限平衡状态理论进行研究。钟晓雄等^[3]提出了一种基于混合料组构的新方法评估砂土的剪胀性。程展林等^[4]基于邓肯-张模型和Rowe剪胀方程，建立了体变模量、剪胀模量、剪切模量与应力状态的关系，提出了一种非线性的剪胀模型。Goddard基于次塑性模型提出了无黏性颗粒剪胀弹塑性理论^[5]。这些模型大多基于无黏性的砂土或碎石材料建立，无法表征沥青混合料中胶结料的黏结性能，而且主要基于连续介质模型和有限元模型，忽略了微观结构对沥青混合料性能的影响。

由于沥青混合料是一种多相材料，连续介质模型不能很好地表征其性能，需要建立非连续介质模型分析其剪胀特性。近年来，研究人员开始建立沥青混合料的微观力学模型来分析剪胀特性。You考虑了颗粒形状、颗粒尺寸及尺寸分布、颗粒的取向、组份的分散相及连续相、黏合剂的连续相与离散相等因素，建立了沥青混凝土微观力学模型，进行剪胀特性的微观研究^[6]。Dugdale等提出了黏结模型，用来观测延性材料和脆性材料的断裂行为^[7-8]。Cundall等^[9]提出离散单元法来模拟具有更复杂黏结模型的材料的断裂行为。Chang^[10]提出了高级晶格模型来研究沥青混凝土的微观结构，模拟了微观结构发展至断裂过程。这些模型的提出，能够有效地模拟沥青混合料的剪胀行为。

研究表明，沥青混合料的剪胀特性主要与混合料的组分（如集料的体积含量、级配、形状以及尺寸）以及试验条件（加载、卸载、温度、围压）有关。Rismantojo^[11]提出车辙产生时轮迹下混合料空隙率会降低，而轮迹两旁混合料隆起且空隙率增加，说明沥青混合料的剪胀变形是车辙产生的关键性因素。Armstrong^[12]指出沥青混合料空隙率降低时，沥青混合料的强度和刚度增加，剪胀量减小。Wang等^[13]通过试验沥青混凝土常规应力状态下的剪胀变形特性。张建同^[14]通过实验分析了沥青混合料在不同温度下应力应变特性与加载时间的关系，研究沥青混合料的剪胀特性，发现沥青混合料的剪胀特性与加载时间、应力应变特性和温度有关。

研究证明，从微观角度来分析沥青混合料的剪胀特性精确度较高，分析结果更接近实际情况，能与宏观实验相结合，为沥青路面抗车辙设计提供指导，因此通过沥青混合料的微观结构分析剪胀特性是有必要的。

从微观角度建立沥青混合料的模型，分析剪胀特性，首先要对其微观结构有一个清晰的认识。沥青混合料微观结构的空间重构是进行微观结构分析的基础，而要进行材料的空间重构，首先需要对材料原有的空间结构有一个真实的认识。近年来，大量研究人员近年来利用X-ray CT技术和图像分析技术研究沥青混合料的细微观结构，能够准确和非破坏地确定其微观结构，研究沥青混合料的性能，张婧娜^[15]基于数字二维图像处理技术提出表征沥青混合料细观结构的参数，对不同成型方法试件的细观结构进行了研究；徐科^[16]采用各向异性体视学方法，提出将粗集料结构系数作为评价沥青混合料级配离析的指标；李晓军^[17]、虞将苗^[18]、吴文亮^[19]应用数字图像处理技术，结合有限元建模方法，建立了包含集料、空隙和沥青砂胶在内的沥青混合料二维有限元模型，提出了一种方便、直观的将沥青混合料的微观结构与其宏观力学行为联系在一起的方法；孙朝云^[20]重点研究了沥青混合料中图像边缘识别与分割的相关算法。此外，Masad等^[21]利用数字图像技术研究了集料的棱角性和表面构造；Chehab等^[22]利用传统的试验技术对较大试件进行切片处理，测量各个方向切片的孔隙分布，以评价力学测试时试件中孔隙分布的连续性；Kuo等^[23]提出了基于数字图像处理技术的集料形状、棱角性和表面构造算法；Wang等^[24]利用CT技术分析了Westrack试验路段取芯试样的空隙分布，并提出沥青混合料三维模型重构的方法；Coleri和Harvey^[25]对橡胶改性的间断AC级配和聚合物改性的AC密级配两种混合料试件进行全面加速的路面试验，使用CT扫描仪对混合料试验前后的细观结构进行扫描。试验发现由剪切破坏导致的变形占据了总变形的较大部分，而压密变形基本只出现在变形初期，约占总变形的40%至45%，并且基本只出现在循环加载的前1000次。

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