基于实测几何形貌的沥青混合料劈裂实验细观测试方法与流程

本发明涉及一种实验测试方法，具体涉及一种基于实测几何形貌的沥青混合料劈裂实验细观测试方法，属于土木工程应变测量技术领域。

背景技术：

沥青混合料的力学性能在道路行业一直是研究热点，特别是随着计算机和图像处理技术的不断发展，越来越多的道路行业工作者投入到对沥青混合料的研究中来。沥青混合料劈裂试验即间接拉伸试验(idt，indirecttensiletest)，是指对规范规定尺寸的圆柱体试件，通过一定宽度的圆弧形压条施加荷载，使得试件沿直径方向劈裂直至破坏的试验，通过实验测得沥青混合料的变形、间接抗拉强度、极限拉伸应变、破坏劲度模量等，通过对这些参数的处理分析来评价沥青混合料的力学性能。由于在劈裂试验中，试件中部在承受荷载作用下的应力应变状态与实际路面承受荷载时底层的应力应变状态相似，且劈裂试验操作简单，因此，劈裂试验逐渐成为进行路面结构和沥青混合料设计的一部分，并得到了国内外众多学者的重视。

传统的沥青混合料劈裂试验通常采用位移传感器或位移计来测定试件在施加荷载过程中的水平和垂直变形，具有固定的量程限制，测量的精密度较低。同时，用数据采集系统或x-y记录仪来自动采集传感器和位移计的电测信号，仅仅只能得到变形位移数据和荷载-挠度曲线，并不能采集到试件整个断裂过程，进而无法直观地观察裂纹扩展情况，具有一定的局限性。传统的数据采集系统受限于记录仪器的走纸速度，并不能同步模拟试件力学响应的变化，效率低且易产生测量误差。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺点和不足，本发明提出一种基于实测几何形貌的沥青混合料劈裂实验细观测试方法，能准确模拟沥青混合料试件的破坏路径，得到试件从开始加载到完全破裂整个过程的细观界面图像，以及试件测量区域内的位移和应变分布，能够更好地研究沥青混合料在规定温度和加载速率时的劈裂破坏和处于弹性阶段的力学性质。

本发明采用的技术方案是：

基于实测几何形貌的沥青混合料劈裂实验细观测试方法，包括以下步骤：

步骤一：选取沥青混合料试件，按照规范在恒温保温箱内进行保温，经过保温之后取出试件进行试验。

步骤二：为了便于测量，按照编号顺序，在试件细观界面涂一层薄的白漆，然后在其上面布稀疏的小黑点。

步骤三：确定多功能全自动沥青压力试验仪的试件放置位置。将处理好的沥青混合料试件迅速置于试验台的夹具中安放稳定，试件上下均安放圆弧形压条，使上下压条侧面的十字划线与试件中心轴线对准，上下压条应居中、平行。

步骤四：装配pmlabdic-3d仪器，设置测定状态，并进行原始图像取样。

原始图样取样的目的在于将其与劈裂试验过程中的细观界面在裂纹出现和试件完全破坏时的图像取样进行对比，便于观测界面裂纹几何位置，并读取具体位置的应变值。

所述的pmlabdic-3d是一种基于非接触式应变光学系统的光学测量仪器。它能够通过比较载荷作用下测量区域内各点的三维形貌的变化，得到被测物体全场三维位移分布及应变分布。针对固定测量视场用户，运用便携式测量头。

步骤五：关闭实验室所有灯光，按照设定的位移间隔以一定的加载速度对规定尺寸的试件进行加载，直到整个试件破裂为止。

关闭实验室所有灯光，其目的在于使得仪器能够准确捕捉试件表面的位移变化情况，利用相关匹配算法，得到左右相机采集图像中对应的视差，从图像中各点的视差数据和预先获得的标定参数重构沥青混合料试件表面的三维形貌；通过比较荷载作用下测量区域内各点的三维形貌的变化，得到被测物体全场三维位移分布及应变变化。

步骤六：通过pmlabdic-3d仪器观察试件界面裂纹状态，得到界面出现裂纹时的加载位移，测定试件界面出现裂纹时和完全破坏时的应变状态。

pmlabdic-3d仪器可以通过编程控制图像采集过程，针对位置固定的测量对象，可以运用便携式的测量头对被测物体进行测定，无需现场标定，其测量精度最小可以达到50个微应变。本仪器分辨率为1296×964pixel，最高帧频达到30fps，图像由高分辨率ccd摄像机采集，图像采集速度为5帧/s，采集到的变形后图像将被同步存储入计算机进行分析处理。

更进一步的方案是：沥青混合料试件按照标准的马歇尔试件要求制备，直径为101.6mm，高为63.5mm，再利用切割机床切割试件剖面，形成细观界面，直径为101.6mm，高为40mm。

更进一步的方案是：在恒温保温箱内进行保温，是指在试验前期准备过程中，需要将沥青混合料马歇尔试件放入到保温水箱，并按照相关规范设定温度，恒温保存半个小时以上，再取出进行劈裂试验。在什么温度下评价沥青混合料的性能应视试验目的而定，相关规范已经公开，不在本发明的保护范围之内。

更进一步的方案是：所述白漆采用自动喷涂热塑丙烯酸树脂漆，然后在其上面用黑色记号笔布稀疏的小黑点，小黑点之间的距离控制在10mm之内。目的在于在光学测试过程中将光斑网格化，光线从一个多孔的格栅穿过投射到试件测试的表面，通过不同时刻的相对位移来换算成试件的应变。

更进一步的方案是：所述设定的位移间隔为0.01mm，以10mm/min的加载速度采用电动加载的方式对马歇尔试件施加位移荷载，直到沥青混合料试件破裂为止，但从开始加载到试件破坏时间很短，不超过30s。

本发明的有益效果如下：

本发明采用的非接触式光学测量方法测量沥青混合料试件在劈裂试验过程中的表面形变，通过系统计算可以得到试件表面全场每一点的位移和应变等参数，弥补了传统沥青混合料劈裂试验测量范围的局限性；测量过程中无需安装位移传感器，避免了使用传统劈裂试验方法中人为因素造成的测量结果误差；本方法中运用的pmlabdic-3d仪器，可以根据用户需求，对劈裂试验图像采集全过程进行编程控制，操作方便；该方法能够直观地观测沥青混合料试件的整个断裂过程，能够更好地研究沥青混合料在规定温度和加载速率时的裂纹扩展情况和处于弹性阶段的力学性质；该方法针对位置固定的测量对象，可以运用便携式的测量头对被测物体进行测定，无需现场标定，具有一定的灵活操作性；该方法中使用的仪器测量精度高，图像采集速度快，采集的图像质量较好，能够更加直观清晰地观察裂纹变化规律。

附图说明

图1为本发明的测量系统示意图；

图2为ac-25的切割界面图；

图3为多功能全自动沥青压力试验仪；

图4为pmlabdic-3d仪器；

图5为考察区域及其灰度值(其中左侧为变性前子区域g1和灰度值分布，右侧为变形后子区域g2和灰度值分布)；

图6为位移荷载为-0.07mm时ac-25试件出现的微小裂纹；

图7为ac-25试件界面x向应变、y向应变、第一主应变云图(位移-0.07mm)；

图8为位移荷载为-0.19mm时ac-25试件的裂纹贯穿云图；

图9为位移荷载为-0.19mm时ac-25试件裂纹示意图；

图10为ac-25试件界面x向应变、y向应变、第一主应变云图(位移-0.19mm)；

图11为ac-25试件裂纹扩展过程示意图。

具体实施方式

为了更好地证明本发明的可行性，下面结合附图和具体实例对本发明的基于实测几何形貌的沥青混合料劈裂实验细观测试方法作进一步地描述。

沥青混凝土ac-25是沥青路面下面层常用材料，本发明以沥青混凝土ac-25为例，对ac-25沥青混合料基于实测几何形貌的细观劈裂试验方法进行详细实施方式的介绍。

步骤一：按照标准马歇尔试件的要求制备ac-25沥青混合料试件，直径为101.6mm，高为63.5mm，再利用切割机床切割试件剖面，形成细观界面，直径为101.6mm，高为40mm。按照规范要求在试验前期准备过程中，需要将ac-25沥青混合料放入保温水箱中，本实例设定试验温度为25℃，恒温保存半个小时以上，再取出试件进行劈裂试验。ac-25试件的切割界面见图2。

步骤二：为了便于测量，按照编号顺序，在ac-25试件细观界面涂一层薄的白漆，然后在其上面布稀疏的小黑点。目的在于在光学测试过程中将光斑网格化，光线从一个多孔的格栅穿过投射到试件测试的表面，通过不同时候的相对位移来换算成ac-25试件的应变。

步骤三：确定多功能全自动沥青压力试验仪的试件放置位置。全自动沥青压力试验仪见图3。将处理好的ac-25沥青混合料试件迅速置于试验台的夹具中安放稳定，试件上下均安放圆弧形压条，使侧面的十字划线对准，上下压条应居中、平行。

步骤四：装配pmlabdic-3d仪器，设置测定状态，并进行原始图像取样，其目的在于将其与劈裂试验过程中的细观界面在裂纹出现和试件完全破坏时的图像取样进行对比，便于观测界面裂纹几何位置，并读取具体位置的应变值。

所述的pmlabdic-3d见图4，是一种基于非接触式应变光学系统的光学测量仪器。它能够利用经过校验的标定板对双目相机系统进行标定，获得两个相机的内外参数；利用相关匹配算法，得到左右相机采集图像中对应点的视差，从图像中各点的视差数据和预先获得的标定参数重建物体表面的三维形貌；通过比较载荷作用下测量区域内各点的三维形貌的变化，得到被测物体全场三维位移分布及应变分布。

相关匹配算法的原理是跟踪标识的局部微小区域内相邻小块区域的灰度值分布，由分布值确定变换参数，进而由标识的局部区域坐标求出变形后的坐标。由图5左侧所述的“田字格”给出的局部微小区域设为g1，其灰度值分布为g1(x,y)，在应力的作用下，小区域改变为图5右侧中的g2，变形后的灰度值分布为g2(x,y)。

由于荷载的作用，标识的局部区域坐标(x,y)转变为(xt,yt)，采用伪仿射变换：

xt(a0,a1,a2,a3,x,y)＝a0+a1x+a2y+a3xy

yt(a4,a5,a6,a7,x,y)＝a4+a5x+a6y+a7xy(1)

其中t代表随着时间的变化，标识的局部区域坐标发生变化，因此坐标值xt和yt表示t时刻的标识区域坐标值。

相关算法变换参数为(a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7)，这几个参数作为算法中的常系数，无量纲。设原来的灰度值分布为g1(x,y)，变换后的灰度值分布为g2(x,y)。利用坐标变换(xt,yt)及摄影测绘学进行修正，有

gt(x,y)＝g0+g1g1(xt(x,y),yt(x,y))(2)

式中：g0，g1为照明参数，根据具体照明工具确定取值，属于无量纲参数；gt(x,y)为修正后的灰度值分布。

根据(3)式求极小值，即可确定变换参数a0，a1，···等。相关算法使变形前后的匹配精度达到0.01像素。

步骤五：关闭实验室所有灯光，使得仪器能够准确捕捉试件表面的位移变化情况，按照设定的位移间隔0.01mm，以10mm/min的加载速度采用电动加载的方式对ac-25试件施加位移荷载，直到试件破裂为止。

步骤六：通过pmlabdic-3d仪器观察ac-25试件界面裂纹状态，得到界面出现裂纹时的加载位移，测定试件界面出现裂纹时和完全破坏时的应变状态。本仪器分辨率为1296×964pixel，最高帧频达到30fps，图像由高分辨率ccd摄像机采集，图像采集速度为5帧/s，采集到的变形后图像将被同步存储入计算机进行分析处理。

根据pmlabdic-3d仪器观察，ac-25试件界面在加载到-0.07mm(负号表示方向为向下)时，其界面上下两端产生微小裂纹，如图6所示，但此时人为观察不到其界面的微小裂纹，仪器可以通过前后帧采取图像的变化对比得到试件ac-25试件出现裂纹的位移荷载为-0.07mm。此时ac-25试件界面上下两端裂纹处x、y和第一主应变最大值如表1所示，界面上下两端处x向应变、y向应变、第一主应变云图如图7。

表1界面应变状态(位移-0.07mm)

ac-25试件加载到-0.19mm时，其界面产生较大的裂纹，在图8中可以看出宏观裂缝，此时试件表面的裂纹贯穿示意图见图9。此时，ac-25试件中间裂纹的x、y和第一主应变最大值见表2，界面中间裂纹x向应变、y向应变和第一主应变如图10。另外，根据图像采集可以得到ac-25界面的裂纹扩展过程如图11所示。

表2宏观裂缝时应变状态(位移-0.19mm)

其中εx表示x方向应变，εy表示y方向应变，ε1表示第一主应变，单位均为με(微应变)。

通过以上案例的分析，可以得出以下结论：基于实测几何形貌的沥青混合料劈裂实验细观测试方法能够很好地分析沥青混合料在劈裂试验中的裂纹扩展轨迹，能够更好地研究沥青混合料在规定温度和加载速率时的裂纹扩展情况和处于弹性阶段的力学性质，同时也能够直接得到试件测量区域内的位移和应变分布云图。测量过程中无需安装位移传感器，减小了因为人为因素造成的应变测量误差。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。