一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，首先从沥青混合料试样中随机选取集料作为扫描样本；对扫描样本进行扫描，获取扫描图像；获取扫描图像中集料和沥青的总面积As以及集料面积Aa，由总面积As计算得到总面积对应的当量圆半径Rs，由集料面积Aa计算得到集料面积对应的当量圆半径Ra；根据当量圆半径Rs和Ra之差得到集料表面沥青膜厚度。本发明可以对沥青含量相同而粒径大小不同的集料表面沥青膜厚度进行扫描计算，结果表明，沥青膜厚度随着集料粒径的增大呈现减小的趋势，本发明数据可靠且准确。
【专利说明】一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于沥青膜厚度计算领域，具体涉及一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚 度的计算方法。 【【背景技术】】
[0002] 沥青混合料的沥青膜厚度对于沥青混合料的矿料级配设计和最佳沥青用量的确 定具有极其重要的参考价值。在沥青混合料中，为了使沥青混合料具有良好的高温抗车辙、 低温抗开裂、抗水害、耐疲劳等特性，必须保证集料周围裹附的沥青膜有一定的厚度，沥青 膜厚度对沥青混合料性能影响甚大，沥青膜越厚，沥青混合料越显柔韧和耐久性;沥青膜越 薄，沥青混合料越脆，越易产生开裂和剥落。
[0003]目前最常用的计算集料表面沥青膜厚度的方法是维姆法。下面就该方法做简单的 介绍：
[0004] 维姆法计算公式：
[0005] SA = 0.41+0.01 EPiFAi
[0006] 式中：
[0007] SA--矿料的总表面积，m2/kg;
[0008] Pi--集料在各个筛孔的通过率，％ ;
[0009] FAi--各个筛孔的表面积系数，m2/kg。
[0010]
[0011] 式中：SA--矿料的总表面积，m2/kg;
[0012] p一一沥青的密度，g/cm3;
[0013] δ-一沥青膜的厚度，μπι;
[0014] Pbe一一沥青混合料的有效沥青含量，％。
[0015] 注:各种公称最大粒径混合料大于4.75mm尺寸集料的表面积系数均取0.0041，且 只计算一次，4.75mm以下部分的FAi如表1所示。
[0016]表1集料各个筛孔的表面积系数
[0017]
[0018] 沥青膜的厚度对沥青混合料的性能有着至关重要的作用。但是目前最常用的计算 沥青膜厚度的方法精确性并不是很高，传统的方法计算沥青膜厚度看成是一个同样的值， 但实际上不同粒径的集料表面覆盖沥青膜的厚度是不同的。因而需要一种可信度更高的方 法计算沥青膜厚度。 【
【发明内容】
】
[0019] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种沥青混合料中集料表面 沥青膜厚度的计算方法，能够准确地确定沥青膜厚度。
[0020] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0021] 包括以下步骤：
[0022]步骤一:制备沥青混合料试样；
[0023] 步骤二:从制备好的沥青混合料试样中随机选取集料作为扫描样本；
[0024] 步骤三:对扫描样本进行扫描，获取扫描图像；
[0025] 步骤四：获取扫描图像中集料和沥青的总面积As以及集料面积Aa，由总面积As计 算得到总面积对应的当量圆半径Rs，由集料面积Aa计算得到集料面积对应的当量圆半径 Ra;根据当量圆半径Rs和Ra之差得到集料表面沥青膜厚度。
[0026]进一步地，步骤一具体包括：
[0027] 步骤101:备矿料和沥青，将矿料清洗后置于100~110 °c的烘箱中烘干至恒重；
[0028] 步骤102:将烘干后的矿料分级得到矿粉和集料，将集料和矿粉分别预热至沥青拌 和温度以上15°C备用;沥青熔化加热至规定的沥青混合料拌和温度备用；
[0029] 步骤103:将矿粉、集料和沥青加入沥青混合料拌和机中，在拌和温度下拌合均匀 后冷却至室温，得到沥青混合料试样。
[0030] 进一步地，步骤103的拌合过程开始前沥青混合料拌和机预热至拌和温度以上9~ ire。
[0031] 进一步地，步骤三中采用X-ray CT对扫描样本进行扫描。
[0032] 进一步地，X-ray CT的型号为Compact_225KV〇
[0033] 进一步地，步骤三具体包括，
[0034]步骤301:将滤波片贴置于X射线靶头处；
[0035]步骤302:将扫描样本摆放于载物台中心的轻质垫块上，调整载物台坐标，使扫描 样本位于X射线靶头探测中心;进行黑白屏校正，调节扫描电压、扫描电流、积分时间、饱和 度和对比度；
[0036] 步骤303:进行增益校正；
[0037]步骤304:利于X-ray CT对扫描样本进行扫描，当扫描样本跟随载物台完成360°旋 转时，扫描结束，获取扫描图像。
[0038] 进一步地，步骤302中扫描电流：0 · 4~0 · 6mA，扫描电压：200~210KV，积分时间： 300ms~500ms;饱和度不超过80%，对比度不低于3000。
[0039] 进一步地，步骤304中旋转速率为24°/min。
[0040] 进一步地，步骤四中利用IPP软件获取扫描图像中的集料和沥青的总面积以及集 料面积。
[0041] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0042] (1)本发明通过对沥青混合料试样扫描获取扫描图像，获取扫描图像中集料和沥 青的总面积以及集料面积，从而能够准确的确定出沥青膜的厚度，可信度高；
[0043] (2)能够根据计算出的沥青膜厚度准确的确定最佳的沥青用量，保证沥青混合料 具有好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水害和耐疲劳等特性;并且对于研究沥青膜厚度与沥 青混合料性能之间的关系具有更重要的作用；
[0044] (3)对于未知的沥青混合料中，沥青膜的厚度可以通过本发明方法得到确认，另外 进而可以根据以往的沥青膜厚度与沥青用量的关系式计算得到沥青的用量；
[0045] (4)本发明可以对沥青含量相同而粒径大小不同的集料表面沥青膜厚度进行扫描 计算，结果表明，沥青膜厚度随着集料粒径的增大呈现减小的趋势，本发明方法相对相对传 统的维姆法，两者有很大的相关性，表明本发明数据可靠，同时相对于维姆法计算得到的始 终为固定均值的结果更精确；
[0046] (5)本发明方法操作简单，具有重要的实践意义和很好的应用前景。 【【附图说明】】
[0047]图1为被沥青裹附的集料扫描图。
[0048]图2为被沥青裹附的集料计算原理示意图。
[0049] 图3为采用维姆法和本发明方法分别计算的沥青膜厚度关系图。 【【具体实施方式】】
[0050] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0051] 本发明利用X-ray CT扫描技术来获得沥青膜厚度，实现了更精确的确定集料表面 沥青膜厚度的目的。本发明具体包括以下步骤：
[0052] 步骤一：制备试样:根据确定的最佳沥青用量和级配，拌制沥青混合料，搅拌要均 匀，充分。沥青用量和级配的选择可以根据使用的沥青混合料的性能的不同选取不同的沥 青用量和级配。
[0053]步骤101:根据《公路沥青路面施工技术规范》进行试件沥青混合料的配合比设计， 并确定沥青料的拌和及压实温度。
[0054] 步骤102:按设计的配合比备矿料和沥青，将各种规格的矿料置于105°C ± 5°C的烘 箱中烘干至恒重，一般烘干不少于4h。根据情况，粗集料可先用水冲洗干净后烘干，也可将 粗细集料过筛后用水冲洗再烘干备用。矿料是矿粉和集料的总称，而集料又分为粗集料和 细集料，因此原料含有沥青、粗集料、细集料和矿粉;其中粗集料指集料粒径大于2.36mm的 材料，在〇. 075~2.36mm之间的则为细集料，小于0.075mm的为矿粉。
[0055]步骤103:将烘干之后分级的粗、细集料，按设计级配要求称取质量并混合均匀，置 烘箱中预热至沥青拌和温度以上15°C备用，矿粉单独加热，加热温度同样在沥青拌和温度 以上15°C，沥青用恒温烘箱、电热套熔化加热至规定的沥青混合料拌和温度备用，但不得超 过 175。。。
[0056] 步骤104:沥青混合料拌和机预热至拌和温度以上10土 1°C左右备用并加热至合适 的温度备用。
[0057] 步骤105:利用拌和机进行沥青混合料的拌合，并冷却至室温。
[0058] 步骤二:从拌制好的沥青混合料中随机选取集料作为扫描样本。为了确保准确性， 可以选择不同粒径大小的集料进行扫描计算，以免产生不必要的误差，最后取均值，计算更 精确。
[0059] 步骤三:对德国YXL0N公司生产的Compact_225KV型工业X-ray CT进行调试，CT图 像见图1。
[0060] 步骤301:将滤波片贴置于X射线靶头处以减少低能射线所占的比例，防止CT图像 上出现盘状的伪像，从而影响成像质量。
[0061] 步骤302:将扫描样本平稳地摆放于载物台中心的轻质垫块上，通过扫描机械系统 调整载物台的x、y、z轴坐标，使样本处于X射线靶头探测中心的最佳扫描位置。接着进行黑 白屏校正，以避免投影值过大，噪声水平过高等异常情况。在黑白屏校正完成之后，调节扫 描电压、扫描电流和积分时间参数，调节的原则是，在CT图像的饱和度和对比度能够满足图 像质量要求的前提下，尽量缩短积分时间；扫描电流:〇. 4~0.6mA，扫描电压:200~210KV， 积分时间：300ms~500ms ;通常饱和度越大越好，但是为了保护探测器，其最好不要超过 80%，对比度一般要求不低于3000。
[0062]步骤303:进行增益校正，保证XCT系统在全部调整结束后处于最佳的扫描状态。 [0063]步骤四：利用工业X-ray CT对扫描样本进行扫描。开启X射线后，X射线首先穿过靶 头上的滤波片，过滤掉一部分低能射线，然后以一定的入射强度呈锥束状放射穿透扫描样 本，在这个过程中，X射线强度逐步衰减，最后以衰减后的出射强度到达探测器，由探测器测 量X射线的入射强度和出射强度，并将其反馈到CT计算机中。当扫描样本跟随载物台以固定 的速率15min完成360°旋转时，扫描结束。
[0064]步骤五:利用工业X-ray CT获取扫描图像。X-ray CT根据X射线的衰减规律进行成 像，获取图像，见图1，图中中间颜色比较深的部分是集料，而边缘上颜色比较浅的是集料表 面的沥青。
[0065]步骤六:利用IPP软件对扫描图像中的集料和沥青的总面积进行计算得出总面积 As。由于集料一般近似于椭圆形，本发明将之视为圆形，以便于计算的方便性。因此当量圆 面积为As。根据圆面积的计算公式A = 3iR2,根据当量圆的总面积As计算出当量圆半径Rs，见 图2。
[0066]步骤七:利用IPP软件对扫描图像中的集料面积进行计算，记为Aa。并且根据圆面 积的计算公式A = 3IR2,根据集料当量圆的面积Aa计算出当量圆半径Ra，见图2。步骤六和步 骤七中是根据总面积相同，将集料的扫描形状看作是当量圆的方法计算得出当量圆半径。
[0067] 步骤八:求解沥青膜的厚度:根据两个当量圆半径之差得出沥青膜厚度，具体是利 用集料和沥青的当量圆半径Rs与集料的当量圆半径Ra两者之差计算沥青膜厚度DA，即：DA = Rs_Ra，见图 2。
[0068] 以下是本发明的具体实施例。需要说明的是，具体实施例仅是本发明的较佳实施 例，并非对本发明有任何的限制，本发明的保护范围不局限于本实施例。
[0069] 实施例：
[0070] (1)计算沥青膜的厚度
[0071] 级配选取常用的AC-16级配，级配如表2所示：
[0072] 表2AC-16混合料配合比设计
[0073]
[0074] 沥青混合料中基质沥青选取国产SK70#。分别采取五种不同的沥青用量4.2%， 4.5%，4.8%，5.1%，5.4%进行沥青混合料的拌制。集料选取石灰岩。
[0075] 选取不同沥青用量中集料大小相近的集料，通过工业X-ray CT扫描和IPP软件面 积计算，沥青膜厚度的计算结果如表3所示：
[0076] 表3通过本发明计算不同沥青用量的沥青膜厚度
[0077]
[0079] 通过工业X-ray CT扫描和计算得出，当沥青含量为4·2%，4·5%，4·8%，5·1%， 5.4%的时候集料表面沥青膜的厚度分别是46.817μπι，51.928μπι，56.843μπι，58.479μπι， 62·282μπι 〇
[0080] (2)与维姆法进行对比分析
[0081] 通过运用维姆法对五种不同沥青含量的沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计 算，结果见表4。
[0082] 表4通过维姆法计算不同沥青用量的沥青膜厚度
[0083]
[0084] 由表4可知，当沥青用量为4.2%，4.5%，4.8%，5.1%，5.4%的时候通过维姆法计 算得出的集料表面沥青膜的厚度分别是16.200μπι，17.429μπι，18.649μπι，19.877μπι，21.113μ m〇
[0085] 从以上的数据可知，这两种方法计算得出的值是不同的。将本发明的计算方法得 出的结果与维姆法计算得出的结果关系如图3所示。
[0086] 从图3可知，通过CT方式得出的沥青膜厚度与维姆法之间的沥青膜厚度之间具有 很高的线性相关性，相关系数达到了〇. 96195。两者之间的关系是y = -l. 68321+3.05319*x。 因此本发明采用CT获取沥青膜厚度的方法可靠性高，所得数据可靠。
[0087] (3)不同粒径集料沥青膜厚度的计算
[0088]选取沥青含量为4.8%，三种粒径大小不同的集料，从大到小分别记为a，b，c。本发 明方法运用CT扫描进行沥青膜厚度的计算。计算结果如表5所示。
[0089] 表5本发明方法计算不同粒径大小的沥青膜厚度
[0090]
[0091]
[0092] 田衣bn」知，仕冋杆的沏言用重卜，果科权佇入小个冋，沏言膜浮皮派个冋。而且， 沥青膜厚度随着集料粒径的增大呈现减小的趋势。然而，传统的计算沥青膜厚度的方法计 算得出的沥青膜厚度是一个固定的均值，如表4所示，若沥青含量为定值，沥青膜厚度计算 始终为定值。因此采用本发明方法具有更好的精确性。
[0093] 本发明提供了一种有效的计算沥青膜厚度的计算方法，解决目前计算沥青膜厚度 方面存在的不足，准确的计算确定沥青膜厚度。该计算方法利用一种无损的工业X-ray CT 扫描技术对表面被裹附着沥青的集料进行扫描，而后对该扫描的图像计算出集料和沥青的 当量圆半径和集料的当量圆半径，计算两个当量圆半径之差，求出沥青膜的厚度。
[0094] 本发明不仅能够准确的确定出沥青膜的厚度，同时还可以对不同粒径大小的集料 表面沥青膜厚度进行研究;本发明操作简单，可信度更高，具有重要的实践意义和很好的应 用前景，为进一步保证沥青混合料的性能提供参考依据。
【主权项】
1. 一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征在于:包括以下步骤： 步骤一:制备沥青混合料试样； 步骤二:从制备好的沥青混合料试样中随机选取集料作为扫描样本； 步骤三:对扫描样本进行扫描，获取扫描图像； 步骤四：获取扫描图像中集料和沥青的总面积As以及集料面积Aa，由总面积As计算得 到总面积对应的当量圆半径Rs，由集料面积Aa计算得到集料面积对应的当量圆半径Ra;根 据当量圆半径Rs和Ra之差得到集料表面沥青膜厚度。2. 根据权利要求1所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:步骤一具体包括： 步骤101:备矿料和沥青，将矿料清洗后置于100~110°c的烘箱中烘干至恒重； 步骤102:将烘干后的矿料分级得到矿粉和集料，将集料和矿粉分别预热至沥青拌和温 度以上15°C备用;沥青熔化加热至规定的沥青混合料拌和温度备用； 步骤103:将矿粉、集料和沥青加入沥青混合料拌和机中，在拌和温度下拌合均匀后冷 却至室温，得到沥青混合料试样。3. 根据权利要求2所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:步骤103的拌合过程开始前沥青混合料拌和机预热至拌和温度以上9~11°C。4. 根据权利要求1所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:步骤三中采用X-ray CT对扫描样本进行扫描。5. 根据权利要求4所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:X-ray CT的型号为Compact-225KV。6. 根据权利要求1所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:步骤三具体包括， 步骤301:将滤波片贴置于X射线靶头处； 步骤302:将扫描样本摆放于载物台中心的轻质垫块上，调整载物台坐标，使扫描样本 位于X射线靶头探测中心;进行黑白屏校正，调节扫描电压、扫描电流、积分时间、饱和度和 对比度； 步骤303:进行增益校正； 步骤304:利于X-ray CT对扫描样本进行扫描，当扫描样本跟随载物台完成360°旋转 时，扫描结束，获取扫描图像。7. 根据权利要求6所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于：步骤302中扫描电流:0.4~0.6mA，扫描电压：200~210KV，积分时间：300ms~500ms; 饱和度不超过80%，对比度不低于3000。8. 根据权利要求6所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:步骤304中旋转速率为24°/min。9. 根据权利要求1所述的一种沥青混合料中集料表面沥青膜厚度的计算方法，其特征 在于:步骤四中利用IPP软件获取扫描图像中的集料和沥青的总面积以及集料面积。
【文档编号】G01B15/02GK106032978SQ201610607608
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】汪海年, 张然, 姚晓光, 尤占平, 姜鑫
【申请人】长安大学