一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法与流程

本发明涉及一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，属于交通运输工程技术。

背景技术：
环氧沥青是将环氧树脂和固化剂加入沥青中，经固化反应使沥青从热塑性转变为热固性的一种特殊材料，由环氧沥青与集料按一定配比混合而成的环氧沥青混凝土，在固化后，具有比普通沥青混凝土更优异的物理及力学性能，如高强度、优良的高温稳定性与低温抗裂性、良好的抗疲劳性能与水稳定性能、较大的抗化学物质侵蚀能力，并且对温度的敏感程度较低。自1967年美国SanMateo-Hayward大桥首次采用了环氧沥青混凝土用作钢桥面铺装材料以来，环氧沥青混凝土铺装在美国、中国、加拿大和荷兰等国家得到广泛推广与成功应用。大量的研究发现，在沥青路面施工中，如果沥青混凝土的集料生产级配与集料设计级配相差较大，路面则会在较短的使用年限里，出现车辙、坑槽、裂缝以及水损等各种病害，因此，施工中的集料级配的控制至关重要，直接决定着路面在设计使用年限里的路面功能与使用质量，而且，沥青混凝土的集料级配检验也是沥青路面施工的重要质量检查项目。控制集料级配的前提是能够准确测定沥青混凝土的集料级配，从而对拌合楼各档集料的输入量进行正确的调整。目前，成熟的集料级配检测方法主要有离心抽提法与燃烧法。离心抽提法是使用三氯乙烯溶剂溶解沥青，而燃烧法是通过高温燃烧沥青，进而对剩下的集料进行筛分以测定拌合楼生产的沥青混凝土的集料级配。但是，环氧沥青中环氧树脂与固化剂一旦混合，会发生不可逆的化学反应，形成一种不能被三氯乙烯溶解也不易燃烧的特殊材料，因此很难通过常规的级配检测方法检测环氧沥青混凝土的级配。当然，核子密度仪、激光断面仪和热成像仪等仪器可以直接对铺好的环氧沥青混凝土进行集料级配的测定，不需要分离出环氧沥青混凝土中的环氧沥青，但是都有一定的缺陷。核子密度仪法的主要前提假设是混凝土的密度随着粗集料离析的加重而降低，这一假设没有考虑到级配和最大密实曲线的关系，而且不同来源集料的测试变异性不同；激光断面仪法只能通过测量沥青混凝土路面的表面缺陷，对离析程度进行定性的分析与判断；热成像仪法由于面层的压实会改变沥青路面的特性，因而热能量数据要在混凝土第一次压实前取得，这必然对施工组织提出了更高的要求。因此，针对环氧沥青混凝土难以分离出沥青的这种特殊性，设计一种快速有效的集料级配检测方法显得十分必要。随着数字图像技术的发展，各种图像采集和处理技术层出不穷，比如利用数码相机获取沥青混凝土试件的二维细观结构形态，或者利用CT技术获取沥青混凝土试件的三维细观结构形态。两者各有优势，但也都有不可克服的缺陷，数码相机只能生成二维图像，或者只能通过相关的公式在二维图像的基础上计算出一些三维参数，很难分析沥青混凝土真实的级配组成且误差较大；CT技术是根据扫描对象的密度进行图像的生成，而环氧沥青混凝土中沥青砂浆的密度与集料相似，CT技术难以对沥青砂浆与集料进行准确地区分，因此CT技术在环氧沥青混凝土集料级配的检测上并不适用，而且，为了保证较高的精度，CT技术的扫描截面通常较小，对于最大公称粒径较大的环氧沥青混凝土，扫描结果离散性较大，分析一个试件耗时也太长，不能运用到现场施工中。PFC3D(ParticleFlowCodein3Dimensions)作为一种离散元软件，可以根据自行编写的程序生成相应的颗粒，建立试件的三维模型，并在定义模型属性的基础上进行一些试验的模拟，因此，在沥青混凝土的试验研究上受到了广泛推广，但如何把PFC3D运用到测定施工现场环氧沥青混凝土的集料级配中，目前还未见报导。

技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明调研了大量的数字图像技术，分析了每种技术的优缺点，针对环氧沥青混凝土难以分离出沥青的这种特殊性，提供了一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，该发明不仅避免了从环氧沥青混凝土中分离沥青这一繁琐且难以实现的操作，同时能够准确实时地定量分析环氧沥青混凝土的集料生产级配与集料设计级配的差异，用于拌合楼各档集料输入量的调整，以保证路面在设计使用年限里的路面功能与使用质量。技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，是在借鉴数字图像技术在沥青混凝土领域成功使用的基础上，结合离散元软件，提出了包括环氧沥青混凝土截面的图像获取、图像信息提取、三维圆球体模型生成及集料颗粒动态筛分在内的一整套环氧沥青混凝土集料级配的检测方法；具体包括如下步骤：(1)从拌合楼下的运料车中选取环氧沥青混凝土样品，通过旋转压实法成型试样；或者直接从环氧沥青混凝土路面钻芯取试样；将试样放在130～140℃的恒温箱里固化0.5～1个小时；(2)对高温固化处理后的试样进行切割处理，切割后的试件为圆柱体，试件的直径为d、高度为h1；竖直固定试件；在试件的正上方安装相机，并使得相机只能够在竖直方向移动；进行如下步骤：(21)设置相机与试件的水平横截面的高度h2；(22)调节相机与试件的水平横截面的高度至h2，使用相机对水平横截面进行拍照，并使用游标卡尺测定水平横截面与试件底端面之间的距离h3，作为照片的高度信息，保存照片以及照片的高度信息；h3的值以mm为单位，保留到小数点后1位；(23)使用打磨机对试件的水平横截面进行水平打磨，打磨厚度为0.5～2mm，返回步骤(22)；(24)重复步骤(22)和步骤(23)，直至试件的高度低至无法使用打磨机进行打磨，共完成连续的n1张照片的拍摄；(3)将拍摄的n1张照片导入IPP(Image-ProPlus，专业图像分析软件)软件，对所有照片进行去噪、增强对比度、灰度化和二值化处理，然后对二值化处理后的照片进行尺寸校正，使得照片的每个像素对应的尺寸为s，形成拟用图像，每张拟用图像具有白色与黑色两种区域，白色区域里每个像素点用数字0记录，黑色区域里每个像素点用数字1记录，每张拟用图像的高度信息与相应照片的高度信息一致；进行如下步骤：(31)使用VGS(VolumeGraphicsStudioMax，三维数据分析软件)软件对所有拟用图像中的数字信息以及高度信息进行整合，重建直径为d、高度为h1的圆柱体试件三维模型，三维模型与试件的尺寸相同；(32)使用VGS软件对三维模型进行等厚度的水平切割，距离底端面s/2距离由下向上切割，切割厚度为s，切割面数量为n2，h1＝s×n2，n2>n1；将切割面上像素点A的信息表示为A(x,y,z,w)，其中(x,y,z)表示像素点A的坐标，w表示像素点A的数字信息，数字信息的取值为1或0；以三维模型的中轴线作为z轴，以三维模型底端面的圆心作为原点；(4)利用PFC3D(离散元软件)软件中WALL命令生成一个圆柱体封闭区域，该圆柱体封闭区域与三维模型的尺寸相同，以圆柱体封闭区域的中轴线作为z轴，以底端面的圆心作为原点；其次，利用PFC3D中BALL命令生成排列规则、直径为s的圆球体，以圆球体模拟单位空间，每个圆球体与周围的6个圆球体相接触，填充圆柱体封闭区域，圆球体的层数为n2，圆球体的球心高度对应三维模型的各个切割面的高度；然后，利用PFC3D提供的I/O套接口程序，将三维模型切割面上像素点A的信息A(x,y,z,w)转移至布满圆球体的圆柱体封闭区域里；最后，以A(x,y,z,w)所含信息作为圆球体的有效性判断标准，生成环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型，具体为：对于圆柱形封闭区域内球心坐标为(x,y,z)的圆球体，若坐标(x,y,z)处的w＝0，则判断圆球体有效，否则判断圆球体无效，有效圆球体标记为黑色，无效圆球体标记为灰色，有效圆球体与无效圆球体组成的圆球体模型即环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型，根据任意两个集料颗粒不接触的假设，将相接触在一起的有效圆球体或者单独的一个有效圆球体作为环氧沥青混凝土试件的一个集料颗粒；(5)利用PFC3D内置的Fish语言编写子程序，对环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型的集料颗粒进行动态筛分以得出环氧沥青混凝土的集料级配，具体为：利用PFC3D中线墙体交叉排列，在直径为2d、高度为3h1的圆柱空间内创建n3块筛孔尺寸不同的筛面，由上至下，n3块筛面按照筛孔由大至小的顺序设置，且相邻两块筛面之间存在间隙，n3块筛面分别代表机械筛的各档集料对应筛板，n3与环氧沥青混凝土的集料的档数一致；将环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型置于筛孔最大的筛面上，删除无效圆球体，对由有效圆球体组成的集料颗粒进行动态筛分模拟；记录滞留在不同筛面上的构成集料颗粒的所有有效圆球体的数量，得到不同筛面上的集料总体积，计算出不同筛面上的集料总体积比，忽略各档集料的密度差，以体积比等价质量比；根据不同筛面上的集料总质量比计算出环氧沥青混凝土的集料级配，即集料的生产级配；将生产级配与设计级配进行比较，根据两者的差异对拌合楼各档集料的输入量进行适当的调整。所述步骤(3)中，每个像素对应的尺寸s不大于0.2mm。所述步骤(5)中，动态筛分模拟的振动方式为正弦式振动，振动频率为5Hz，振幅为x方向上100～150mm，振动时间为10～15s。有益效果：本发明提供的环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、现有技术对环氧沥青混凝土集料级配的测定是通过常规的离心抽提法等，它们并不能有效地分离出环氧沥青混凝土中的环氧沥青，本发明避免了分离沥青这一繁琐且难以实现的操作；2、本发明涉及到的沥青混凝土试验只有最简单的成型试验，试验方法简单，实验步骤简洁，便于操作；3、本发明通过相机获取图像，不需要高精度的图像获取仪器，成本较低；4、本发明的图像处理过程可直接在计算机上完成，简单方便，可以在较短时间里计算出环氧沥青混凝土的集料级配，从而对拌合楼各档集料的输入进行实时的调整；5、本发明能够定量分析环氧沥青混凝土的集料生产级配与集料设计级配的差异，具体到每档集料，从而对拌合楼各档集料的输入量进行准确的调整，保证路面在设计使用年限里的路面功能与使用质量；6、本发明不仅可以用于环氧沥青混凝土的现场施工中，也可以用于已铺好的环氧沥青混凝土路面的质量检查中；7、本发明不局限于环氧沥青混凝土，普通沥青混凝土同样适用。附图说明图1为环氧沥青混凝土试件水平横截面的照片；图2为对图1进行灰度化处理后的照片；图3为对图2进行二值化处理后的照片，其中白色区域表示集料，黑色区域表示非集料；图4(a)为拟用图像的数字信息记录示意图，其中白色区域里每个像素点用数字0记录，黑色区域里每个像素点用数字1记录；图4(b)表示图4(a)中黑色圆圈处的局部放大图，可以明显看出每个像素点由数字0或1记录；图5(a)为30张拟用图像的数字信息记录示意图；图5(b)表示对重建的三维模型进行300次切割；图5(c)为图5(b)中黑色正方体处的局部放大图，正方体的边长为2mm，可以明显看出10层切割面的数字信息记录示意图；图5(d)表示图5(c)中每层切割面的数字信息记录示意图；图6为环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型的示意图；图7为删除无效小球前的动态筛分示意图；图8为动态筛分快结束时的集料颗粒分布示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。实施例1对于环氧沥青混凝土的现场施工而言，一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，包括如下步骤：(1)从拌合楼下的运料车中选取环氧沥青混凝土样品，通过旋转压实法成型试样；将试样放在130～140℃的恒温箱里固化0.5～1个小时；(2)对高温固化处理后的试样进行切割处理，切割后的试件为圆柱体，试件的直径为d＝100mm，高度为h1＝60mm；竖直固定试件；在试件的正上方安装相机，并使得相机只能够在竖直方向移动，相机的像素不低于1000万，维持相机的拍摄参数不变；进行如下步骤：(21)设置相机与试件的水平横截面的高度h2；(22)调节相机与试件的水平横截面的高度至h2，使用相机对水平横截面进行拍照，并使用游标卡尺测定水平横截面与试件底端面之间的距离h3，作为照片的高度信息，保存照片以及照片的高度信息；h3的值以mm为单位，保留到小数点后1位；(23)使用打磨机对试件的水平横截面进行水平打磨，打磨厚度为0.5～2mm，返回步骤(22)；(24)重复步骤(22)和步骤(23)，直至试件的高度低至无法使用打磨机进行打磨，共完成连续的n1＝30张照片的拍摄，其中一张照片如图1所示；(3)将拍摄的n1张照片导入IPP软件，对所有照片进行去噪、增强对比度、灰度化和二值化处理，图2为对图1进行灰度化处理后的照片，图3为对图2进行二值化处理后的照片，然后对二值化处理后的照片进行尺寸校正，使得照片的每个像素对应的尺寸为s＝0.2mm，形成拟用图像，每张拟用图像具有白色与黑色两种区域，白色区域里每个像素点用数字0记录，黑色区域里每个像素点用数字1记录，如图4(a)与图4(b)所示，每张拟用图像的高度信息与相应照片的高度信息一致；进行如下步骤：(31)使用VGS软件对所有拟用图像中的数字信息以及高度信息进行整合，重建直径为d、高度为h1的圆柱体试件三维模型，三维模型与试件的尺寸相同；(32)使用VGS软件对三维模型进行等厚度的水平切割，距离底端面s/2距离由下向上切割，切割厚度为s＝0.2mm，切割面数量为n2＝300，三维重建与切割的示意图如图5(a)、图5(b)、图5(c)及图5(d)所示；将切割面上像素点A的信息表示为A(x,y,z,w)，其中(x,y,z)表示像素点A的坐标，w表示像素点A的数字信息，数字信息的取值为1或0；以三维模型的中轴线作为z轴，以三维模型底端面的圆心作为原点；(4)利用PFC3D软件中的WALL命令建立一个直径为100mm、高度为60mm圆柱体封闭区域，以圆柱体封闭区域的中轴线作为z轴，以底端面的圆心作为原点；其次，利用PFC3D中BALL命令生成排列规则、直径为s的圆球体，以圆球体模拟单位空间，每个圆球体与周围的6个圆球体相接触，填充圆柱体封闭区域，圆球体的层数为n2，圆球体的球心高度对应三维模型的各个切割面的高度；然后，利用PFC3D提供的I/O套接口程序，将三维模型切割面上像素点A的信息A(x,y,z,w)转移至布满圆球体的圆柱体封闭区域里；最后，以A(x,y,z,w)所含信息作为圆球体的有效性判断标准，生成环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型，具体为：对于圆柱形封闭区域内球心坐标为(x,y,z)的圆球体，若坐标为(x,y,z)处的w＝0，则判断圆球体有效，否则判断圆球体无效，有效圆球体标记为黑色，无效圆球体标记为灰色，有效圆球体与无效圆球体组成的圆球体模型即环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型，根据任意两个集料颗粒不接触的假设，将相接触在一起的有效圆球体或者单独的一个有效圆球体作为环氧沥青混凝土试件的一个集料颗粒，图6为环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型的示意图；(5)利用PFC3D内置的Fish语言编写子程序，对环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型的集料颗粒进行动态筛分以得出环氧沥青混凝土的集料级配，具体为：利用PFC3D中线墙体交叉排列，在直径为2d、高度为3h1的圆柱空间内创建7块筛孔尺寸不同的筛面，由上至下，7块筛面按照筛孔由大至小的顺序设置，且相邻两块筛面之间存在间隙，7块筛面分别代表机械筛的各档集料对应筛板；将环氧沥青混凝土试件三维圆球体模型置于筛孔最大的筛面上，如图7所示，删除无效圆球体，对由有效圆球体组成的集料颗粒进行动态筛分模拟；动态筛分模拟的振动方式为正弦式振动，振动频率为5Hz，振幅为x方向上100mm，振动时间为10s，图8为动态筛分快结束时的集料颗粒分布示意图；记录滞留在不同筛面上的构成集料颗粒的所有有效圆球体的数量，得到不同筛面上的集料总体积，计算出不同筛面上的集料总体积比，忽略各档集料的密度差，以体积比等价质量比；根据不同筛面上的集料总质量比计算出环氧沥青混凝土的集料级配，即集料的生产级配；将生产级配与设计级配进行比较，如表1所示，从而根据它们的差异对拌合楼各档集料的输入量进行适当的调整。表1施工现场中环氧沥青混凝土集料的生产级配检测结果实施例2对于已铺好的环氧沥青混凝土路面的质量检查而言，一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，检测过程与实施例1的区别在于，步骤(1)中的试样从是从待检测的路面钻芯取得的，其他过程与参数与实施例1相同。实施例2的检测结果如表2所示。表2环氧沥青混凝土路面质量检查中的集料级配检测结果实施例3对于普通沥青混凝土的现场施工而言，一种环氧沥青混凝土集料级配的检测方法，检测过程与实施例1的区别在于，步骤(1)中的试样不需要高温固化处理，其他过程与参数与实施例1相同。实施例3的检测结果如表3所示。表3施工现场中普通沥青混凝土集料的生产级配检测结果从表3中可以看出：在普通沥青混凝土集料的生产级配检测上，本发明的检测结果与离心抽提法结果在误差范围里一致，证明了本发明的准确性与普适性。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。