沥青混合料中粗集料数字化分类及其应用研究

发布时间：2020-06-02 08:18

【摘要】：1问题的提出和研究意义在沥青混合料中,粗集料占据相当大比例的体积,具有较强的颗粒性,且其形态特征差异较大,导致材料选择和混合料配合比设计的变异性较大。显然,合理区分具有复杂形态特征的粗集料能够减少工程设计的变异性,进而提高沥青混合料路用性能,具有重要的现实意义。近年来,对于粗集料形态表征,国内外研究者从图像处理、试验测试和仿真计算等方面,开展了相当多的研究工作,提出了很多计算和分析方法,用以评价颗粒形状、棱角、纹理、破裂面、针片状含量等。在进行Superpave或Marshall混合料组成设计时,也对粗集料形态特征提出技术指标要求和试验测试方法。不仅如此,现代计算机技术、图像技术、3D扫描和打印技术、无线传感技术、虚拟仿真技术等逐步成熟,也有研究者开始探索粗集料的数字化和智能化问题。然而,无论是传统混合料配合比设计方法的继承与发展,还是现代科技的融合与创新,都需要面对一个问题:如何合理分类与精准认知粗集料形态特征?只有解决这个问题,粗集料才可量度、可控制和可设计。因此,本文以粗集料形态特征为对象,以颗粒形状为切入点,提出了“五大类-四参数-五分制”的粗集料分类方法,并开展了相应的性能研究工作,研究内容包括:在已有研究基础上,建立粗集料数字化分类体系,并基于3D扫描和X-ray CT图像技术构建对应的数据库;基于结合数字化集料数据库和离散元方法,运用PFC5.0开发了沥青混合料旋转压实仿真试验,通过室内试验验证了虚拟仿真试验的可行性与准确性,探究了颗粒形态对沥青混合料压实性能的影响,追踪了压实过程中粗颗粒的运动和迁移特征;基于粗集料数字化分类参数,预制了特定形状的水泥粗颗粒(球体和立方体),探究了粗颗粒粒径和形状组合对沥青混合料高温抗车辙、低温抗开裂和疲劳性能的影响。与此同时,在进行粗集料形态数字化分类过程中,为了解决根据粗集料不同形态特征来选择相应的图像扫描技术问题,基于粗集料的数字化分类综合对比了3D扫描仪和X-ray CT技术在图像采集过程中的优势和不足,不仅验证了应用3D扫描仪获取粗集料形态信息的可行性和准确性,而且还提出了根据研究需求和粗集料形态特征的图像技术选择建议。本文通过对沥青混合料中粗集料数字化分类及其运用研究,为公路工程中传统的粗集料形态研究增添了新的内容;粗集料数字化数据库在离散元数值模拟中的应用可以作为传统虚拟样本成形过程的替代方法,使虚拟样本更接近实验室测试试件;为缩小基于“试错法”的配合比设计的试验范围、缩短试验周期、提高试验效率和节省试验成本的研究奠定了基础。同时,粗集料数字化数据库的建立和沥青混合料虚拟仿真试验的开发与应用,使粗集料作为一种可计算、可分析、可设计的试验参数,为进一步研究沥青混合料细观结构分析、集料形态配比设计提供新的研究思路和数据支持。2主要研究内容及方法本文主要研究内容包括:基于图像技术的粗集料数字化分类方法研究,基于粗集料数字化分类的沥青混合料压实研究和基于预制混凝土粗颗粒的沥青混合料性能研究。详细研究内容和方法如下:2.1基于图像技术的粗集料数字化分类方法研究信息数字化是指将复杂多变的信息(如图像、声音、文本或者信号等)转换成可度量的数字、数据,然后以此为基础建立数字化模型,最后将模型转化成便于计算机处理的数字格式(通常指二进制代码)的过程。由于通过数字化处理的信息,能将各种类型数据转化成相同格式并进行混合传输和运用,同时还能保证数据在传输中不受损伤,因此数字化数据处理也成为最受欢迎的信息保存方式之一。本研究通过借鉴信息数字化理论,提出了针对沥青混合料中粗集料的数字化分类概念。但本文所提出的“粗集料数字化分类”有所不同,是指先将沥青混合料中形态复杂多样的粗集料进行“五大类-四参数-五分制”方法分类;然后,借助图像技术将粗集料的产地、岩性、粒径和形态等信息进行数字化命名和保存;最后通过用包含有“样本选择-颗粒分类-信息记录-图像采集-文件命名-数据调用”的数据库构建体系来建立粗集料数字化数据库的过程。粗集料数字化分类过程说明如下:2.1.1粗集料分类参数及评价方法对于粗集料形态分析,目前研究已经提出了全面的评价参数,但就集料分类及应用方面还存在一定的空白。因此,本文基于粗集料的形态特征,结合室内试验、计算参数和图像技术,提出了粗集料的“五大类-四参数-五分制”的分类方法。五个大类:以粗集料的整体形状为研究对象,通过初步分类和精细分类两个步骤将粗集料分成球体颗粒、含破碎面状颗粒、棱角状颗粒、针状颗粒和扁平状颗粒五个大类。四个参数:通过四个参数计算定量描述粗集料之间的相互关系。五分制:将粗集料中某两种特定形状之间的关系用1到5分制来表示,数值越大表示与某一种形状越相似即越接近该形状。因为对于沥青混合料中的粗集料形态而言,其形态多样,并非所有颗粒都完全符合某种分类的标准形态,大多数粗集料形状特征复杂,介于两种形状类型之间同时具有多种形状类型的特征。因此对于这些形态复杂多样且无法通过简单的室内试验(初步分类)进行区分的粗集料,本文借助图像技术(3D扫描仪和X-ray CT)和MATLAB编程技术对这些粗集料进行参数计算和评分制分类(精细分类)。这就是本研究结合图像技术针对粗集料形状特征所提出的“五大类-四参数-五分制”的分类方法。2.1.2样本采集及数字化数据库构建基于“五大类-四参数-五分制”分类方法,本文通过样本采集、信息记录、形状分类及命名保存等一系列程序,收集了包含中美两国,6省(州)市,4种岩性,5种粒径范围,5种形态类型共计7,500颗不同形态的粗集料样本。运用了3D扫描仪和X-ray CT对样本进行扫描试验并获取了样本的形态信息。分别说明了3D扫描仪和X-ray CT进行形态信息采集的过程:(1)3D扫描仪信息获取过程主要包括试样准备、仪器校对、样本扫描以及数据的输出和保存四个主要步骤,其中试样准备中的颗粒编号和喷涂显影剂为两个关键点。(2)X-ray CT信息获取包括试验准备、样本扫描、灰度图像输出以及自主开发的MATLAB图像处理程序四个主要步骤。试件准备中自主设计及制作的粗集料扫描盒和颗粒扫描位置确定为两个关键点。根据信息分类和编码的基本原则与方法并结合本研究需求,设计了集产地、岩性及粒径、形态及相互关系和编号于一体的共计四个类别的数字化数据库命名方法:(1)大类代码,由7位数字组成包含国别、省/州、市/郡信息(产地);(2)种类代码,由5位数字组成包含岩性及粒径信息;(3)小类代码:由5位数字组成包含颗粒的形态特征及不同形状间相互关系;(4)细类代码:由5位数字组成表示颗粒的具体编号。提出了包含“样本选择-颗粒分类-信息记录-图像采集-文件命名-数据调用”的完整数据库构建体系。并建立了已有样本的粗集料数字化数据库,实现了沥青混合料中粗集料的数字化分类。2.1.3图像技术的选择研究在沥青混合料研究中,X-ray CT是一种公认的,能够定量、无损的进行试样检测的图像技术。现有研究认为通过X-ray CT所获取的图像具有极高的精度,能够真实的表征试样形态信息。但由于其设备昂贵,试验花费高,技术人员要求高等不足,阻碍了其在粗集料形态研究中的推广和应用。在构建粗集料数字化数据库过程中,特别是在集料几何信息采集时引入了3D扫描技术。因此,运用3D扫描仪的可行性、准确性、以及如何选择合适的图像获取技术成为本研究中的一个关键点。为了解决针对不同形态特征粗集料的图像技术选择问题。本文首先基于粗集料的数字化分类,挑选了四种不同形状类型(球体颗粒、棱角状颗粒、针状颗粒和扁平状颗粒)的粗集料分别进行3D扫描和X-ray CT扫描试验获取颗粒图像。其次,重构颗粒三维模型并通过对集料几何参数的计算和分析,验证了3D扫描技术在集料图像采集中的可行性和准确性。最后,对比了3D扫描仪和X-ray CT图像技术在图像采集过程中的优势和不足,通过扫描精度、设备成本、试验花费、便携性、安全性、扫描时长、能耗、占地和技术人员要求等多个方面的综合对比分析,提出了根据研究需求和粗集料形态特征的图像技术选择建议。为粗集料数字化分类在沥青混合料研究中的进一步开展和应用奠定了基础。2.2基于粗集料数字化分类的沥青混合料压实研究沥青混合料压实是影响沥青混合料性能的关键因素之一。沥青路面在施工和使用阶段的质量在很大程度上取决于压实度。本研究结合数字化集料数据库和离散元方法,运用PFC5.0开发了沥青混合料旋转压实仿真试验,通过室内试验验证了虚拟仿真试验的可行性与准确性,探究了颗粒形态对沥青混合料压实性能的影响,追踪了压实过程中粗颗粒的运动和迁移特征,为进一步将粗集料数字化数据库运用于数值仿真中提供了参考,为沥青混合料虚拟仿真试验的开发和运用提供了数据支持和新思路,具体的研究内容和方法介绍如下:2.2.1不同形态粗集料对沥青混合料压实性能的影响旋转压实试验常用于沥青混合料的体积性能分析、混合料密实性评价、集料形态影响评价和现场质量控制等研究中。通过旋转压实成型的沥青混合料试件非常接近真实沥青路面的密度、骨料方位和结构特征。无论从体积还是质量比例而言,在沥青混合料中集料都占据较大的比例,其形状对混合料的结构性能和力学性能均有重要影响。因此,本研究基于粗集料的数字化分类方法通过室内试验和虚拟试验,分析了不同形状粗集料对沥青混合料压实性能的影响。首先,根据集料分类方法挑选试验所需的不同粒径的五种形状类型的粗集料(球体颗粒、含破碎面状颗粒、棱角状颗粒、针状颗粒和扁平状颗粒),通过3D扫描得到所选粗集料的图像,并保存至集料数字化数据库中。其次,根据不同的形状类型配比成型沥青混合料试件,记录并计算获得试件的压实曲线。然后,调用数字化数据库资源并利用PFC5.0编写沥青混合料旋转压虚拟试验程序。最后,通过比较和分析室内试验和数值模拟结果,验证了沥青混合料旋转压实试验程序的准确性并探究了不同形状粗集料对沥青混合料压实性能的影响。通过比较SGC试验过程中含100%棱角状、100%破裂面状和混合形状粗集料的沥青混合料压实曲线,发现球体颗粒、针状颗粒和扁平状颗粒对沥青混合料的压实具有不利影响。2.2.2沥青混合料压实过程中不同形态粗集料运动特征的研究本研究基于粗集料数字化数据库和沥青混合料旋转压实虚拟试验,通过追踪粗颗粒在旋转压实试验中的运动轨迹,分析了不同形状粗集料在旋转压实过程中的运动特征和变化规律。首先,根据粗集料分类方法,挑选出满足试验要求的三种粒径范围的五种形状类型的粗集料(球体颗粒、含破碎面状颗粒、棱角状颗粒、针状颗粒和扁平状颗粒)。其次,对7组不同形状配比组合的沥青混合料(100%破碎面状粗集料、100%棱角状粗集料、80%破碎面状粗集料+20%球体粗集料、60%破碎面状粗集料+40%球体粗集料、80%破碎面状粗集料+20%针状粗集料、80%破碎面状粗集料+20%扁平状粗集料)分别进旋转压实室内成型试验和基于PFC5.0的虚拟仿真试验。然后,通过沥青混合料旋转压实试验追踪了不同形状粗集料的运动轨迹。最后,通过对不同集料形状配比的沥青混合料旋转压实室内试验和模拟数据的比较和分析,探究了不同形状粗集料在压实过程中的运动特征和变化规律。2.3基于预制水泥混凝土颗粒的沥青混合料性能研究作为沥青混合料中重要的组成部分,集料形态对沥青混合料的性能具有重要影响。且由于研究粗集料形态对沥青混合料力学性能的影响需要挑选数目庞大的矿质集料。因此,本研究提出了利用水泥混凝土人工预制具有不同颜色、不同粒径范围和不同形状的粗颗粒来替代沥青混合料中粗集料,并通过室内成型和力学试验验证了水泥混凝土颗粒运用的可行性和正确性,同时探究了水泥混凝土粗颗粒粒径大小和几何形状对沥青混合料力学性能的影响。预制水泥混凝土颗粒在沥青混合料研究中的应用,不仅为开展粗颗粒形态对沥青混合料性能的影响研究提供了新思路,而且还为将来研究真实集料形态对沥青混合料力学性能的影响因素及进一步建立粗集料形态与沥青混合料力学性能之间的关系提供了一定的参考。2.3.1水泥混凝土颗粒预制及试验方案设计水凝混凝土颗粒作为试验的主要原材料之一,本研究首先通过材料的选择和配比、彩色水泥砂浆的调配、水泥砂浆的灌注及颗粒成型、水泥颗粒的养生及干燥四个步骤,人工制造了具有特定颜色和形状的水泥粗颗粒(红色球体颗粒和灰色立方体颗粒)。其次,进行了沥青性能等级(PG-Peformance Grade)等级的选择、矿质集料的选用、颗粒形态配比和集料级配设计。最后,根据沥青混合料性能研究需要,确定了汉堡车辙试验、圆盘拉伸试验和四点弯曲疲劳试验的试验要求和条件。为研究预制水泥混凝土颗粒对沥青混合料力学性能的影响做了充分的准备。2.3.2预制水泥混凝土颗粒对沥青混合料力学性能的影响为了探究预制水泥混凝土颗粒对沥青混合料力学性能的影响。首先,通过旋转压实试验、揉压试验和切割试验分别成型具有不同尺寸和不同形状配比粗颗粒的沥青混合料圆柱形、圆盘形和小梁试件。然后,通过比较选用真实集料和水泥混凝土颗粒的混合料的圆盘拉伸试验结果,验证了水泥颗粒使用的合理性和正确性。最后,通过沥青混合料汉堡车辙试验(浸水45℃)、圆盘拉伸试验(-24℃)和四点弯曲疲劳试验(常温25℃)探究了粗颗粒不同粒径和形状组合对沥青混合料高温抗车辙,低温抗开裂以及疲劳性能的影响。综合分析试验结果可得,在一定的粒径范围内,选用大粒径立方体颗粒(棱角状集料)有助于沥青混合料力学性能的提升,同时还需要特别注意球体颗粒对沥青混合料力学性能的影响。3主要结论和本论文的创新点3.1主要结论(1)对于粗集料的评价,国内外传统的试验方法大多采用目测法和尺规法,这些方法容易受人为因素的影响而出现试验误差甚至错误,本研究将室内试验、计算参数和图像技术相结合提出了沥青混合料中粗集料的“五大类-四参数-五分制”分类方法,以此来快速地、精准地确定沥青混合料中粗集料的形状属性,在此基础上可实现粗集料三维尺度的研究,为粗集料数字化数据库的建立提供依据。(2)基于粗集料形态分类方法,提出了包含“样本选择-颗粒分类-信息记录-图像采集-文件命名-数据调用”完整的数据库构建体系,同时针对粗集料数字化数据库设计了数据编码方法。建立了粗集料数字化数据库,可用于颗粒形态表征和沥青混合料数值仿真中。因此,粗集料数字化数据库的建立,不仅实现了粗集料形态特征的信息化、数字化管理和运用,而且还促进了颗粒形态表征与沥青混合料虚拟仿真试验的进一步发展。(3)在沥青混合料中粗集料数字化数据库构建中,通过比较3D扫描仪和X-ray CT试验数据验证了3D扫描的可行性和准确性。此外,由于3D扫描仪具有经济、安全、便携和节能等优势,在通常条件下推荐采用3D扫描仪进行集料图像信息采集工作。然而,当颗粒形态特殊并具有“薄棱角”(如扁平状和针状颗粒)或复杂的表面特征时,推荐采用X-ray CT进行颗粒图像的采集。大量扫描试验说明,选取合适的图像扫描技术,不仅可以大幅提高扫描效率和节省扫描成本,还可以提高粗集料数字化数据库的建立速度和精度,促进了粗集料数字化分类的发展和应用。(4)基于离散元方法和粗集料数字化数据库,开发了沥青混合料旋转压实虚拟仿真试验。并通过比较室内试验和虚拟仿真试验结果,验证了粗集料数字化数据库在沥青混合料虚拟仿真试验中运用的可行性和正确性。粗集料数字化数据库在离散元数值仿真中的应用为沥青混合料的压实研究做出了重要贡献,可作为沥青混合料传统虚拟试件成型的替代方法,使虚拟成型试件更接近室内试验成型所得试件,为进一步研究集料形态对沥青混合料压实及力学性能的影响奠定了基础。(5)粗集料形状对沥青混合料压实性能有显著的影响,而且不同形状的粗集料对沥青混合料压实性能的影响也不同。通过比较SGC试验过程中含100%棱角状、100%破裂面状和混合形状粗集料的沥青混合料压实曲线,发现球体颗粒、针状颗粒和扁平状颗粒对沥青混合料的压实具有不利影响;当沥青混合料达到一定的压实度时,扁平状粗集料对沥青混合料压实性能的影响远远大于针状粗集料的影响;当大量维度比为3:1的针状或扁平状粗集料运用于沥青混合料时,会导致压实性能的降低。因此,当沥青混合料所用粗集料含有较大比例的针状或扁平状颗粒时应引起重视并采取措施。(6)在沥青混合料旋转压实过程中,粗集料的运动可分为三个主要的阶段;对于不同形状配比沥青混合料而言,其颗粒竖向位移比明显大于水平向位移比,而竖向和水平向旋转则反之;针状粗集料对颗粒的运动影响大于扁平状粗集料,而通过比较分析水平和竖直方向旋转角变化,发现当混合料达到一定压实度时,扁平状粗集料对颗粒旋转的影响更加明显。(7)通过比较使用矿质集料和水泥粗颗粒的沥青混合料圆盘拉伸试验结果,验证了利用水泥混凝土人工预制具有不同颜色,不同粒径范围和不同形状的粗颗粒来替代粗集料方法的可行性和正确性,并运用预制水泥混凝土粗颗粒探究了粒径大小和几何形状对沥青混合料力学性能的影响。此方法能为将来研究真实集料形态对沥青混合料力学性能的影响提供一定的参考。(8)综合含有不同粒径大小和形态组合的沥青混合料汉堡车辙试验、圆盘拉伸试验和四点弯曲疲劳试验结果可得,为了获得具有更优力学性能的沥青混合料,在一定的粒径范围内,推荐选用大粒径的立方体颗粒(棱角状集料)。与此同时,当粗颗粒中球体颗粒(球体集料)比例过高时应引起注意并加以控制。3.2本论文的创新点(1)粗集料形态分类的信息化、数字化,使其可度量、可控制和可设计:本研究基于粗集料的形态特征,通过室内试验、参数计算和图像技术等,提出了“五大类-四参数-五分制”的粗集料形态分类方法。在数据库构建时,设计了集产地、岩性、粒径、形态和编号于一体的数据库命名方法,运用了3D扫描仪和X-ray CT图像技术,提出了包含“样本选择-颗粒分类-信息记录-图像采集-文件命名-数据调用”完整的数据库构建体系,实现了粗集料形态的数字化分类。同时,收集了包含中美两国,6省(州)市,4种岩性,5种粒径范围,5种形态类型共计7,500颗不同形态的粗集料样本并建立了粗集料形态数字化数据库,实现了粗集料分类的数字化和信息化。这不仅有助于用户精准地分类粗集料,快速地调用数据资源,为集料的表征与评估增添了新内容,而且通过分类数字化还能实现将数据资源灵活地的与不同数值分析软件相对接,为沥青混合料虚拟仿真成果快速应用到工程实践提供了新思路,具有广阔的应用前景。此外,在粗集料数字化数据库构建过程中,还综合对比了3D扫描仪和X-ray CT技术在图像采集过程中的优势和不足,不仅验证了运用3D扫描仪获取粗集料形态信息的可行性和准确性,而且还提出了根据研究需求和粗集料形态特征的图像技术选择建议,为相关研究提供了指导。(2)沥青混合料旋转压实仿真试验技术:基于数字化粗集料形态分类和PFC5.0,通过将数字化的集料数据库引入到离散元数值模拟中,建立了“沥青混合料旋转压实仿真试验”并通过室内试验验证了旋转压实仿真试验的可行性。粗集料数字化数据库在离散元数值仿真中的应用可作为沥青混合料传统虚拟试件成型的替代方法,使虚拟成型所得试件更接近室内试验成型试件。在此基础上实现了通过虚拟试验来探究不同粗集料形态对沥青混合料压实性能的影响和追踪不同形态粗集料在沥青混合料压实过程中的颗粒运动特征。这不仅为进一步将粗集料数字化数据库运用于数值仿真中提供了参考,还为沥青混合料虚拟仿真试验的进一步开发和运用提供了数据支持。(3)预制水泥混凝土粗颗粒的沥青混合料性能研究:基于粗集料数字化形态分类方法,人工制作了两种不同颜色、不同粒径范围及不同形状的水泥混凝土粗颗粒(红色球体和灰色立方体),通过室内试验验证了水泥混凝土颗粒使用的合理性,利用人工预制的水泥混凝土粗颗粒探究了不同尺寸和形状配比的粗颗粒对沥青混合料抗车辙性能,抗低温开裂性能以及抗疲劳性能的影响。预制水泥混凝土颗粒在沥青混合料研究中的应用,不仅为开展粗颗粒形态对沥青混合料性能的影响研究提供了新思路,而且还为将来研究真实集料形态对沥青混合料力学性能的影响及进一步建立粗集料形态与沥青混合料力学性能之间的关系提供了一定的参考。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U414
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本文编号：2692872