一种基于CT与三维划分的再生沥青混合料均匀性评价方法与流程

一种基于ct与三维划分的再生沥青混合料均匀性评价方法
技术领域
1.本发明属于再生沥青混合料均匀性检测领域，具体涉及一种基于ct与三维划分的再生沥青混合料均匀性评价方法。


背景技术：

2.许多早期修筑的公路已经无法满足当前大交通量和重载交通的需求，面临着改扩建、提升道路等级等问题。道路大规模的翻修改建势必产生大量的道路废旧材料，采用简单丢弃的处理方式不仅占据大量空间与土地资源，而且污染周边环境。此外，石料资源已逐渐成为战略性资源，供需失衡导致了石料价格飙升。因此，沥青路面再生技术的越来越受学者的重视。
3.再生沥青混合料是将沥青路面旧料经破碎、筛分等预处理后，掺加一定比例的新集料、矿粉、新沥青、再生剂进行拌和得到的混合料。研究表明，再生沥青混合料不均匀会降低路面抗水损害能力，加速路面的早期破坏，减小路面的服役寿命。因此，研究再生沥青混合料的均匀性具有重大意义。
4.目前对沥青混合料内部结构均匀性的研究大多是以ct扫描切片为基础，存在以下局限性：(1)试件的ct切片众多，为评价试件的均匀性需要计算众多切片的截面评价指标，过程复杂；(2)每个截面均匀性指标的计算存在一定误差，最终产生较大的累计误差。
5.再生沥青混合料中，由新旧沥青胶浆分布不均匀引起的结团现象是再生沥青混合料中新旧料分布不均匀的主要因素。但是，目前研究沥青混合料的均匀性，主要研究骨料均匀性，而忽视了沥青胶浆的均匀性，不能很好地评价再生沥青混合料中新旧料均匀性。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于ct与三维划分的再生沥青混合料均匀性评价方法。
7.本发明具体步骤如下
8.步骤1、采用室内成型方式获取再生沥青混合料圆柱体试件，利用ct扫描设备对其进行扫描，构建扫描试件的三维可视化模型；
9.步骤2、对所述的三维可视化模型进行数字图像处理，识别再生沥青混合料各个组分，组分包括粗集料、旧沥青胶浆、新沥青胶浆及空隙；
10.步骤3、采用mimics软件从处理后的三维试件图像中以试件的体积中心为切割中心，在试件模型中切割一立方体范围作为研究对象，进一步将该立方体划分为m3个面积相等的网格；
11.步骤4、分别统计各个网格内新旧沥青胶浆的体积，根据新旧沥青胶浆的体积计算各个网格中旧沥青胶浆占全部沥青胶浆的比值mi，mi计算公式如式(1)：
12.13.式中：a
vi
为第i个小立方体内旧沥青胶浆的体积
14.a
ri
为第i个小立方体内新沥青胶浆的体积
15.i为划分网格的编号，i＝1、2、3、...m316.步骤5、根据所述的每个划分网格内旧沥青胶浆占比mi，计算m3个mi的标准差sd和变异系数cov，作为整个三维试件图像内新旧沥青胶浆分布的均匀性评价指标，计算公式如式(2)～(4)。标准差和变异系数越小，说明混合料的均匀性越好；反之，则混合料的均匀性越差；
[0017][0018][0019][0020]
式中：为单个试件内mi的整体均值。
[0021]
进一步地，所述再生沥青混合料圆柱形试件的成型方法包括以下步骤：
[0022]
步骤a1.向旧沥青胶浆掺入适量的二氧化钛粉末后进行废弃沥青混合料的制备，其中二氧化钛与矿粉等质量替换，不再使用矿粉来制备沥青混合料；
[0023]
步骤a2.将掺有二氧化钛粉末的旧沥青胶浆制备而成的废弃沥青混合料与固定比例的新集料、基质沥青成型再生沥青混合料试件。
[0024]
进一步地，所述步骤1中圆柱体试件尺寸为φ101.6mm
×
63.5mm。
[0025]
进一步地，所述对再生沥青混合料各个组分的识别涉及到灰度图像阈值的确定，阈值的确定方法为双峰法，包括以下步骤：
[0026]
步骤b1.根据截面图像定性判断不同材料组分；
[0027]
步骤b2.读取该组分所在位置的ct值并初步确定各组分的ct值范围；
[0028]
步骤b3.采用mimics软件输出图像的ct值直方图；
[0029]
步骤b4.通过双峰法反复调整该组分ct值的区间边界；
[0030]
步骤b5.确定ct图像中粗集料、新旧沥青胶浆及空隙的划分阈值。
[0031]
进一步地，所述步骤3中立方体的高取值应小于试件的高，以消除试件倾斜扫描造成的误差，确保不同试件的最大内接立方体尺寸相一致。
[0032]
进一步地，所述步骤3中对立方体图像进一步划分具体如下：将立方体的边长m等分，平均划分为m3个长度、宽度和高度均相等的小立方体。
[0033]
进一步地，所述步骤3中，m≥2。
[0034]
进一步地，所述步骤3中所述获取每个三维可视化模型的立方体研究范围及几何中心，以及在步骤3中获取m等分的横坐标和纵坐标方法如下：采用mimics软件中的3d properties 功能对所示三维可视化模型的尺寸进行统计，利用crop mask功能对三维可视化模型及立方体进行切割。
[0035]
有益效果：本发明基于ct与三维图像划分，对整个生沥青混合料试件的均匀性进行三维评价，与现有的二维评价方法相比，克服了其割裂混合料完整性和计算误差大的缺点。
[0036]
本发明通过将二氧化钛与矿粉等质量替换，对新旧沥青胶浆进行区分，提出评价新旧沥青胶浆均匀性的指标，解决了现有的评价方法无法对新旧沥青胶浆均匀性进行评价的问题。
附图说明
[0037]
图1是本发明方法流程图；
[0038]
图2是本实施例级配曲线图；
[0039]
图3是本实施例再生沥青混合料二维断层图像，其中，(a)是轴向二维截面图像，(b)是径向二维截面图像；
[0040]
图4是本实施例试件三维可视化图像；
[0041]
图5是本实施例组分划分截图图像，其中，(a)是粗集料图像，(b)是旧沥青胶浆图像，(c) 是新沥青胶浆图像，(d)是空隙图像，(e)是总体三维图像；
[0042]
图6是本实施例三维图像切割示意图。
具体实施方式
[0043]
下面对技术方案的实施作进一步详细描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0044]
本发明提供一种基于ct与三维划分的再生沥青混合料均匀性评价方法。图一是本发明方法流程图，本发明包括以下几个步骤：
[0045]
步骤一：采用室内成型的方式分别制作了老化时间为2d、4d，拌和时间为30s、60s、120s、 180s、240s的10种再生沥青混合料圆柱体试件，圆柱体试件尺寸为φ101.6mm
×
63.5mm，合成级配如表1所示，级配曲线如图2所示。再生沥青混合料圆柱体试件的成型方法包括以下步骤：
[0046]
步骤a1.向旧沥青胶浆掺入适量的二氧化钛粉末后进行废弃沥青混合料的制备，其中二氧化钛与矿粉等质量替换，不再使用矿粉来制备沥青混合料；
[0047]
步骤a2.将掺有二氧化钛粉末的旧沥青胶浆制备而成的废弃沥青混合料与固定比例的新集料、基质沥青成型再生沥青混合料试件。
[0048]
对试件进行ct断层扫描，得到沥青混合料在空间中三个相互垂直方向的二维截面图像，如图3所示。利用mimics软件通过体绘制方法来重构试件的三维模型如图4。
[0049]
表1 再生沥青混合料ac-13型合成级配
[0050][0051]
步骤二：对再生沥青混合料三维可视化模型进行数字图像处理，识别再生沥青混合料各个组分，组分包括粗集料、旧沥青胶浆、新沥青胶浆及空隙，图5为组分划分图像，橙色代表粗集料组分，绿色代表掺二氧化钛的旧沥青胶浆，蓝色则表征新沥青胶浆，空隙采用粉红色进行区分。再生沥青混合料各个组分的识别涉及到灰度图像阈值的确定，阈值的确定方法为双峰法。双峰法的具体操作为：
[0052]
步骤b1.根据截面图像定性判断不同材料组分；
[0053]
步骤b2.读取该组分所在位置的ct值并初步确定各组分的ct值范围；
[0054]
步骤b3.采用mimics软件输出图像的ct值直方图；
[0055]
步骤b4.通过双峰法反复调整该组分ct值的区间边界；
[0056]
步骤b5.确定ct图像中粗集料、新旧沥青胶浆及空隙的划分阈值。
[0057]
再生沥青混合料内部结构中各组分的阈值分别为：粗集料ct值为2546-3071hu，旧沥青胶浆ct值为2209-2296hu，新沥青胶浆ct值为1638-2209hu，空隙的ct值为
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1024-1200hu。。
[0058]
步骤三：采用mimics软件从处理后的三维试件图像中以试件的体积中心为切割中心，采用mimics软件中的3d properties功能对所示三维可视化模型的尺寸进行统计，在试件模型中切割60mm
×
60mm
×
60mm的立方体范围作为研究对象。进一步利用crop mask功能将该立方体划分为8个面积相等的网格，切割示意图如图6所示。
[0059]
步骤4、分别统计各个网格内新旧沥青胶浆的体积，根据新旧沥青胶浆的体积计算各个网格中旧沥青胶浆占全部沥青胶浆的比值mi，mi计算公式如式(1)：
[0060][0061]
式中：a
vi
为第i个小立方体内旧沥青胶浆的体积；
[0062]ari
为第i个小立方体内新沥青胶浆的体积；
[0063]
i为划分网格的编号，i＝1、2、3、...8。
[0064]
步骤5、根据所述的每个划分网格内旧沥青胶浆占比mi，计算8个mi的标准差sd和变异系数cov，作为整个三维试件图像内新旧沥青胶浆分布的均匀性评价指标，计算公式如式 (2)～(4)。标准差和变异系数越小，说明混合料的均匀性越好；反之，则混合料的均匀性越差。
[0065][0066][0067][0068]
式中：为单个试件内mi的整体均值。
[0069]
表二给出了10种再生沥青混合料中旧沥青胶浆占全部沥青胶浆的比值的标准差(sd) 和变异系数(cov)。标准差和变异系数越小，说明混合料的均匀性越好；反之，则混合料的均匀性越差。老化时间4d，拌和时间120s的再生沥青混合料的标准差和变异系数最小，说明均匀性最好。
[0070]
表二 再生沥青混合料中旧沥青胶浆占全部沥青胶浆的比值的标准差和变异系数
[0071][0072]