基于CT扫描技术的沥青混合料的细观结构特性研究

摘要

以车辙为代表的早期典型病害对沥青混凝土路面行车舒适性和安全性造成了严重的影响。车辙病害的形成过程涉及到沥青混合料的体积变化特征—剪胀现象，因此有必要对沥青混合料的细观结构及相应的体积变化进行深入研究。相较于传统的宏观试验技术，论文拟采用CT无损检测技术分析沥青混合料的细观结构，并建立细观结构与剪胀行为的关系。
　　为评价不同级配试件内部结构的差异，按照设计规范，分别采用旋转压实方法成型了PA、AC、SUP、SMA四种级配的混合料试件。进行X射线CT扫描，并通过MATLAB软件编写改进的环形最大类间方差算法（简称环形OTSU算法），依据半径范围计算分割阈值，以清楚地区分集料、沥青以及空隙部分。相较于原始OTSU算法，图片处理效果得到改善，能显著提高图片的处理速率。
　　基于改进的环形OTSU算法，从像素点角度计算不同级配试件各个深度处的横截面面空隙率，结果表明，PA13、AC13以及SMA13试件从上部至下部，面空隙率呈现先减小，后增大的趋势，而SUP13、SUP20和AC20级配试件面空隙率变化不明显;比较不同级配试件在剪切破坏前后的面空隙率可发现，初始空隙率较大的试件在破坏后面空隙率呈大幅降低趋势，最大公称粒径较大的试件较其他试件面空隙率变化更为均匀;整体空隙率计算结果同实验室测试结果较为接近，误差不超过25％。采用分形理论计算试件不同深度截面级配和空隙的面积分形维数，结果表明，破坏后的级配分形维数均低于破坏前维数，表明初始空隙率越大，维数变化程度则越大;空隙分形维数亦如此;观察各个试件，可发现试件上部以及下部的分形维数均较小，中部数值较大。因而提出综合分形维数D以表征试件整体的均匀性，该参数能够定性地反映试件宏观高温性能的优劣。
　　利用MATLAB软件，通过基于体数据的重构算法得到混合料中集料分布的三维模型。该模型可任意切割，从而观察试件内部截面的颗粒分布状况。对六种不同级配的混合料试件，计算压缩破坏后试件不同横截面的径向应变数值，可知PA13、AC13以及SMA13试件上部出现剪缩现象，中部呈现明显的剪胀现象，SUP13、SUP20以及AC20试件均呈现剪胀现象;计算结果与实测的径向应变数值做对比，结果能在一定程度上表征试件的破坏趋势。
　　论文基于国家自然科学基金—基于不连续介质力学的沥青混合料剪胀行为研究，通过CT扫描技术以及OTSU算法，能够较为精确地提取出混合料的各个组成部分，在此基础上分析混合料的细观结构，并重构得出混合料的三维模型，计算混合料的剪胀数值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国外研究现状

1．3 国内研究现状

1．4 进一步研究必要性

1．5 论文主要研究内容及技术路线

第二章 沥青混合料配合比设计及其评价

2．1 原材料性质

2．1．1 沥青

2．1．2 集料

2．2 混合料试件设计

2．2．1 级配设计

2．2．2 确定最佳沥青用量

2．3 试件成型

2．4 简单性能试验(SPT试验)

2．4．1 试验背景

2．4．2 试验方法

2．4．3 试验结果

2．5 单轴压缩试验

2．6 空隙率测定

2．7 本章小结

第三章 CT图像预处理与阈值分割

3．1 数字图像处理的基本理论

3．1．1 CT简介

3．1．2 MATLAB软件简介

3．2 图像预处理

3．2．1 图像转换

3．2．2 对比度增强

3．2．3 图像增强

3．3 图像分割

3．4 本章小结

第四章 沥青混合料细观结构的观测

4．1 沥青混合料空隙率的计算及其验证

4．1．1 测定不同级配试件的面空隙率

4．1．2 不同级配试件破坏前后面空隙率对比

4．1．3 试件整体空隙率测定

4．2 基于分形理论的混合料的均匀性研究

4．2．1 分形理论

4．2．2 沥青混合料中不同目标的分形特征

4．2．3 沥青混合料内部结构的分形评价方法

4．2．4 分形维数计算及分析

4．3 本章小结

第五章 沥青混合料的细观结构重构及剪胀量计算

5．1 重构方法简述

5．2 重构成果展示

5．3 车辙形成过程分析

5．4 不同级配试件剪胀量计算

5．5 模型计算数据与试验数据对比

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 进一步研究的展望

致谢

参考文献

在学期间发表论文