本發(fā)明涉及一種乳化瀝青冷再生混合料的粗集料特征分析方法，主要通過一系列的指標(biāo)和算法來研究乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的空間分布狀況、主軸方向和顆粒形狀特性。

背景技術(shù)：

據(jù)申請人了解乳化瀝青就地冷再生技術(shù)采用專門的再生機(jī)組設(shè)備對舊瀝青路面進(jìn)行銑刨和再生，能夠?qū)εf瀝青混合料進(jìn)行100％回收利用，只有在必要的時候才摻加新集料來調(diào)整冷再生混合料的級配。經(jīng)過長期的路用和外界環(huán)境的作用，以及銑刨再生過程中的機(jī)械作用，舊料顆粒表面的棱角被磨光，但是隨著顆粒的破碎，又會有新的破碎面生成，其形狀、棱角和表面紋理等都與新集料顆粒有所不同。作為一種高舊料摻量的再生混合料，舊料顆粒構(gòu)成了乳化瀝青冷再生混合料的骨架結(jié)構(gòu)，一方面，舊料顆粒的形狀、棱角性和表面紋理等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性在一定程度上會影響混合料壓實后集料顆粒之間的嵌擠程度和瀝青與集料顆粒的吸附狀況，另一方面，舊料顆粒的分布狀況也會對乳化瀝青冷再生混合料的性能產(chǎn)生影響。以往的研究主要通過室內(nèi)試驗來分析乳化瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能，對其粗集料顆粒的分布和顆粒形狀特性的研究較少。

美國規(guī)范對集料顆粒的形狀特征有相應(yīng)的要求和試驗方法，如采用扁平比來描述集料顆粒的形狀，并用2:1、3:1和5:1三個值來進(jìn)行等級劃分(ASTM D4791-99)，通過人工觀測一個集料顆粒的斷裂面數(shù)量來評價其棱角性的高低(ASTM D5821)，而對于集料顆粒的表面紋理，并沒有給出一種直接的測量手段(ASTM D3398)。

我國規(guī)范對集料顆粒的形狀特征也有相應(yīng)的要求，但試驗方法依然需要依賴個人經(jīng)驗和主觀判斷。數(shù)字圖像處理技術(shù)突破了傳統(tǒng)試驗方法的限制，為瀝青混合料的研究提供了一種科學(xué)高效的手段。利用X-ray CT掃描技術(shù)可對瀝青混合料中集料顆粒的主軸方向和集料分布狀況進(jìn)行研究，

研究表明，集料顆粒的主軸方向角隨著壓實次數(shù)的增大而減小，而壓實次數(shù)過多則會使得集料顆粒的方向分布變異性增大，與旋轉(zhuǎn)試件相比，揉搓試件的集料顆粒接觸更為緊密。進(jìn)一步研究表明，旋轉(zhuǎn)試件集料顆粒的主軸方向趨向于水平，而揉搓試件集料顆粒的主軸方向分布則較不均勻。一種研究集料顆粒嵌擠程度的方法是：在集料顆粒的形心之間構(gòu)建狄羅尼三角網(wǎng)，通過三角網(wǎng)中的一些長度關(guān)系可計算出集料顆粒之間的距離，從而對集料顆粒的嵌擠程度進(jìn)行評價。

University of Illinois Aggregate Image Analyzer(UIAIA)是一種快捷高效的集料顆粒圖像分析系統(tǒng)，首先通過三臺相機(jī)獲取傳送帶上每個集料顆粒的三個視圖，然后利用程序可計算出一批集料顆粒中針片狀顆粒的含量。由于集料顆粒的棱角性對瀝青混合料的性能有比較顯著的影響，許多學(xué)者深入研究了棱角性的計算方法，目前主要有兩種方法，一種是運(yùn)用圖像形態(tài)學(xué)中腐蝕-膨脹算法對細(xì)集料顆粒圖像進(jìn)行處理，采用表面參數(shù)SP值表征集料棱角特征的缺失，缺失越大則棱角性越高；另一種是用傅立葉級數(shù)展開集料顆粒的輪廓半徑函數(shù)R(θ)，通過相應(yīng)的頻率參量來描述集料顆粒的棱角性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種乳化瀝青冷再生混合料的粗集料特征分析方法。

本發(fā)明通過一系列的指標(biāo)和算法來研究乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的空間分布狀況、主軸方向和顆粒形狀特性?？臻g分布狀況：利用均勻性指標(biāo)UI來描述粗集料顆粒的空間分布狀況，對不同成型方式和不同級配下乳化瀝青冷再生混合料的均勻性進(jìn)行評價；主軸方向：通過統(tǒng)計乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的主軸方向角和主軸方向集中程度來分析粗集料顆粒的主軸方向分布規(guī)律，評價不同成型方式的壓實效果；顆粒形狀特性：利用扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI三個指標(biāo)來描述乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的形狀特性，并與普通熱拌瀝青混合料中的粗集料顆粒進(jìn)行對比。

本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

乳化瀝青冷再生混合料的粗集料特征分析方法，包括粗集料顆粒的空間分布狀況分析方法、粗集料顆粒的主軸方向分析方法以及粗集料顆粒的形狀特性的分析方法；

所述粗集料顆粒的空間分布狀況分析方法：利用均勻性指標(biāo)UI來描述粗集料顆粒的空間分布狀況，對不同成型方式和不同級配下乳化瀝青冷再生混合料的均勻性進(jìn)行評價；

所述粗集料顆粒的主軸方向分析方法：通過統(tǒng)計乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的主軸方向角和主軸方向集中程度來分析粗集料顆粒的主軸方向分布規(guī)律，評價不同成型方式的壓實效果；

所述粗集料顆粒的形狀特性的分析方法：利用扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI三個指標(biāo)來描述乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的形狀特性，并與普通熱拌瀝青混合料中的粗集料顆粒進(jìn)行對比。

本發(fā)明所述粗集料顆粒的空間分布狀況分析方法：首先將粗集料顆粒按粒徑范圍分檔，然后在每一檔粗集料顆粒的圖像中構(gòu)建坐標(biāo)系，以圖像中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用X軸和Y軸可將圖像劃分為面積相等的四個區(qū)域，某一檔粗集料顆粒的位置分布偏差率和數(shù)量分布變異系數(shù)就根據(jù)圖像的坐標(biāo)系和所劃分的這四個區(qū)域來進(jìn)行計算，進(jìn)而可計算出瀝青混合料試件某一斷面的均勻性指標(biāo)UIj，最終該試件的均勻性指標(biāo)UI為所有斷面均勻性指標(biāo)的平均值；

具體算法如下：

建立假設(shè)1：假設(shè)粗集料顆粒的分布是均勻的，那么圖中所有粗集料顆粒的質(zhì)心是關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對稱的；根據(jù)這一假設(shè)計算瀝青混合料試件某一斷面上某一檔粗集料顆粒的位置分布偏差率RPDij(Ratio of Position Deviation)，計算公式如下：

其中：——第j個斷面上第i檔粗集料中第n個粗集料顆粒的坐標(biāo)；

——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的平均質(zhì)心坐標(biāo)；

——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的數(shù)量；

R——試件的橫截面半徑，對于靜壓試件則為試件長度和寬度的均值；

RPDij——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的位置分布偏差率；

建立假設(shè)2：粗集料顆粒的分布是均勻的，那么圖中四個區(qū)域內(nèi)所有粗集料顆粒的數(shù)量是相等的；根據(jù)這一假設(shè)計算瀝青混合料試件某一斷面上某一檔粗集料顆粒的數(shù)量分布變異系數(shù)CVQij(Coefficient of Variation of Quantity)，計算公式如下：

其中：——第j個斷面上四個區(qū)域內(nèi)第i檔粗集料顆粒的數(shù)量；

——第j個斷面上四個區(qū)域中第i檔粗集料顆粒的平均數(shù)量；

CVQij——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的數(shù)量分布變異系數(shù)；

在計算各檔粗集料顆粒的綜合指標(biāo)時，引入一個權(quán)重系數(shù)wij，，以區(qū)分不同粒徑范圍的粗集料顆粒在某一指標(biāo)中所占的比重；其中，瀝青混合料某一斷面的均勻性指標(biāo)即為該斷面上所有分檔粗集料顆粒的位置分布偏差率與數(shù)量分布變異系數(shù)之和的加權(quán)平均值；根據(jù)下面的一系列公式可分別計算出瀝青混合料試件的斷面均勻性指標(biāo)UIj，整個試件中粗集料顆粒的位置分布偏差率RPD和數(shù)量分布變異系數(shù)CVQ，以及該試件的均勻性指標(biāo)UI；

其中：——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的面積；

Wholeareaj——第j個斷面上所有粗集料顆粒的面積；

——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的權(quán)重系數(shù)；

Ij——第j個斷面上粗集料顆粒的分檔數(shù)量；

UI_j——第j個斷面的均勻性指標(biāo)；

J——斷面數(shù)量；

RPD——整個試件中粗集料顆粒的位置分布偏差率；

CVQ——整個試件中粗集料顆粒的數(shù)量分布變異系數(shù)；

UI——該試件的均勻性指標(biāo)。

本發(fā)明所述粗集料顆粒的主軸方向分析方法：粗集料顆粒的主軸方向角定義為從水平方向到其主軸方向的銳角，利用Matlab可識別出粗集料顆粒的主軸方向，計算出某一試件所有縱截面上粗集料顆粒的主軸方向角后，根據(jù)公式(5-10)和(5-11)可分別計算出粗集料顆粒的平均主軸方向角和主軸方向集中程度，從而對瀝青混合料的壓實效果進(jìn)行分析和評價；

具體計算公式如下：

其中：——第n個粗集料顆粒的主軸方向角；

N——所有縱截面上粗集料顆粒的數(shù)量；

θ——粗集料顆粒的平均主軸方向角；

Δ——粗集料顆粒的主軸方向集中程度。

本發(fā)明所述粗集料顆粒的形狀特性可用三個不同層次的特征來描述：形狀、棱角和表面紋理；基于數(shù)字圖像處理技術(shù)可分別用扁平比FER(Flat and Elongated Ratio)、棱角性指數(shù)AI(Angularity Index)和表面紋理指數(shù)STI(Surface Texture Index)三個指標(biāo)來對上述三個層次的形狀特征進(jìn)行量化。

扁平比FER定義為粗集料顆粒的長軸長度與垂直短軸長度之比；粗集料顆粒大多呈橢球形，用扁平比可描述粗集料顆粒的整體形狀；首先，根據(jù)公式(5-12)計算某一試件所有斷面上每個粗集料顆粒的扁平比，然后根據(jù)公式(5-13)對每個粗集料顆粒的扁平比求加權(quán)平均值，最終得到該試件中粗集料顆粒的扁平比；

其中：——第n個粗集料顆粒的長軸長度；

Minor axis lengthn——第n個粗集料顆粒的短軸長度；

——第n個粗集料顆粒的扁平比；

Arean——第n個粗集料顆粒的面積；

N——所有斷面上粗集料顆粒的數(shù)量；

FER——該試件中粗集料顆粒的扁平比。

本發(fā)明棱角性指數(shù)AI：跟蹤粗集料顆粒圖像的輪廓，根據(jù)輪廓斜率變化程度的大小可識別出粗集料顆粒表面的棱角；具體做法為：首先，識別出粗集料顆粒的輪廓，用等邊的內(nèi)接n邊形來擬合輪廓，并計算出此n邊形中每個內(nèi)角的角度；然后，以其中的某個內(nèi)角為起點(diǎn)，按順時針方向計算相鄰下一個內(nèi)角的角度變化(用相鄰下一個內(nèi)角的角度減去上一個內(nèi)角的角度)，進(jìn)而得到所有內(nèi)角的角度變化；最后，以10°為間隔統(tǒng)計所有內(nèi)角的角度變化頻數(shù)分布，統(tǒng)計范圍為0°-180°，角度變化的范圍為-360°-360°，其中，在0°-180°之間的屬于棱角；內(nèi)角的角度變化大小和對應(yīng)的頻數(shù)大小共同反映了粗集料顆粒棱角性的高低。某一試件中粗集料顆粒棱角性指數(shù)AI的計算公式如下：

其中：e——每個統(tǒng)計區(qū)間的起始角度值(從0到170，取值間隔為10)；

P(e)——角度變化大小在e到(e+10)之間的頻數(shù)；

AIn——第n個粗集料顆粒的棱角性指數(shù)；

Arean——第n個粗集料顆粒的面積；

N——所有斷面上粗集料顆粒的數(shù)量；

AI——該試件中粗集料顆粒的棱角性指數(shù)。

本發(fā)明表面紋理指數(shù)STI：圖像形態(tài)學(xué)中的腐蝕-膨脹操作能夠去除粗集料顆粒輪廓上粗糙的細(xì)小突起和尖角，使得粗集料顆粒的表面變得光滑，同時不對其他形狀特征造成影響；通過對比腐蝕-膨脹操作前后粗集料顆粒圖像面積的變化大小，可對粗集料顆粒表面的粗糙程度進(jìn)行量化；表面紋理指數(shù)STI就是根據(jù)這一理念來定義的，具體的計算公式如下：

其中：——第n個粗集料顆粒的原面積

——第n個粗集料顆粒經(jīng)過若干次腐蝕-膨脹后的面積；

STIn——第n個粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)；

Arean——第n個粗集料顆粒的面積；

N——所有斷面上粗集料顆粒的數(shù)量；

STI——該試件中粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)。

本發(fā)明產(chǎn)生的技術(shù)效果如下：

本發(fā)明通過利用均勻性指標(biāo)UI來描述粗集料顆粒的空間分布狀況，對不同成型方式和不同級配下乳化瀝青冷再生混合料的均勻性進(jìn)行評價；

主軸方向：通過統(tǒng)計乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的主軸方向角和主軸方向集中程度來分析粗集料顆粒的主軸方向分布規(guī)律，評價不同成型方式的壓實效果；顆粒形狀特性：利用扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI三個指標(biāo)來描述乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的形狀特性，并與普通熱拌瀝青混合料中的粗集料顆粒進(jìn)行對比。

本發(fā)明針對乳化瀝青冷再生混合料中的粗集料顆粒展開了一系列研究?；贑T掃描試驗獲得的粗集料顆粒圖像，分析了乳化瀝青冷再生混合料中粗集料的空間分布和顆粒主軸方向分布狀況，評價了不同成型方式和不同級配的冷再生試件的均勻性，以及不同成型方式的壓實效果，通過計算粗集料顆粒的扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI三個指標(biāo)，對比了冷料與熱料中粗集料顆粒的形狀特性。主要結(jié)論如下：

(1)級配對乳化瀝青冷再生混合料的均勻性有極顯著的影響，級配越粗，混合料的均勻性越差，摻加粒徑較大的新集料也會降低混合料的均勻性。

(2)成型方式對乳化瀝青冷再生混合料的均勻性有顯著的影響，主要體現(xiàn)在級配較粗的情況下。旋轉(zhuǎn)壓實、馬歇爾擊實和靜壓三種成型方式中，旋轉(zhuǎn)壓實能夠使得混合料分布較為均勻，是一種較好的成型方式。

(3)旋轉(zhuǎn)壓實能夠使得乳化瀝青冷再生混合料中的粗集料顆粒得到較好的排列和分布，壓實后粗集料顆粒的主軸方向角較小，并且主軸方向的集中程度較高，壓實的效果較好。馬歇爾擊實的壓實效果為其次，靜壓的壓實效果較差。

(4)冷料中舊料顆粒的扁平比FER在2.00以下，比熱料中的粗集料顆粒小。經(jīng)過長期的使用和銑刨再生過程中的機(jī)械作用，舊料顆粒出現(xiàn)了新的破裂面，棱角性增大，棱角性指數(shù)AI比熱料中的粗集料顆粒大，但是顆粒表面被磨光，表面紋理減少，表面紋理指數(shù)STI比熱料中的粗集料顆粒小。

(5)新集料的摻加不僅能夠調(diào)整乳化瀝青冷再生混合料的級配，而且還能改善舊料顆粒的表面紋理狀況。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1為某一檔粗集料顆粒圖像的坐標(biāo)系。

圖2為不同深度處的斷面均勻性指標(biāo)Uij。

圖3為不同深度處的斷面均勻性指標(biāo)Uij。

圖4為粗集料顆粒的主軸方向角示意。

圖5為粗集料顆粒的平均主軸方向角。

圖6為粗集料顆粒的主軸方向集中程度。

圖7為粗集料顆粒的形狀特性示意。

圖1中：1-第一區(qū)域；2-第二區(qū)域；3-第三區(qū)域；4-第四區(qū)域；

圖7中：5-形狀；6-棱角；7-表面紋理。

具體實施方式

本發(fā)明乳化瀝青冷再生混合料的粗集料特征分析方法，包括粗集料顆粒的空間分布狀況分析方法、粗集料顆粒的主軸方向分析方法以及粗集料顆粒的形狀特性的分析方法；所述粗集料顆粒的空間分布狀況分析方法：利用均勻性指標(biāo)UI來描述粗集料顆粒的空間分布狀況，對不同成型方式和不同級配下乳化瀝青冷再生混合料的均勻性進(jìn)行評價；所述粗集料顆粒的主軸方向分析方法：通過統(tǒng)計乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的主軸方向角和主軸方向集中程度來分析粗集料顆粒的主軸方向分布規(guī)律，評價不同成型方式的壓實效果；所述粗集料顆粒的形狀特性的分析方法：利用扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI三個指標(biāo)來描述乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的形狀特性，并與普通熱拌瀝青混合料中的粗集料顆粒進(jìn)行對比。

粗集料顆粒的空間分布狀況分析方法：

瀝青混合料的均勻性是瀝青路面長期使用性能的重要保證。瀝青路面出現(xiàn)的許多早期破壞，如水損害、車轍、泛油等，都與瀝青混合料的均勻程度有很大關(guān)系。當(dāng)瀝青混合料的級配發(fā)生變化，集料顆粒分布不均勻，粗集料集中的部位空隙率偏大，瀝青含量偏小時，易造成滲水，加劇路面水損害，產(chǎn)生坑槽、松散等病害；而細(xì)集料集中的地方，空隙率偏小，瀝青含量偏高，會造成高溫穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)車轍、泛油、推移等病害。

研究認(rèn)為瀝青混合料的均勻性可由試件斷面上粗集料顆粒的位置分布狀態(tài)和數(shù)量分布狀態(tài)來綜合描述，根據(jù)此理念提出了均勻性指標(biāo)UI，該指標(biāo)由粗集料顆粒的位置分布偏差率和數(shù)量分布變異系數(shù)兩部分構(gòu)成。為了將該方法應(yīng)用于CT掃描圖像中，本發(fā)明在原始算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。首先將粗集料顆粒按粒徑范圍分檔，然后在每一檔粗集料顆粒的圖像中構(gòu)建坐標(biāo)系，以圖像中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖1所示，利用X軸和Y軸可將圖像劃分為面積相等的四個區(qū)域，某一檔粗集料顆粒的位置分布偏差率和數(shù)量分布變異系數(shù)就根據(jù)圖像的坐標(biāo)系和所劃分的這四個區(qū)域來進(jìn)行計算，進(jìn)而可計算出瀝青混合料試件某一斷面的均勻性指標(biāo)UIj，最終該試件的均勻性指標(biāo)UI為所有斷面均勻性指標(biāo)的平均值。本發(fā)明僅對橫截面方向的均勻性進(jìn)行研究，具體的計算方法見下文。

建立假設(shè)1：

如果圖1中粗集料顆粒的分布是均勻的，那么圖中所有粗集料顆粒的質(zhì)心是關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對稱的。根據(jù)這一假設(shè)計算瀝青混合料試件某一斷面上某一檔粗集料顆粒的位置分布偏差率RPDij(Ratio of Position Deviation)，計算公式如下：

其中：——第j個斷面上第i檔粗集料中第n個粗集料顆粒的坐標(biāo)；

——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的平均質(zhì)心坐標(biāo)；

——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的數(shù)量；

R——試件的橫截面半徑，對于靜壓試件則為試件長度和寬度的均值；

RPDij——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的位置分布偏差率。

如果圖1中粗集料顆粒的分布是均勻的，那么圖中四個區(qū)域內(nèi)所有粗集料顆粒的數(shù)量是相等的。根據(jù)這一假設(shè)計算瀝青混合料試件某一斷面上某一檔粗集料顆粒的數(shù)量分布變異系數(shù)CVQij(Coefficient of Variation of Quantity)，計算公式如下：

其中：——第j個斷面上四個區(qū)域內(nèi)第i檔粗集料顆粒的數(shù)量；

——第j個斷面上四個區(qū)域中第i檔粗集料顆粒的平均數(shù)量；

CVQij——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的數(shù)量分布變異系數(shù)。

考慮到不同粒徑范圍的粗集料顆粒所占的面積各不相同，對瀝青混合料的均勻性會有不同程度的影響，其中，面積較大的粗集料顆粒對均勻性的影響較大。因此，在計算各檔粗集料顆粒的綜合指標(biāo)時，引入一個權(quán)重系數(shù)wij，，以區(qū)分不同粒徑范圍的粗集料顆粒在某一指標(biāo)中所占的比重。其中，瀝青混合料某一斷面的均勻性指標(biāo)即為該斷面上所有分檔粗集料顆粒的位置分布偏差率與數(shù)量分布變異系數(shù)之和的加權(quán)平均值。根據(jù)下面的一系列公式可分別計算出瀝青混合料試件的斷面均勻性指標(biāo)UIj，整個試件中粗集料顆粒的位置分布偏差率RPD和數(shù)量分布變異系數(shù)CVQ，以及該試件的均勻性指標(biāo)UI。

其中：——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的面積；

Wholeareaj——第j個斷面上所有粗集料顆粒的面積；

——第j個斷面上第i檔粗集料顆粒的權(quán)重系數(shù)；

Ij——第j個斷面上粗集料顆粒的分檔數(shù)量；

UI_j——第j個斷面的均勻性指標(biāo)；

J——斷面數(shù)量；

RPD——整個試件中粗集料顆粒的位置分布偏差率；

CVQ——整個試件中粗集料顆粒的數(shù)量分布變異系數(shù)；

UI——該試件的均勻性指標(biāo)。

計算結(jié)果分析

根據(jù)前文介紹的算法，利用Matlab編寫程序計算12個冷再生試件粗集料顆粒的位置分布偏差率RPD和數(shù)量分布變異系數(shù)CVQ，以及試件的均勻性指標(biāo)UI，為了分析冷再生試件斷面均勻性指標(biāo)UIj的變異性，將其統(tǒng)計的方差值也羅列出來，見表5-1。根據(jù)均勻性假設(shè)，均勻性指標(biāo)UI越小，說明乳化瀝青冷再生混合料的均勻性越好。為了便于分析，表5-1將所有冷再生試件按級配分成四類，并計算出了每一類試件四個指標(biāo)的平均值。

表5-1乳化瀝青冷再生混合料均勻性指標(biāo)計算結(jié)果

從表5-1中各指標(biāo)的平均值可以看到，隨著級配由細(xì)變粗，冷再生試件的均勻性指標(biāo)UI呈增大趨勢，說明級配越粗，乳化瀝青冷再生混合料的均勻性越差。粗集料顆粒的位置分布偏差率RPD和數(shù)量分布變異系數(shù)CVQ與均勻性指標(biāo)UI的變化趨勢一致，說明均勻性指標(biāo)UI能夠較好地反映乳化瀝青冷再生混合料中粗集料顆粒的位置分布狀況和數(shù)量分布狀況。冷再生試件斷面均勻性指標(biāo)的方差與整個試件的均勻性指標(biāo)UI也有較好的相關(guān)性，方差越大，往往均勻性指標(biāo)UI也較大。值得注意的是，對于摻加了新集料的級配CIR-25A，其均勻性指標(biāo)UI比100％利用舊料的級配CIR-25增大了很多，斷面均勻性指標(biāo)的方差也增大不少，說明新集料的摻加在一定程度上會對乳化瀝青冷再生混合料的均勻性產(chǎn)生不利的影響。對比不同成型方式下冷再生試件的均勻性，可以發(fā)現(xiàn)除了CIR-20級配，其余三個級配中旋轉(zhuǎn)試件的均勻性指標(biāo)UI都是最小值，而靜壓試件的均勻性指標(biāo)UI則為最大值，說明對于乳化瀝青冷再生混合料而言，旋轉(zhuǎn)壓實能夠使得混合料分布較為均勻，而采用靜壓方式成型的試件均勻性較差。進(jìn)一步觀察還可發(fā)現(xiàn)，對于較細(xì)的級配，成型方式對的冷再生試件的均勻性影響較小，而對于較粗的級配，成型方式對冷再生試件的均勻性有明顯的影響。

為了分析成型方式和級配對乳化瀝青冷再生混合料均勻性的影響程度，利用SAS對表5-1中的均勻性指標(biāo)UI進(jìn)行雙因素方差分析，以成型方式和級配為兩個控制因素，其中，成型方式有三個水平，級配有四個水平，分析結(jié)果見表5-2。當(dāng)P<0.05時，因素的作用是顯著的，當(dāng)P<0.01時，因素的作用是極顯著的。從表5-2中可以看到，成型方式對乳化瀝青冷再生混合料的均勻性有顯著的影響，而級配則有極顯著的影響。

5-2均勻性指標(biāo)UI的雙因素方差分析結(jié)果

圖2和3以CIR-20-X和CIR-13-J兩個試件為例，繪制了冷再生試件的斷面均勻性指標(biāo)UIj隨試件深度的變化曲線。從圖中可以看到，冷再生試件不同深度處的斷面均勻性各不相同，斷面均勻性指標(biāo)UIj隨試件深度呈不斷波動的趨勢，沒有明顯的規(guī)律可循。為了對斷面均勻性進(jìn)行直觀的描述，下圖分別展示了每個冷再生試件斷面均勻性較好和較差兩種情況的CT掃描圖像。對于圖2，第360張CT掃描圖像中的粗集料顆粒主要集中在試件斷面的左下方，而右上方則充滿了水泥乳化瀝青砂漿，粗集料顆粒數(shù)量較少，整個斷面的粗集料分布明顯不均勻，因此該斷面的均勻性指標(biāo)較大，UI360＝0.88；而第180張CT掃描圖像中的粗集料顆粒則布滿了整個試件斷面，分布較為均勻，因此該斷面的均勻性指標(biāo)較小，UI180＝0.34。從圖3中的兩張CT掃描圖像也能看出類似的均勻性差異，說明本發(fā)明所用的均勻性指標(biāo)能夠有效地反映乳化瀝青冷再生混合料的均勻性實際狀況。

圖2和3為不同深度處的斷面均勻性指標(biāo)Uij。

粗集料顆粒的主軸方向分析方法：

在傳統(tǒng)的瀝青混合料設(shè)計方法中，通常采用壓實度來評價壓實效果，比較各種成型方式之間的差異。然而壓實度只是一個統(tǒng)計概念下的平均數(shù)值，無法用來精確地分析壓實過程中粗集料顆粒的排列狀況。瀝青混合料的壓實過程是粗集料顆粒在壓力作用下緊密排列的過程，機(jī)械的壓實作用改變了粗集料顆粒在瀝青混合料中的姿態(tài)，產(chǎn)生剛體平移或空間轉(zhuǎn)動，最終按照一定的方式嵌擠、堆積在一起，或者懸浮在瀝青砂漿中。由于粗集料顆粒多為長形顆粒，存在一個最長的“主軸”，因而主軸方向是描述其空間姿態(tài)的一個重要參數(shù)。對粗集料顆粒的主軸方向分布進(jìn)行統(tǒng)計分析是研究壓實過程中瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的重要方法。

對大多數(shù)成型方式而言，壓實作用力的方向與試件的縱截面方向相同，所以，對縱截面上粗集料顆粒的主軸方向分布狀況進(jìn)行研究更有意義。在本發(fā)明中，粗集料顆粒的主軸方向角定義為從水平方向到其主軸方向的銳角，如圖4所示，利用Matlab可識別出粗集料顆粒的主軸方向。計算出某一試件所有縱截面上粗集料顆粒的主軸方向角后，根據(jù)公式(5-10)和(5-11)可分別計算出粗集料顆粒的平均主軸方向角和主軸方向集中程度，從而對瀝青混合料的壓實效果進(jìn)行分析和評價。

其中：——第n個粗集料顆粒的主軸方向角；

N——所有縱截面上粗集料顆粒的數(shù)量；

θ——粗集料顆粒的平均主軸方向角；

Δ——粗集料顆粒的主軸方向集中程度。

計算結(jié)果分析

為了分析不同粒徑范圍的粗集料顆粒的主軸方向分布狀況，首先將冷再生試件所有縱截面CT掃描圖像中的粗集料顆粒進(jìn)行分檔，然后再用前文所述的方法計算每一檔粗集料顆粒的平均主軸方向角θ和主軸方向集中程度Δ?？紤]排除級配對粗集料顆粒主軸方向分布的影響，本發(fā)明僅對CIR-20級配的三個冷再生試件進(jìn)行分析，不同粒徑范圍的粗集料顆粒的平均主軸方向角和主軸方向集中程度如圖5和6所示。

從圖5和6中可以看到，對于旋轉(zhuǎn)試件，不同粒徑范圍的粗集料顆粒的平均主軸方向角差別不大，在35°-42°之間波動，其中，粒徑在19.0mm-26.5mm范圍內(nèi)的粗集料顆粒有最大的平均主軸方向角。除了4.75mm-9.5mm這一粒徑范圍，其余粗集料顆粒的平均主軸方向角都是三個冷再生試件中的最小值。從主軸方向集中程度來看，隨著粒徑從2.36mm增大到26.5mm，粗集料顆粒的主軸方向集中程度越來越高，Δ值從19％增大到42％，并且都是三個冷再生試件中的最大值。這說明旋轉(zhuǎn)壓實對粗集料顆粒在乳化瀝青冷再生混合料中的姿態(tài)有較大的影響，能夠使粗集料顆粒得到較好的排列和分布，同時也說明粒徑較大的粗集料顆粒更容易受到壓實作用。旋轉(zhuǎn)壓實是以一定的角度(1.25°)一邊對瀝青混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)揉搓，一邊進(jìn)行軸向壓縮壓密，能夠充分帶動集料顆粒進(jìn)行剛體平移和空間轉(zhuǎn)動，促使集料顆粒形成相互嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，較好地模擬了實際路面碾壓過程中鋼輪和膠輪對瀝青混合料的壓實作用。

對于馬歇爾試件，每個粒徑范圍的粗集料顆粒的平均主軸方向角都與旋轉(zhuǎn)試件差別不大，與旋轉(zhuǎn)試件相同，粒徑在19.0mm-26.5mm范圍內(nèi)的粗集料顆粒有最大的平均主軸方向角。隨粒徑的增大，粗集料顆粒的主軸方向集中程度也呈升高的趨勢，但Δ值沒有旋轉(zhuǎn)試件大，變化的程度也不如旋轉(zhuǎn)試件。這說明馬歇爾擊實對粗集料顆粒的姿態(tài)有一定的影響，但不及旋轉(zhuǎn)壓實。馬歇爾擊實是將一定質(zhì)量的重錘從一定的高度自由下落，通過對瀝青混合料進(jìn)行一定次數(shù)的擊實來使其得到壓密。粗集料顆粒在重錘的擊實作用下僅受到垂直力的作用，在壓實初期，粗集料顆粒大多進(jìn)行剛體豎向平移，當(dāng)粗集料顆粒之間相互接觸時才會產(chǎn)生空間轉(zhuǎn)動。

靜壓試件的平均主軸方向角在43°-60°之間，除了13.2mm-19.0mm這一粒徑范圍，其余粗集料顆粒的平均主軸方向角都大于馬歇爾試件和旋轉(zhuǎn)試件。其中，粒徑在19mm-26.5mm范圍內(nèi)的粗集料顆粒具有較高的平均主軸方向角(60°)。靜壓試件中粗集料顆粒的主軸方向集中程度最低，但依然呈現(xiàn)隨粒徑增大而上升的趨勢。靜壓是在一定時間內(nèi)將瀝青混合料壓縮到一定的高度，與馬歇爾擊實和旋轉(zhuǎn)壓實相比，其壓實作用的方式比較單一，因此對粗集料顆粒姿態(tài)的影響也是最小的。

粗集料顆粒的形狀特性的分析方法：

粗集料顆粒的形狀特性可用三個不同層次的特征來描述：形狀、棱角和表面紋理。如圖7所示，按照從大到小的分析尺度，第一個層次的特征是形狀，反映了粗集料顆粒的整體形狀；第二個層次的特征是棱角，反映了粗集料顆粒表面的局部突變特征；第三個層次的特征是表面紋理，反映了粗集料顆粒表面的細(xì)節(jié)變化特征。每個層次的特征相互獨(dú)立，對瀝青混合料性能的影響也不盡相同。

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)可分別用扁平比FER(Flat and Elongated Ratio)、棱角性指數(shù)AI(Angularity Index)和表面紋理指數(shù)STI(Surface Texture Index)三個指標(biāo)來對上述三個層次的形狀特征進(jìn)行量化。將這三個指標(biāo)應(yīng)用于CT掃描圖像中，需要對算法進(jìn)行改進(jìn)，具體方法為：

扁平比FER定義為粗集料顆粒的長軸長度與垂直短軸長度之比。粗集料顆粒大多呈橢球形，用扁平比可描述粗集料顆粒的整體形狀。首先，根據(jù)公式(5-12)計算某一試件所有斷面上每個粗集料顆粒的扁平比，然后根據(jù)公式(5-13)對每個粗集料顆粒的扁平比求加權(quán)平均值，最終得到該試件中粗集料顆粒的扁平比。

其中：——第n個粗集料顆粒的長軸長度；

Minor axis lengthn——第n個粗集料顆粒的短軸長度；

——第n個粗集料顆粒的扁平比；

Arean——第n個粗集料顆粒的面積；

N——所有斷面上粗集料顆粒的數(shù)量；

FER——該試件中粗集料顆粒的扁平比。

跟蹤粗集料顆粒圖像的輪廓，根據(jù)輪廓斜率變化程度的大小可識別出粗集料顆粒表面的棱角。具體做法為：首先，識別出粗集料顆粒的輪廓，用等邊的內(nèi)接n邊形來擬合輪廓，并計算出此n邊形中每個內(nèi)角的角度；然后，以其中的某個內(nèi)角為起點(diǎn)，按順時針方向計算相鄰下一個內(nèi)角的角度變化(用相鄰下一個內(nèi)角的角度減去上一個內(nèi)角的角度)，進(jìn)而得到所有內(nèi)角的角度變化；最后，以10°為間隔統(tǒng)計所有內(nèi)角的角度變化頻數(shù)分布，統(tǒng)計范圍為0°-180°(角度變化的范圍為-360°-360°，其中，在0°-180°之間的屬于棱角)。內(nèi)角的角度變化大小和對應(yīng)的頻數(shù)大小共同反映了粗集料顆粒棱角性的高低。某一試件中粗集料顆粒棱角性指數(shù)AI的計算公式如下：

其中：e——每個統(tǒng)計區(qū)間的起始角度值(從0到170，取值間隔為10)；

P(e)——角度變化大小在e到(e+10)之間的頻數(shù)；

AIn——第n個粗集料顆粒的棱角性指數(shù)；

Arean——第n個粗集料顆粒的面積；

N——所有斷面上粗集料顆粒的數(shù)量；

AI——該試件中粗集料顆粒的棱角性指數(shù)。

圖像形態(tài)學(xué)中的腐蝕-膨脹操作能夠去除粗集料顆粒輪廓上粗糙的細(xì)小突起和尖角，使得粗集料顆粒的表面變得光滑，同時不對其他形狀特征造成影響。通過對比腐蝕-膨脹操作前后粗集料顆粒圖像面積的變化大小，可對粗集料顆粒表面的粗糙程度進(jìn)行量化。表面紋理指數(shù)STI就是根據(jù)這一理念來定義的，具體的計算公式如下：

其中：——第n個粗集料顆粒的原面積

——第n個粗集料顆粒經(jīng)過若干次腐蝕-膨脹后的面積；

STIn——第n個粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)；

Arean——第n個粗集料顆粒的面積；

N——所有斷面上粗集料顆粒的數(shù)量；

STI——該試件中粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)。

計算結(jié)果分析

將12個CIR試件和3個AC試件的所有橫截面粗集料顆粒圖像進(jìn)行分檔，計算每一檔粗集料顆粒的扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI。為了方便對比分析，將冷料和熱料中最大公稱粒徑相同的級配放在一起。同時，考慮到成型方式只對粗集料顆粒在混合料中的姿態(tài)有影響，對其本身的形狀特性基本沒有影響，為了充分利用數(shù)據(jù)，本發(fā)明對同一級配的3個CIR試件的計算結(jié)果求平均值，作為該級配的最終結(jié)果。另外，由于CIR-25A級配中摻加了新集料，與其他100％利用舊料的級配有較大的差異，本發(fā)明將其單獨(dú)列出。冷料與熱料不同粒徑范圍的粗集料顆粒的形狀特性指標(biāo)計算結(jié)果見表5-3-5。

表5-3不同粒徑范圍(mm)的粗集料顆粒的扁平比FER計算結(jié)果

表5-4不同粒徑范圍(mm)的粗集料顆粒的棱角性指數(shù)AI計算結(jié)果

表5-5不同粒徑范圍(mm)的粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI計算結(jié)果

從表5-3中的數(shù)據(jù)可知，冷料中不同粒徑范圍的粗集料顆粒的扁平比FER都小于2.00，熱料中除了部分情況，其余粗集料顆粒的扁平比FER也都小于2.00，但所有粒徑范圍的粗集料顆粒的扁平比FER都比冷料中的粗集料顆粒大。隨著粒徑逐漸增大，除了CIR-25A級配，冷料中其余粗集料顆粒的扁平比FER呈減小趨勢，但是在熱料中沒有發(fā)現(xiàn)此規(guī)律。CIR-13、CIR-20和CIR-25三個級配之間粗集料顆粒的扁平比FER沒有明顯的差異規(guī)律可循，而對于CIR-25A級配，粒徑在19.0mm以下的粗集料顆粒的扁平比FER與CIR-25級配相近，粒徑在19.0mm以上的粗集料顆粒的扁平比FER卻比CIR-25級配大，這可能是因為摻加的新集料具有較大的扁平比，從而增大了CIR-25A級配中粒徑在19.0mm以上的粗集料顆粒的扁平比FER。

表5-4中的數(shù)據(jù)顯示，冷料中不同粒徑范圍的粗集料顆粒的棱角性指數(shù)AI基本都比熱料中的粗集料顆粒大，這一現(xiàn)象說明經(jīng)過長期的路用和外界環(huán)境的作用，以及銑刨再生過程中的機(jī)械作用，舊料顆粒出現(xiàn)了新的破裂面，顆粒表面的棱角數(shù)量增多，棱角性增大。隨著粒徑的增大，冷料和熱料中粗集料顆粒的棱角性指數(shù)AI也呈增大的趨勢，說明粒徑較大的粗集料顆粒具有更多的棱角，有利于集料顆粒之間嵌擠骨架結(jié)構(gòu)的形成。

從表5-5中可以看到，冷料與熱料中粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI在三個顆粒形狀特性指標(biāo)中表現(xiàn)出最大的差異。除了CIR-25A級配，冷料中其余粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI都在1.56～2.46之間，與之差異較大的是，熱料中粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI在2.55～3.75之間。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，是由于集料顆粒經(jīng)過長期的路用和環(huán)境作用之后，表面被磨平和磨光，表面紋理減少，使得冷料中粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI比熱料中的粗集料顆粒小。隨著粒徑的增大，冷料和熱料中粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI沒有明顯的變化規(guī)律。對于CIR-25A級配，粒徑在19.0mm以上的粗集料顆粒的表面紋理指數(shù)STI比CIR-25級配高出很多，說明新集料的摻加不僅能夠調(diào)整冷再生混合料的級配，而且還能夠改善粗集料顆粒的表面紋理狀況，增強(qiáng)乳化瀝青與集料顆粒之間的吸附作用。

本發(fā)明針對乳化瀝青冷再生混合料中的粗集料顆粒展開了一系列研究?；贑T掃描試驗獲得的粗集料顆粒圖像，分析了乳化瀝青冷再生混合料中粗集料的空間分布和顆粒主軸方向分布狀況，評價了不同成型方式和不同級配的冷再生試件的均勻性，以及不同成型方式的壓實效果，通過計算粗集料顆粒的扁平比FER、棱角性指數(shù)AI和表面紋理指數(shù)STI三個指標(biāo)，對比了冷料與熱料中粗集料顆粒的形狀特性。主要結(jié)論如下：

(1)級配對乳化瀝青冷再生混合料的均勻性有極顯著的影響，級配越粗，混合料的均勻性越差，摻加粒徑較大的新集料也會降低混合料的均勻性。

(2)成型方式對乳化瀝青冷再生混合料的均勻性有顯著的影響，主要體現(xiàn)在級配較粗的情況下。旋轉(zhuǎn)壓實、馬歇爾擊實和靜壓三種成型方式中，旋轉(zhuǎn)壓實能夠使得混合料分布較為均勻，是一種較好的成型方式。

(3)旋轉(zhuǎn)壓實能夠使得乳化瀝青冷再生混合料中的粗集料顆粒得到較好的排列和分布，壓實后粗集料顆粒的主軸方向角較小，并且主軸方向的集中程度較高，壓實的效果較好。馬歇爾擊實的壓實效果為其次，靜壓的壓實效果較差。

(4)冷料中舊料顆粒的扁平比FER在2.00以下，比熱料中的粗集料顆粒小。經(jīng)過長期的使用和銑刨再生過程中的機(jī)械作用，舊料顆粒出現(xiàn)了新的破裂面，棱角性增大，棱角性指數(shù)AI比熱料中的粗集料顆粒大，但是顆粒表面被磨光，表面紋理減少，表面紋理指數(shù)STI比熱料中的粗集料顆粒小。

(5)新集料的摻加不僅能夠調(diào)整乳化瀝青冷再生混合料的級配，而且還能改善舊料顆粒的表面紋理狀況。

本發(fā)明研究的三個發(fā)明點(diǎn)：

1.空間分布，本發(fā)明是在原始算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，通過分檔，建坐標(biāo)系，計算每個區(qū)域，進(jìn)而計算均勻性指標(biāo)，并引入權(quán)重系數(shù)，區(qū)分不同粒徑范圍的顆粒在某一指標(biāo)中所占的比重。最終得到的結(jié)論是：本發(fā)明所用均勻性指標(biāo)能夠有效反應(yīng)均勻性實際狀況。該方法計算準(zhǔn)確性高，科學(xué)合理。

目前，已有一些文獻(xiàn)利用CT掃描和數(shù)字圖像處理技術(shù)來分析普通瀝青混合料中粗集料的分布情況，但是本發(fā)明針對乳化瀝青冷再生混合料的特點(diǎn)，通過虛擬篩分的方法，將粗集料分檔后進(jìn)行均與性的計算，并且綜合考慮粗集料的位置和數(shù)量兩個方面的分布情況，提出綜合性的均勻性指標(biāo)。由于乳化瀝青冷再生混合料的骨架結(jié)構(gòu)是由舊料顆粒構(gòu)成，壓實后分布特點(diǎn)與普通瀝青混合料有較大差異，所以采用該方法更能體現(xiàn)乳化瀝青冷再生混合料的粗集料特征。

為了研究乳化瀝青粗集料特征，作為一個完整的分析，加進(jìn)了主軸方向分布的計算，但是研究內(nèi)容和結(jié)論都是創(chuàng)新的，對乳化瀝青冷再生混合料的三種壓實方法進(jìn)行了評價，發(fā)現(xiàn)了三種壓實方法對于粗集料主軸分布的影響，并且這里也采用了分檔后的粗集料計算，具有更加精確的表述。

3.粗集料形狀特性：本發(fā)明使用了改進(jìn)算法，對FER，AI，STI三個指標(biāo)進(jìn)行計算。

采用傳統(tǒng)方法對瀝青混合料的粗集料形狀特征進(jìn)行分析，都是在瀝青混合料成型之前，無法對成型后的瀝青混合料內(nèi)部的粗集料進(jìn)行統(tǒng)計分析。而乳化瀝青冷再生混合料是由舊料顆粒構(gòu)成，無法對成型前的粗集料顆粒形狀做出準(zhǔn)確分析，只能分析成型后的乳化瀝青冷再生混合料試件中的粗集料形狀特征。而本發(fā)明的方法，是借助CT掃描和圖像處理計算方法，排除了已有困難，考慮傳統(tǒng)方法對FER，AI，STI三個指標(biāo)的定義，給出了數(shù)字圖像處理中的算法，實現(xiàn)了對乳化瀝青冷再生混合料的粗集料的形狀特征分析。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。