本發(fā)明屬于道路材料測(cè)試
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種試件空隙的測(cè)試，具體涉及一種基于X-rayCT技術(shù)測(cè)定試件空隙率和空隙分布的方法。
背景技術(shù)：
：瀝青混合料一般由礦質(zhì)集料、瀝青結(jié)合料、填料和添加劑組成。由于礦質(zhì)集料形態(tài)的不規(guī)則性，壓實(shí)成型的瀝青混凝土往往包含著一定數(shù)量的空隙。空隙率和空隙分布是瀝青混合料的重要體積參數(shù)，與瀝青混合料的路用性能有著直接關(guān)系。瀝青混合料空隙率的大小直接影響路面的排水效果，對(duì)于常見的密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土AC(AsphaltConcrete)而言，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)要求其空隙率控制在2％～6％之間。相關(guān)學(xué)術(shù)研究表明，7％～8％的空隙率不利于雨水在路面空隙結(jié)構(gòu)中迅速排出。路面瀝青混合料空隙空間分布及其空隙連通性對(duì)路面的傳熱能力也有一定影響，進(jìn)一步影響路面在高溫條件下剪切壓實(shí)的抗變形能力。瀝青混合料空隙空間分布影響瀝青混合料的力學(xué)性能。瀝青混合料在一定外力加載條件下，集料骨架的接觸特征決定力鏈的分布，力鏈的分布與空隙分布存在一定的關(guān)聯(lián)性，因此，研究瀝青混合料試件空隙空間分布有利于分析試件的力學(xué)特性，進(jìn)而科學(xué)地評(píng)價(jià)瀝青混合料的力學(xué)性能。當(dāng)前，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)，測(cè)定瀝青混合料的空隙率主要采用試件的毛體積相對(duì)密度與最大理論相對(duì)密度的比值來(lái)計(jì)算空隙率。瀝青混合料屬于復(fù)合材料，由于材料狀態(tài)和測(cè)定條件的不同，計(jì)算用的體積所考慮的集料內(nèi)部的孔隙及集料間的空隙情況不同，使得計(jì)算的毛體積相對(duì)密度有所不同，進(jìn)一步致使瀝青混合料的空隙率因測(cè)試方法的不同而有所差異。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種測(cè)定試件空隙率與空隙分布的方法，這種方法對(duì)試件不會(huì)造成損害，試件可用于后續(xù)的力學(xué)試驗(yàn)分析，便于建立試件的體積參數(shù)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，為評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)高性能道路材料提供技術(shù)支持和理論參考。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種試件預(yù)處理方法，本方法所述試件用于測(cè)定多孔道路混合料的空隙率或空隙分布，包括試件準(zhǔn)備，所述試件準(zhǔn)備包括制作圓柱體試件，所述試件預(yù)處理方法還包括涂層處理，所述涂層處理包括依次在試件表面貼錫箔膠帶、貼橡皮膏、涂布水泥凈漿。所述橡皮膏為棉布基材。所述試件準(zhǔn)備還包括對(duì)試件的兩端進(jìn)行整平處理和試件干燥處理。所述涂布水泥凈漿為分次涂布，水泥凈漿的厚度為1～3mm。一種測(cè)定試件空隙率和空隙分布的方法，包括如下步驟，(1)按上述方法進(jìn)行試件預(yù)處理；(2)采用X-rayCT技術(shù)掃描預(yù)處理后的試件，得到試件各個(gè)斷面上X-ray的線衰減系數(shù)分布，根據(jù)線衰減系數(shù)分布采用反投影算法進(jìn)行圖像重建，得到多個(gè)試件斷面圖像；(3)選定某個(gè)試件斷面圖像，得到所有空隙對(duì)應(yīng)的相對(duì)空間坐標(biāo)；(4)計(jì)算出所述試件斷面圖像中所有空隙的體積比，即得到所述試件斷面圖像的空隙率，依次計(jì)算所有試件斷面圖像的空隙率，取平均值即得試件空隙率；(5)按豎向和徑向?qū)υ嚰w進(jìn)行多個(gè)空間區(qū)域劃分，得到每個(gè)空間區(qū)域的位置坐標(biāo)，根據(jù)所有空隙對(duì)應(yīng)的相對(duì)空間坐標(biāo)對(duì)試件的多個(gè)空間區(qū)域進(jìn)行篩選，得到包含空隙的試件空間區(qū)域，根據(jù)試件空間區(qū)域的位置坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)出試件的空隙分布。步驟(2)中采用X-rayCT技術(shù)掃描試件時(shí)使X射線呈錐束狀放射穿透試件，步驟(2)中采用X-rayCT技術(shù)掃描試件時(shí)掃描時(shí)間小于80％，對(duì)比度不低于3000。本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明的試件預(yù)處理方法，可以將未封閉的試件空隙經(jīng)處理后變成封閉空隙，用于X-rayCT技術(shù)掃描等，可提高空隙率計(jì)算精度。(2)本發(fā)明可以用于測(cè)定水泥混凝土試件、瀝青混合料試件等其他多孔道路材料試件的空隙率和空隙分布，應(yīng)用廣；空隙空間分布包括豎向分布、徑向分布和空隙級(jí)配，更直觀。(3)本發(fā)明對(duì)試件本身不會(huì)產(chǎn)生損害，為分析試件的體積特征與力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性提供了一種可行的科學(xué)方法。附圖說(shuō)明圖1是瀝青混合料試件掃描示意圖；圖2是經(jīng)涂層處理的瀝青混合料試件斷面圖；圖3是試件的三維重構(gòu)模型；圖4是試件立面的二維切片圖像；圖5是試件側(cè)面的二維切片圖像；圖6是試件中空隙的體積大小和位置坐標(biāo)信息(原始數(shù)據(jù)示例)圖7是瀝青混合料試件徑向分區(qū)示意圖；圖8是瀝青混合料試件豎向分區(qū)示意圖；圖9是4.75mm粒徑的礦質(zhì)集料顆粒形態(tài)示意圖；圖10是實(shí)施例2瀝青混合料試件空隙在徑向的空間分布；圖11是實(shí)施例2瀝青混合料試件空隙在豎向的空間分布。圖中各標(biāo)號(hào)的含義為：1-水泥凈漿；2-橡皮膏；3-錫箔膠帶；4-瀝青混合料試件；5-濾波片；6-X-ray靶頭；7-旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)；8-探測(cè)器；9-條狀4.75mm粒徑礦質(zhì)集料形態(tài)；10-4.75mm粒徑礦質(zhì)集料形態(tài)；41-瀝青混合料試件徑向分區(qū)外邊第一層；42-瀝青混合料試件徑向分區(qū)外邊第二層；43-瀝青混合料試件徑向分區(qū)外邊第三層；44-瀝青混合料試件徑向分區(qū)外邊第四層；45-瀝青混合料試件徑向分區(qū)外邊第五層；401-豎向分區(qū)第一層；402-豎向分區(qū)第二層；403-豎向分區(qū)第三層；404-豎向分區(qū)第四層；405-豎向分區(qū)第五層；406-豎向分區(qū)第六層；407-豎向分區(qū)第7層；408-豎向分區(qū)第八層；409-豎向分區(qū)第九層；4010-豎向分區(qū)第十層。具體實(shí)施方式以下是發(fā)明人提供的具體實(shí)施例，需要說(shuō)明的是，該實(shí)施例是用以對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于該實(shí)施例。X-rayCT技術(shù)根據(jù)X射線的衰減規(guī)律進(jìn)行成像。瀝青混合料試件是非均質(zhì)材料，X射線在穿透試件中不同質(zhì)材料時(shí)，其衰減系數(shù)有所差異。X-rayCT以級(jí)聯(lián)的形式表征X射線入射強(qiáng)度與出射強(qiáng)度之間的關(guān)系，計(jì)算公式見式1。式中：I為X射線出射強(qiáng)度；I0為X射線出射強(qiáng)度；μ為材料的線衰減系數(shù)；△x為材料的厚度。由于X射線入射強(qiáng)度和出射強(qiáng)度都是可以實(shí)際測(cè)量的物理量,因此，它們比值的負(fù)自然對(duì)數(shù)容易計(jì)算得到，見公式2。式中：n為級(jí)聯(lián)的單元數(shù)。計(jì)算得到的p值稱為X射線穿透物體后的投影數(shù)據(jù)。X-rayCT計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)際測(cè)量的投影數(shù)據(jù)計(jì)算掃描試件各個(gè)斷面上對(duì)于X射線的線衰減系數(shù)分布。最后，采用反投影算法進(jìn)行圖像重建，得到不重疊的樣本斷層圖像。選定瀝青混合料試件的計(jì)算空間區(qū)域(例如，將瀝青混合料試件沿徑向等體積和豎向等體積劃分，或者也可按照需要將瀝青混合料試件在徑向或豎向等間距劃分)，本方法將瀝青混合料試件中的空隙定義為“缺陷”，對(duì)選定空間區(qū)域進(jìn)行缺陷計(jì)算，可知“缺陷”在試件選定空間區(qū)域所占據(jù)的比例，即空隙率。每一個(gè)“缺陷”有對(duì)應(yīng)的相對(duì)空間坐標(biāo)，對(duì)特定空間區(qū)域的“缺陷”徑向篩選統(tǒng)計(jì)，一般按豎向和徑向?qū)r青混合料試件進(jìn)行空間區(qū)域劃分，各個(gè)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)“缺陷”即為試件的空隙分布。進(jìn)一步地，也可對(duì)任意劃分區(qū)域的“缺陷”按照其體積大小進(jìn)行空隙級(jí)配分析。實(shí)施例1：本實(shí)施例提供一種試件預(yù)處理方法，以瀝青混合料試件為例，本實(shí)施例所述試件用于測(cè)定多孔道路混合料的空隙率或空隙分布，包括以下步驟：(1)試件準(zhǔn)備。首先，利用瀝青混合料馬歇爾擊實(shí)儀或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型儀制作圓柱體的瀝青混合料試件，也可利用取芯機(jī)從瀝青混合料試板上或者路面現(xiàn)場(chǎng)就地轉(zhuǎn)取圓柱體試件。然后，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)圓柱體試件的兩端進(jìn)行整平處理。最后，將試件放置在干燥箱中使其水分充分揮發(fā)。(2)涂層處理。第一步，在瀝青混合料試件表面貼上一層錫箔膠帶，以防止瀝青混合料試件表面的空隙被堵塞，同時(shí)將試件表面的開口空隙封閉形成閉口空隙。第二步，在試件表面貼上棉布基材的橡皮膏(錫箔膠帶和棉布基材的橡皮膏直接在淘寶頁(yè)面搜索購(gòu)買即可)，創(chuàng)造良好的粘附條件。第三步，根據(jù)實(shí)際的環(huán)境溫度和水泥凈漿的凝固時(shí)間分次將水泥凈漿均勻地涂抹在橡皮膏表面，確保水泥凈漿的厚度達(dá)到1～3mm，形成便于X-rayCT識(shí)別的水泥薄膜層。經(jīng)過(guò)本實(shí)施例處理后的瀝青混合料試件，可測(cè)出瀝青混合料試件的內(nèi)部空隙和部分細(xì)小的閉口空隙，試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。實(shí)施例2：本實(shí)施例通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合附圖1-8對(duì)本發(fā)明做具體說(shuō)明。本實(shí)施例選用石灰?guī)r作為礦質(zhì)集料，其級(jí)配(AC-13)見表1.使用針入度為70#的道路石油瀝青作為結(jié)合料，按照4.5％的油石比，利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型儀成型直徑100mm的瀝青混合料試件，其中控制壓實(shí)力為600KN,壓實(shí)次數(shù)為80次，壓實(shí)溫度為135℃。表1.AC-13的集料級(jí)配為了深入驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性和靈敏性，對(duì)4.75mm的關(guān)鍵集料進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將含有條狀集料的瀝青混合料試件定義為A，將含有圓狀集料的瀝青混合料試件定義為B。包括如下步驟：(1)試件準(zhǔn)備：如圖1-2，將成型的瀝青混合料試件4放置在室溫干燥條件下放置24小時(shí)，待其完全冷凝成型。然后，在瀝青混合料試件4的表面密實(shí)貼上錫箔膠帶3，使瀝青混合料4表面的開口空隙變?yōu)榉忾]空隙，便于“缺陷”識(shí)別。使用棉布基材的橡皮膏2貼在錫箔膠帶3表面，對(duì)于瀝青混合料試件4的頂面和底面尤其注意橡皮膏2的粘貼平整性。根據(jù)水泥的特性，調(diào)整水泥凈漿1的水灰比，使的水泥凈漿1在確保粘附性能的前提下具備良好的流動(dòng)性能。使用柔軟毛刷蘸取水泥凈漿1在橡皮膏表面均勻涂刷，先刷瀝青混合料試件4的側(cè)面和頂面，待涂刷的水泥凈漿1凝固后，將瀝青混合料試件4倒立過(guò)來(lái)，使用柔軟毛刷蘸取水泥凈漿1對(duì)瀝青混合料試件4的側(cè)面和另一頂面。如上述過(guò)程重復(fù)涂刷水泥凈漿1，直至水泥凈漿1凝固后的總厚度達(dá)到1-3mm。(2)將瀝青混合料試件4放置在X-rayCT設(shè)備的旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)7中心位置，開啟靶頭6的射線，使其以一定的入射強(qiáng)度呈錐束狀放射穿透瀝青混合料試件，掃描時(shí)間不要超過(guò)80％，對(duì)比度不低于3000。射線透過(guò)濾波片5穿透瀝青混合料試件4后，探測(cè)器8接受衰減的射線并將強(qiáng)度信號(hào)傳送給X-rayCT設(shè)備的主機(jī)分析系統(tǒng)，主機(jī)分析系統(tǒng)會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)得到試件的各個(gè)斷面上X-ray的線衰減系數(shù)，根據(jù)線衰減系數(shù)分布采用反投影算法進(jìn)行圖像重建，得到多個(gè)試件斷面圖像。在CT成像過(guò)程中，線衰減系數(shù)大致與物理密度成正比，成像函數(shù)即是線衰減系數(shù)的分布，由線衰減系數(shù)的分布根據(jù)反投影算法重建圖像屬于很成熟的技術(shù)，此處不贅述。(3)選定試件任意斷面圖像，采用三維可視化軟件VGStudioMAX2.0，得到斷面上所有空隙對(duì)應(yīng)的相對(duì)空間坐標(biāo)，以xyz形式表示(圖3、6)。(4)采用三維可視化軟件VGStudioMAX2.0，獲得瀝青混合料試件正面、側(cè)面、立面三個(gè)正交角度的不同斷層的二維切片圖像，如圖4、5。通過(guò)切片的圖像處理得到試件中空隙的體積大小和相對(duì)空間坐標(biāo)，如圖6(原始數(shù)據(jù)示例)，得到的試件的空隙率見表2。步驟(3)和(4)涉及相對(duì)空間坐標(biāo)獲得和空隙的體積大小的計(jì)算均可通過(guò)三維可視化軟件VGStudioMAX2.0得到，屬于常規(guī)做法，此處不詳述。(5)將瀝青混合料試件4沿徑向等體積分為5個(gè)空間區(qū)域，豎向等體積分為10個(gè)空間區(qū)域，數(shù)據(jù)豎向劃分用于分析空隙在試件內(nèi)部延豎向的分布情況，數(shù)據(jù)徑向劃分用于分析空隙延試件徑向由中心向邊緣的分布情況，得到每個(gè)空間區(qū)域的位置坐標(biāo)，此處空間區(qū)域的位置坐標(biāo)指的是包含空隙的空間區(qū)域在徑向5個(gè)空間區(qū)域和豎向10個(gè)空間區(qū)域中的位置，徑向的位置以41、42直至45表示，豎向以401、402直至410表示，如圖7、8。本實(shí)施例豎向劃分通過(guò)將Z坐標(biāo)按高度大小分為10份實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施例徑向劃分按直徑通過(guò)對(duì)試件上下圓底面半徑進(jìn)行等分，將試件分為5個(gè)空間區(qū)域，并統(tǒng)計(jì)5個(gè)區(qū)域中的空隙分布情況。采用MATLAB，通過(guò)sqrt()命令計(jì)算上下圓底面半徑，然后對(duì)所得半徑5等份，通過(guò)5等份半徑將試件劃分為5個(gè)區(qū)域。計(jì)算各空隙與圓心的距離，然后確定各空隙所屬區(qū)域位置坐標(biāo)，MATLAB函數(shù)可直接對(duì)不包含空隙的區(qū)域進(jìn)行篩選過(guò)濾，得到包含空隙的試件空間區(qū)域，使用plot()繪出按豎向和徑向的空隙分布情況圖，見圖10、11，用于直觀分析空隙的空間分布。表2.瀝青混合料試件A和B的空隙率試件類別本發(fā)明方法測(cè)定空隙率(％)對(duì)比例(水中重法實(shí)測(cè)空隙率)(％)A6.806.32B7.477.09表2表明，本發(fā)明方法測(cè)定的空隙率與水中重發(fā)實(shí)測(cè)孔隙率較為接近，前者數(shù)值略高說(shuō)明本發(fā)明方法可測(cè)出瀝青混合料試件4的內(nèi)部空隙和部分細(xì)小的閉口空隙，試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。另外，由于4.75mm關(guān)鍵顆粒形態(tài)的差異(圖9)，本發(fā)明與水中重發(fā)測(cè)定的B的空隙率均稍高于A的孔隙率，再次驗(yàn)證了本發(fā)明的可靠性和可行性。瀝青混合料試件A和B的空隙率在徑向上的空間分布如圖10所示，不同區(qū)域的孔隙率由外到內(nèi)大致呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律性變化趨勢(shì)。瀝青混合料試件A和B的空隙率在豎向上的空間分布如圖11所示，此數(shù)據(jù)可用于分析瀝青混合料試件4的體積參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響。本方法基于X-rayCT掃描技術(shù)獲取試件的切面斷層圖像，通過(guò)試件的切面斷層圖像的圖像處理得到試件中空隙的體積大小和位置坐標(biāo)。利用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)所得到的空隙位置坐標(biāo)進(jìn)行篩選、統(tǒng)計(jì)，從而得到空隙在試件中的空間分布。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3