基于二维数字图像统计特性的沥青混合料体积组成研究

数字图像处理技术出现于20世纪60年代，经过几十年的发展，现已基本成熟完善。随着计算机技术的迅猛发展，数字图像处理技术在各个研究领域都得到推广。它的出现，为沥青混合料的研究提供了新的途径。本论文利用工业CT技术，并基于对二维数字图像统计特性的分析，对沥青混合料的体积组成进行了研究。 二维断层图像表达了某一截面的信息。但是，仅由二维断层图像人们很难建立起三维空间准确的立体形象和结构概念。为提高判别和仿真的准确性与科学性，需要建立混合料内部结构直观立体的效果，展现混合料的内部三维结构与形态。 应用工业CT对沥青混合料三维空间结构进行识别与分析，是沥青混合料研究领域的一大进步。使用德国YXLON公司生产的Compact-225型工业CT扫描了沥青混合料试件，采用机器配置的图像处理软件VGStudio MAX 2.0重建并分析了试件内部结构，测量了体积参数，并对沥青混合料内部的空隙分布特性做了初步研究。 直接开展沥青砂胶和集料颗粒三维特性研究还存在集料颗粒复原困难、图像重建和逆向工程等问题。而从理论上和技术上都说明，采用统计方法是能够从批量二维图像的分析中反映或计算出三维实体信息的，方法也容易实现。本项目以二维断层图像或连续截面图像为研究对象，运用概率和统计学理论，通过分析工业CT扫描获得的空隙断层图像，提出一种将三维体研究转换为二维截面研究的体视学方法；进一步以计算粗集料骨架间隙率VCAmix的过程为例，将这种方法加以推广；另外通过把集料假设为球形，采用体视学方程由二维截面上的级配推导了沥青混合料的三维体积级配。最后，采用数字图像处理技术结合体视学方法，通过分析一定数量截面中粗集料的分布状态计算出粗集料在三维体积中的分布状态，为均匀性的研究提供定量评价指标。 本项目研究所取得的成果为沥青混合料数字图像处理技术由二维向三维过渡奠定了基础。 2100433B

二维数字图像处理技术不能够真实的反映沥青混合料内部的体积组成情况，直接开展三维数字图像处理还存在困难，而从理论上和技术上都说明，采用概率统计方法是能够从批量二维图像的分析中反映或计算出三维实体信息的。本项目拟采用工业CT获取大量的沥青混合料断层图像，通过对批量二维断层图像的分析，建立空隙、粗集料骨架间隙率VCAmix和集料颗粒等体积参数的体-面统计关系，运用概率统计方法，从二维截面图像信息推测三维体积组成信息；另外，将采用规则集料形状假设，由面积级配推导出沥青混合料三维体积级配，为级配获取提供一种全新、有效的方法；最后，针对以往研究中仅通过二维截面上集料分布状态反映试件整体均匀性的不足，以集料和空隙在三维体积中的分布状态作为均匀性的定量评价指标，建立一套沥青混合料均匀性评价的新方法，并对均匀性的影响因素及与路用性能关系展开研究。

传统的沥青混合料研究方法是从宏观角度进行唯象研究，以宏观力学指标作为设计检测的主要依据，但长期的实践经验表明，宏观力学指标的分析在一定程度上难以胜任复杂的沥青混合料力学行为的分析。因此，本研究从沥青混凝土的细观结构入手，利用细观力学的研究方法，对沥青混凝土材料及其力学性质的非均匀性加以分析，结合理论和试验成果建立真实的物理模型，对沥青混凝土材料的力学性能进行研究，从而揭示出沥青混合料细观力学变化引起的宏观响应，同时，真实反映出沥青混合料的受力传递机理和变形机理。具有重要的理论意义和工程应用价值。

疲劳破坏是沥青路面最主要的破坏形式之一，因此对其疲劳行为与机理的研究一直备受道路工作者的重视。申请人拟利用华南理工大学道路工程研究所MTS180万能试验机实现对沥青混合料的高频冲击加载，采用工业CT试验机，结合高速摄像技术，获取裂纹生成与扩展过程的三维图像，采用数字图像分析技术对图像进行定量分析。采用熵理论分析沥青路面（开放的非平衡状态系统）的熵流，以熵函数描述沥青混合料裂缝发生、扩展的过程，揭示沥青混合料疲劳行为的机理，分析计算外部因素与混合料内在因素对疲劳寿命的贡献率。提出了冲击韧性加速寿命试验方法，定量描述沥青混合料冲击韧性加速寿命试验结果的统计学规律。采用最大熵理论，结合不完全概率信息技术计算可靠度函数与失效率函数。建立基于熵理论的冲击韧性疲劳模型，并对该模型予以验证。基于熵理论的沥青混合料疲劳特性及其机理的研究将为沥青混合料的材料选择、配合比设计、路面结构设计等方面提供理论指导。 2100433B