一种油改性沥青与集料粘附性的评价方法与流程

1.本发明涉及一种评价方法，具体涉及一种油改性沥青与集料粘附性的评价方法。


背景技术：

2.影响沥青路面寿命的三大病害之一为水损害。沥青路面发生水损害后，将会引发多种病害，导致沥青路面内部结构严重受损，削弱了沥青路面的服务质量、缩短其使用寿命，同时也带来了巨大的经济损失。因此品质优良的沥青混合料应具有良好的抗水损害能力，如何准确确定沥青混合料的抗水损害能力的至关重要，经相关研究表明，影响沥青混合料抗水损害性能的主要因素之一就是沥青与集料之间粘附性，而目前对沥青与集料之间粘附性的评价仅停留在定性评价阶段，对油改性沥青与集料之间粘附性缺少实定量且准确的评价方法，导致对沥青混合料的抗水损害性能难以准确评估。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明公开了一种油改性沥青与集料粘附性的评价方法。
4.本发明所采用的技术方案为：
5.一种油改性沥青与集料粘附性的评价方法，选取至少两种集料试样，每种集料试样对应设置有一组沥青试样，每组沥青试样包括基质沥青试样和多种油改性沥青试样，将每种集料试样与其对应的一组沥青试样经过水煮操作后，进行沥青剥落指数和沥青剥落率的相关计算，根据计算结果评价油改性沥青与集料粘附性。
6.作为优选方案：将每种集料试样与其对应的一组沥青试样中基质沥青试样进行水煮操作，每种集料试样与每个油改性沥青试样进行水煮操作，水煮操作过程为：
7.步骤一：将所用集料洗净后放入100℃的烘箱中烘干11.5～12.5个小时；
8.步骤二：分别称取1kg集料和30g基质沥青，将称取完毕的1kg集料和30g基质沥青分别放入155℃的烘箱中恒温加热3小时；
9.步骤三：将步骤二加热后的30g基质沥青和1kg集料放入拌和锅中搅拌1.5～2.5分钟后形成基质沥青混合料试件；
10.步骤四：将步骤三搅拌完毕的基质沥青混合料试件放入145℃的烘箱中养生2小时；
11.步骤五：将步骤四养生结束的基质沥青混合料试件取出烘箱，使基质沥青混合料试件自然降温自室温；
12.步骤六：利用四分法在降至室温的基质沥青混合料试件中取出两份试样，每份试样质量为200g；
13.步骤七：将步骤六中的两份试样分别放入90℃的烘箱中恒温1小时后再将两份试样分别放入70～80℃微沸的水中，10分钟后将该两份试样取出，根据uni en 12697-11(2012)中规定的沥青裹覆率标准，观察两份试样，确定基质沥青混合料的沥青裹覆率；
14.按照上述步骤一至步骤七的操作将每种集料试样与其对应的一组沥青试样中每
种油改性沥青试样分别进行水煮操作，得出不同种油改性沥青混合料的沥青裹覆率。
15.作为优选方案：根据uni en 12697-11(2012)中规定的基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的沥青裹覆率，计算各剥落率条件下集料出现的频率，并绘制频率曲线，并分别计算基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的剥落指数si，从而定量评价基质沥青混合料以及不同种油改性沥青混合料的抗剥落性能，完成基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的剥落能力从强到弱的定量排列顺序，剥落指数si的计算公式(1)为：
[0016][0017]
上式中，n
i
为在m
i
剥落率条件下集料出现的频率。
[0018]
作为优选方案：根据基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的剥落能力从强到弱的定量排列顺序，利用公式(2)进行计算，得到不同岩性的集料、同种沥青的剥落指数变化率，从而定量评价岩性对沥青抗剥落能力的影响，公式(2)为：
[0019][0020]
上式中，si
g
为沥青与一种集料作用时的剥落指数；
[0021]
si
l
为沥青与另一种集料作用时的剥落指数；
[0022]
根据公式(2)得到每种集料与其对应设置的沥青试样中基质沥青试样和多种油改性沥青试样分别混合后形成的不同种沥青混合料的剥落指数变化率的定量对比结果；
[0023]
根据公式(2)还得到基质沥青试样和多种油改性沥青试样与不同集料混合后形成的剥落指数变化率的定量对比结果。
[0024]
作为优选方案：利用公式(2)进行计算，得到不同岩性、同种沥青的剥落指数变化率后绘制柱状图，从而完成不同岩性对沥青抗剥落的定量对比过程。
[0025]
作为优选方案：根据uni en 12697-11(2012)中规定的沥青裹覆率标准，利用数字图像处理方法实现对基质沥青混合料的沥青裹覆率的定量评价，数字图像处理方法的过程为：
[0026]
将水煮法操作后的多个试样分别摆放在扫描仪的扫描平台上进行逐一扫描，在每个试样扫描前，在每个试样的上方铺设纸张，然后进行扫描，利用数字图像处理程序对扫描图片进行处理，数字图像处理程序对扫描图片进行处理，计算获取沥青剥落率sr。
[0027]
根据公式(3)计算得到沥青剥落率sr，公式(3)为：
[0028][0029]
上式中，a为背景所占图像面积百分率；
[0030]
b为沥青所占图像面积百分率。
[0031]
将依据规范分级获得的沥青剥落指数si和利用数字图像处理法获得的沥青剥落率sr绘制线条图，利用绘制线条图定量评价沥青与集料间的粘附性。
[0032]
作为优选方案：当集料试样为两种时，两种集料试样分别为花岗岩和石灰岩。
[0033]
作为优选方案：每组沥青试样包括基质沥青试样和至少四种油改性沥青试样，当每组沥青试样包括四种油改性沥青试样时，四种油改性沥青试样分别为7％pp-3油改性沥青、6％bio-1油改性沥青、5％r-pe油改性沥青和5％r-bio油改性沥青。
[0034]
本发明的有益效果为：
[0035]
一、本发明为对油改性沥青与集料粘附性的定量评价过程，通过水煮法操作得到评价对象试样，利用公式计算获取沥青剥落指数和沥青剥落率的数值，绘制相关曲线图和柱状图实现直观展示，能够实现对不同油改性沥青与同一种集料之间粘附性的定量评价，同时还能够实现同一油改性沥青与不同集料之间粘附性的定量评价以及不同油改性沥青和不同集料之间粘附性的对比评价，评价方式多种，评价结果准确可靠，为沥青混合料抗水损害性能的评价提供有利数据基础。
[0036]
二、本发明操作流程合理且规范，减小评价结果的误差，评价方式快捷，评价效果直观、准确、客观且全面。
[0037]
三、本发明采用图像处理法评价沥青与集料间的粘附性，相比传统的水煮法通过肉眼观察来评价沥青的剥落率，省去对每一粒包裹有沥青的集料单独鉴别的耗时，还避免受人为主观因素影响。利用数字图像处理的方法不但可以客观的评价沥青的剥落程度，提高试验结果的可信度，还有利于不同实验室间的结果比较。
附图说明
[0038]
图1为uni en 12697-11(2012)中沥青裹覆率确定标准示意图；
[0039]
图2为花岗岩在各剥落率条件下的样品分布曲线图；
[0040]
图3为石灰岩在各剥落率条件下的样品分布曲线图；
[0041]
图4为各种沥青剥落指数汇总柱状图；
[0042]
图5为岩性与沥青剥落性能之间关系的柱状图；
[0043]
图6为水煮操作后试样的扫描示意图；
[0044]
图7为程序处理后的示意图；
[0045]
图8为数字图像处理流程框图；
[0046]
图9为规范法与图像法结果对比分析曲线图；
[0047]
图10为沥青剥落指数与沥青剥落率相关性分析曲线图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0049]
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式选取至少两种集料试样，每种集料试样对应设置有一组沥青试样，每组沥青试样包括基质沥青试样和多种油改性沥青试样，将每种集料试样与其对应的一组沥青试样经过水煮操作后，进行沥青剥落指数和沥青剥落率的相关计算，根据计算结果评价油
改性沥青与集料粘附性。
[0050]
进一步的，集料试样的种类个数为至少两个，目的是为了研究油改性沥青抗剥落性对岩性的敏感性，当集料试样的种类个数为两个时，两种集料试样优选为花岗岩和石灰岩。
[0051]
进一步的，每种集料试样对应设置有一组组沥青试样，每组沥青试样包括基质沥青试样和至少四种油改性沥青试样，当每组沥青试样包括四种油改性沥青试样时，四种油改性沥青试样优选为7％pp-3油改性沥青、6％bio-1油改性沥青、5％r-pe油改性沥青和5％r-bio油改性沥青。
[0052]
进一步的，花岗岩、石灰岩分别与7％pp-3油改性沥青、6％bio-1油改性沥青、5％r-pe油改性沥青和5％r-bio油改性沥青的对应关系如下表一所示：
[0053]
表一
[0054][0055][0056]
通过表一表明，在具体试验过程中，取十份试样较适宜，评价结果全面且可靠，也可根据具体试验要求，增加或减少试样份数。
[0057]
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中水煮操作中集料采用最大公称粒径为9.5mm石灰岩和玄武岩。将每种集料试样与其对应的一组沥青试样中基质沥青试样进行水煮操作，将每种集料试样与每个油改性沥青试样进行水煮操作，各个水煮操作相同，操作过程为：
[0058]
步骤一：将所用集料洗净后放入100℃的烘箱中烘干11.5～12.5个小时；
[0059]
步骤二：分别称取1kg集料和30g基质沥青，将称取完毕的1kg集料和30g基质沥青分别放入155℃的烘箱中恒温加热3小时；
[0060]
步骤三：将步骤二加热后的30g基质沥青和1kg集料放入拌和锅中搅拌1.5～2.5分钟后形成基质沥青混合料试件；
[0061]
步骤四：将步骤三搅拌完毕的基质沥青混合料试件放入145℃度的烘箱中养生2小时；
[0062]
步骤五：将步骤四养生结束的基质沥青混合料试件取出烘箱，使基质沥青混合料试件自然降温自室温；
[0063]
步骤六：利用四分法在降至室温的基质沥青混合料试件中取出两份试样，每份试样质量为200g；
[0064]
步骤七：将步骤六中的两份试样分别放入90℃的烘箱中恒温1小时后再将两份试样分别放入70～80℃微沸的水中，10分钟后将该两份试样取出，如图1所示，根据uni en 12697-11(2012)中的规定的沥青裹覆率标准，观察两份试样，确定基质沥青混合料的沥青裹覆率，对比并确认出试样与沥青裹覆率标准相似或相同的图样后，即可确定该图样对应的沥青裹覆率即为试样的沥青裹覆率。
[0065]
按照上述步骤一至步骤七的操作将每种集料试样与其对应的一组沥青试样中每种油改性沥青试样分别进行水煮操作，得出不同种油改性沥青混合料的沥青裹覆率。
[0066]
本实施方式中步骤一中将所用集料洗净后放入100℃的烘箱中，烘干的最佳时间为12个小时。
[0067]
本实施方式中步骤三中将步骤二加热后的30g基质沥青和1kg集料放入拌和锅中搅拌，搅拌的最佳时间为1.5分钟。
[0068]
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，根据uni en 12697-11(2012)确定的基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的沥青裹覆率，计算各剥落率条件下集料出现的频率，并绘制频率曲线，并分别计算基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的剥落指数si，从而定量评价基质沥青混合料以及不同种油改性沥青混合料的抗剥落性能，完成基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的剥落能力从强到弱的定量排列顺序，剥落指数si的计算公式为：
[0069][0070]
上式中，n
i
为在m
i
剥落率条件下集料出现的频率。
[0071]
如图2和图3所示，根据uni en 12697-11(2012)中的规定确定沥青的裹覆率，计算各剥落率条件下集料出现的频率，并绘制频率曲线。
[0072]
分析图2和图3可知，两种集料的沥青剥落率频率曲线都具有中间多、两边少的特征，但曲线间也存在一些差异。对于石灰岩来说，所有沥青在经过水煮后仍有部分集料完全被沥青所裹覆，而花岗岩中，所有的集料都出现了一定程度的剥落。从图2还能够看出，bio-1油改性沥青的剥落率频率曲线明显向左偏移，说明bio-1油分的加入能够改善沥青与花岗岩的作用效果，从而提高期抗水损害能力。此外，对于石灰岩来说，其频率峰值均出现在20％剥落率附近，而花岗岩的均出现在50％左右。上述情况表明石灰岩与沥青间的作用力要强于花岗岩，因此，当沥青与石灰岩作用时可以表现出更好的粘附性。
[0073]
虽然从频率曲线的分布状态可以评价出沥青与不同集料作用后的粘附性，但很难区分不同沥青与同一种集料间的粘附性，更无法量化其抗剥落能力，而剥落指数si能够使其量化并能反映出频率曲线的分布特征。
[0074]
本发明提出采用加权平均值来反映沥青的剥落程度，即为剥落指数si，剥落指数
越大，表明沥青的抗剥落性能越差。剥落指数si计算公式(1)如下所示：
[0075][0076]
上式中，n
i
为在m
i
剥落率条件下集料出现的频率。
[0077]
根据上式计算各沥青的剥落指数，结果如图4所示。
[0078]
从图4可知，同一种沥青与石灰岩使用时，其剥落指数si仅为花岗岩的50％左右，从而说明石灰岩能够有效的提高沥青与集料间的粘附性。
[0079]
分析图4可知，无论在花岗岩还是在石灰岩中，bio-1和r-bio油改性沥青的粘附性是所有油改性沥青中最好的两种，甚至与花岗岩的粘附性要优于基质沥青。从图4还可知，在花岗岩中，所有油改性沥青的剥落指数均小于基质沥青，而在石灰岩中，除bio-1油改性沥青外，其余三种油改性沥青的剥落指数稍高于基质沥青，差值约为10％左右。
[0080]
根据上述分析结果可知，油分的加入没有明显劣化沥青的抗剥落能力，甚至增加了与花岗岩的粘附效果。同时也表明不同岩性对沥青的抗剥落性能有着明显的影响，不但对剥落指数有着明显的影响，各沥青的抗剥落能力排序也随岩性的变化而发生了改变。
[0081]
根据剥落指数对各沥青剥落能力从强到弱进行排序，排列顺序如下：
[0082]
花岗岩：5％r-bio>6％bio-1>5％r-pe>7％pp-3>基质沥青
[0083]
石灰岩：基质沥青>6％bio-1>5％r-bio>5％r-pe>7％pp-3。
[0084]
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，根据基质沥青混合料的沥青裹覆率以及不同种油改性沥青混合料的剥落能力从强到弱的定量排列顺序，利用公式二进行计算，得到不同岩性的集料、同种沥青的剥落指数变化率，从而定量评价岩性对沥青抗剥落能力的影响，公式(2)为：
[0085][0086]
上式中，si
g
为沥青与一种集料作用时的剥落指数；
[0087]
si
l
为沥青与另一种集料作用时的剥落指数。
[0088]
根据公式(2)得到每种集料与其对应设置的沥青试样中基质沥青试样和多种油改性沥青试样分别混合后形成的不同种沥青混合料的剥落指数变化率的定量对比结果；
[0089]
根据公式(2)还得到基质沥青试样和多种油改性沥青试样与不同集料混合后形成的剥落指数变化率的定量对比结果。
[0090]
本实施方式在具体操作时，为了进一步研究岩性对沥青抗剥落能力的影响，按式公式(2)计算不同岩性、同种沥青的剥落指数变化率。利用公式二进行计算，得到不同岩性、同种沥青的剥落指数变化率后绘制柱状图，从而完成不同岩性对沥青抗剥落的定量对比过程。绘制柱状图的结果如5所示，基质沥青的抗剥落性能对岩性的变化最为敏感，当岩性从花岗岩变为石灰岩时，其剥落指数变化率为215％；相比而言，油改性沥青可降低抗剥落性能对岩性变化的敏感性。从图5可以发现，当岩性发生变化时，油改性沥青的剥落指数si增幅最小的仅为17％，最大的仅为85％。
[0091]
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，根据
uni en 12697-11(2012)中的规定的沥青裹覆率标准，利用数字图像处理方法实现对基质沥青混合料的沥青裹覆率的定量评价，数字图像处理方法的过程为：
[0092]
将水煮法操作后的多个试样分别摆放在扫描仪的扫描平台上进行逐一扫描，在每个试样扫描前，在每个试样的上方铺设纸张，然后进行扫描，利用数字图像处理程序对扫描图片进行处理，数字图像处理程序对扫描图片进行处理，计算获取沥青剥落率sr：
[0093]
根据公式三计算得到沥青剥落率sr，公式(3)为：
[0094][0095]
上式中a为背景所占图像面积百分率；
[0096]
b为沥青所占图像面积百分率；
[0097]
本实施方式中将水煮操作的多个试样进行试验结果分析时，将根据集料表面颜色与沥青裹覆颜色的不同来计算沥青的剥落率。因此，其关键问题是如何准确区分出沥青与集料裸露表面的颜色。具体操作时，单档集料进行水煮试验后，集料表面残余的沥青仍比较光亮，在获取图片时会发生明显的反光现象，这就会导致在后期图像处理时，传统的图像处理程序易将反光的部分识别为沥青脱落部分，从而导致试验结果的不准确。
[0098]
本实施方式通过样品试验可知，对水煮操作后的试样进行扫描时，沥青反光现象严重，并且反光的部分呈现出多种颜色。利用数字图像处理方法能够将图像上的多种颜色进行分类。
[0099]
本实施方式为采用基于支持向量机理论的非线性分类模型对试样表面颜色进行分类，从而提高数据分析的准确性，为了准确的获得沥青裹覆面及集料裸露面的颜色特征值(rgb值)，通过程序获取有限个相应特征点的方式识别前景及背景rgb值，然后通过支持向量机对其泛化，从而提高图像处理的准确性。数字图像处理程序采用matlab编写，典型处理结果图6和图7所示。
[0100]
本实施方式将依据规范分级获得的沥青剥落指数si和利用数字图像处理法获得的沥青剥落率sr绘制线条图，利用绘制线条图定量评价沥青与集料间的粘附性。结合图8说明利用数字图像处理法的具体操作过程：
[0101]
在进行图像扫描时，应避免将试样中各个包裹有沥青的集料颗粒重叠堆放。因为多个试件重叠堆放后，一方面是不能完全获得每个集料颗粒的信息，另一方面，集料颗粒重叠堆放后所形成的空隙在扫描时会被扫描仪处理成黑色，与沥青的颜色十分接近。因此，在通过程序处理图像时，易将空隙按沥青进行处理，从而会使计算得到的剥落率值偏小。为了避免上述现象的发生，应该将水煮后的试样随机摆放在扫描仪的扫描平台上，确保包裹有沥青的集料颗粒之间存在至少5毫米的间隙，为了提高后期程序处理精度，在试样上方盖上平整的白纸或其它与石料颜色反差较大的纸张，然后进行扫描。
[0102]
在利用沥青剥落率sr计算公式，具体为：
[0103][0104]
上式中a为背景所占图像面积百分率(％)；
[0105]
b为沥青所占图像面积百分率(％)；
[0106]
按照上述方法对表一中十种试样进行扫描，每组试样随机投放后进行扫描。每组试样重复上述步骤三次。为了便于对比分析，将依据规范分级获得的沥青剥落指数si和利用数字图像处理法获得的沥青剥落率sr一并绘入，具体为图9和图10所示，从图9可知，由图像处理得到的沥青剥落率sr要小于根据规范得到的沥青剥落指数si，但相差均在15％以内，并且利用两种方法得到的结果排序基本一致。
[0107]
造成两指标间差异的原因有二方面，一方面是因为根据规范的图例对沥青的剥落程度进行判断存在一定的误差，并且这种误差会受到较多人为因素的干扰；另一方面，在进行图像扫描、处理时存在一些误差，但种误差是小量的并且是可控的。
[0108]
为了进一步研究两种方法间的关系，以两种方法的相关性进行了分析，结果如图10所示，从图10可知，两种方法间有很好的线性相关性，相关系数达0.91。因此，综合考虑评价方法的效率、准确性及客观性，本文推荐采用图像处理法评价沥青与集料间的粘附性。
[0109]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。