文摘
本文的目的是获取沥青混合料的孔隙分布精确无损技术。标本准备四个等级的沥青混合物使用x射线计算机断层扫描(CT)是用来测量标本内空隙大小在不同的深度。空隙分布分析了CT图像获得的使用环阻断分割结合大津的方法,它提供了一个准确的估计沥青混合料的孔隙。图像处理结果表明,孔隙率分布不均匀的标本;浓度较高的空隙被发现试样的顶部和底部,和较低,其它地区的样本深度。SUP13的空隙大小和AC13主要分布在0.15至0.2毫米之间,尽管PA13和SMA13 0.4到0.65毫米和0.4到0.7毫米,分别。相信CT图片处理的环形阻塞分割结合大津的捕捉方法是可行的和合理的沥青混合料的孔隙大小和内容。+
1。介绍
表演的沥青混合物依赖于骨料的体积,沥青粘结剂,以及气孔。具体来说,混合物的刚度是高度相关的空隙内容混合物。人们普遍认为气孔发挥重要作用在确定沥青混合料的抗主要路面祸患包括车辙、疲劳开裂,低温开裂[1]。研究表明,刚度和抗压强度的增加与减少空气空白内容,当粘结剂含量保持不变(2]。空隙的内容也会影响沥青混合料的耐久性的老化和剥离。例如,低空隙含量最小化的老化沥青粘结剂薄膜内的总质量,水渗透到组合的可能性,和剥离的沥青粘结剂聚合3]。还发现,低空隙含量可以导致沥青出血[4),而高含气率可能会导致早期衰老过程的混合,使它容易水分损失,开裂、路面恶化[5]。
空隙的内容是一种常见的参数用于压实沥青混合料的孔隙结构特征6]。应该注意,同质性的水平分布的孔隙内的沥青课程具有显著影响材料的响应(7- - - - - -11]。有必要进一步研究含气率的特性,如无效的规模包括半径和面积空隙,分布,和内容。然而,很难利用传统技术获得孔隙率的表征。因此,计算机成像技术和无损技术可以解决上述问题,有能力描述材料的内部结构12- - - - - -14)在本研究应用。首先,CT扫描技术用于沥青混合料标本。沥青混合料的微观结构特征,如空洞和粗骨料,使用首先进行图像处理方法进行了研究,用MATLAB软件和图像处理软件,然后虚拟沥青混合料试件是重建。
2。目标
本研究的目的是探讨孔隙率分布(即。,air void content and air void size) using X-ray CT, Otsu image processing method, and MATLAB software. Image analysis software and computer algorithms were used to analyze the X-ray CT images and quantify the air void content, size distribution, and connectivity.
3所示。测试材料和样品制备
标本与直径150毫米和165毫米高度组合使用superpave回转压缩机(国网公司)。为了获得高清晰度CT图片、标本进一步空心直径为50毫米和75毫米高度为测试目的。四种类型的沥青混合物称为AC13, SMA13, PA13, SUP13研究细节。四个混合物的聚合等级如表所示1。
sbs改性沥青在AC13、SUP13 SMA13,高粘度沥青用于PA13。sbs改性沥青和高粘度沥青的性质如表所示2。最佳粘结剂含量为5.36%,5%,5.9%,和4.85%,AC13 SUP13, SMA13和PA13分别。空隙含量为4.7%,4.1%,4.0%,18.5%,AC13, SUP13 SMA13, PA13。
4所示。x射线CT扫描和图像分析技术
4.1。图像扫描分析研究
标本是无损使用x射线CT机扫描生成地图代表组织的密度在每一点上的分辨率大约0.083毫米/像素。水平二维图像片都被相对于样品的高度从下到上每间隔0.1毫米。750年CT图像得到每个标本使用x射线CT扫描。8位灰度图像的像素强度从0(纯黑)到255(纯白色)。圆柱形试样的几何形状和x射线CT图像捕获的一个例子是图所示1。两个成像软件包MATLAB, Image-Pro +,被用来处理和分析CT图像。
4.2。大津的方法
在图像分割,阈值分割是常见和有效的方法特别是在目标和背景灰度是明显不同的。大津[16]提出的最大类方误差方法(即首先进行方法)很简单,适应性,广泛用于阈值分割。大津的方法被用来描述沥青混合料的微观结构17]。
首先进行算法,假设图像l灰色(灰度值范围从水平 )并考虑像素的灰度值我,所以像素总数获得的是
假设整个图像是除以灰度值t为区域(背景)和地区B(目的地),区域的灰度范围从1到t区域的灰度范围从t+ 1l−1,A和B的类概率估计方程(2)和(3),分别。
因此,A和B的灰度可以使用以下公式计算: 和总灰度值的图像表示为
A和B类方差表达式之间的区域计算如下:
根据方程(6),最大的t值所需的最佳值完成图像分割。优化的阈值是由
在一个递归算法,给出类概率和类方法在方程(8)(10),分别。
4.3。图像处理和分析使用环阻塞法和大津法
图像阈值处理在图像分割中扮演一个重要角色。根据特征的灰度增加从中心到边缘的CT图片为同一阶段(沥青混合物中有三个阶段,即聚合、气穴,和沥青砂胶),CT图像分割使用环块(如图2)结合大津的方法描述沥青混合料的微观结构18]。CT图像分割与5环,如图2。
图像处理在以下步骤说明。首先,图像分析过程包括图像格式、降噪、图像增强、区域填充算法来识别一个洞洞。其次,使用环形阻塞方法预处理图像分割。还有50%邻环之间的重叠。第三,环分割区域利用大津的处理方法计算孔隙的阈值和背景。最后,环分割区域相结合获得整个分割图像(图3)。总、孔隙率和沥青砂胶的使用首先分割图像捕获方法如图3 (c)。
(一)
(b)
(c)
为了说明环阻塞分割的有效性和准确性结合大津的方法,Bernsen的方法(19)和传统大津的方法也被用来处理CT图片。大津方法是全球阈值技术,和Bernsen方法是当地的阈值技术。图4显示比较原始Bernsen CT图像处理的方法,传统的大津的方法,分别和环分割使用大津的方法。
CT图像的灰度强度的变化取决于每个在复合材料的密度。亮区域对应于密集的对象,如聚合、和黑暗区域对应于低密度的物体,例如,气孔。图4(b)表明,Bernsen的方法很难区分标本内的细骨料和胶粘剂。传统的首先方法如图4(c)可以用来捕获细集料结构。然而,它不能区分的密度结构细骨料和胶粘剂。因此,可以看出,环分割结合大津的方法是最有效的,相对于其他两种方法来处理CT图像。
5。沥青混合物分析的空隙
5.1。含气率分布
的Image-Pro®+软件和MATLAB软件用于可视化的空隙结构沥青混合料样品。包括半径、空隙结构,孔隙率的内容。一个图像孔隙百分比( )和样品的总孔隙百分比(% AV)计算如下: 在哪里图像孔隙的面积j,是图像的横截面积j,N是图片的总数。的空气孔隙半径的形象j,也叫空隙大小在这项研究中,计算如下: 在哪里是孔隙的数量在每一个图像。几种阈值作为输入宏到样品的总孔隙百分比(方程(12)与实验室测量。
基于上述信息,空气空隙度和空隙大小的空隙半径和面积可以计算。图5表明,孔隙率分布以及标本的高度基于CT图像。每个CT图像的气孔内容可以根据修改后的大津法计算。图6显示,绘制空隙的大小和SUP13无效号码,AC13, SMA13, PA13标本。空隙大小是由空气孔隙半径,可以从空气中获得的空白区域。气穴半径是用来评价孔隙的大小。SUP13的空隙大小和AC13主要分布在0.15到0.2毫米半径,后由0.1到0.15毫米和0.2到0.25毫米。的空隙大小大于0.3毫米,数量是9和2 SUP13和AC13分别。PA13标本的空隙大小主要分布在0.4和0.65毫米之间,特别是从0.5到0.65毫米。SMA13标本,空隙大小均匀分布主要从0.4到0.7毫米。
数据7- - - - - -10描述孔隙率大小分布随着AC13 SUP13, PA13, SMA13标本的身高比例。高比率的y设在被定义为垂直距离的比值的底部的一块样品的总高度。空气孔隙半径,空隙,空隙内容策划根据CT图像处理分析和孔隙率的分布算法。对于SUP13和AC13样本,bathtub-shaped像空隙度和深度之间的关系。样品的顶部和底部孔隙度较高,和中间的孔隙度较低,更均匀。SMA13和PA13样本的结果显示不同的趋势,但总的来说,顶部的空隙含量较高的样品和更低的其他样本深度。结果与该领域核心,也就是说,顶部的空隙含量较高的样品和更低的其他样本深度(20.]。内部趋势领域样本孔隙沥青表面附近的大约两倍当然比在中间和底部的层(21,22]。数据7- - - - - -10表明空隙内容取决于空隙区域与空隙的大小(即孔隙率半径)。
图表的数据7和8独特的不同比数据吗9和10。这样做的原因是,使用大的石头和sbs改性粘结剂在图9和高粘度粘合剂在图10。这两个垂直产生更均匀分布的孔隙,即使有更多的可变性的空隙比与数字内容7和8。
5.2。含气率分布重建
为了构建含气率的三维分布,商用软件MATLAB程序,用于重建CT图像进行处理。去除的颗粒粒径小于1.18毫米,然后重建四个评分标本模型,如图11。沥青混合料的三维孔隙微观结构如图12- - - - - -15AC13、SUP13 PA13 SMA13,分别。二维CT图像处理环阻塞和大津的方法进行收集和转换成三维图像的原始样本。图像阈值识别混合物成分。阈值技术应用于描述组件的混合物。它将组件的代表灰度转换成一个值。这个值是唯一值与一个元素,所以它可以被识别的混合物。灰色的值分配给气孔。重建的孔隙沥青混合物可以简单地进行下面的步骤。首先,1.0毫米的水平切片厚度0.2毫米被抓获的重叠。其次,这些片堆叠在一起的计算机形成实际的三维多孔微结构。 Thirdly, the three-dimension structure of air voids is rotated to project in transverse section and vertical section.
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
它出现在数据12和13SUP13的空隙含量的分布和AC13深度与数据一致7和8;高孔隙率的内容是观察到样品顶部和底部,而低和更均匀的空隙被观察到在中间部分的内容。数据14和15显示不同的趋势与SUP13和AC13相比,在一般情况下,顶部的空隙含量较高的样本和更低的其他样本深度。从数据和孔隙率的分布14和15符合数据吗9和10,分别。它表明CT图片由环形阻塞处理分割和大津的方法是可行的和合理的捕捉沥青混合料的孔隙大小和内容。
6。结论和讨论
使用x射线CT扫描AC13的标本,SUP13 PA13, SMA13。CT照片是由环形阻塞分割处理,首先进行计算的方法。基于预处理、分割和识别、沥青混合料的空隙率计算和重构Image-Pro®+软件和MATLAB程序。总结了主要结论如下:(1)AC13的气孔,SUP13 PA13, SMA13标本可以使用戒指阻塞分割不同的捕捉结合大津的方法来处理CT图片。(2)据的分析方法处理,相信戒指阻塞分割结合大津的方法是可行的和合理确定沥青混合料的空隙率与Bernsen相比的方法和传统的大津的方法。(3)SUP13的空隙大小和AC13主要分布在0.15至0.2毫米之间,虽然主要分布在0.4和0.65之间PA13毫米。SMA13标本,孔隙大小均匀分布主要从0.4到0.7毫米。(4)图像分析表明,孔隙率的分布是不均匀的标本,即浓度较高的气孔被发现在标本的顶部和底部之间的和更低的气孔。(5)这是一个重大进展的沥青混合料的研究进行含气率的三维重建。SUP13的气孔,AC13 SMA13, PA13重建和显示。AC13的三维孔隙分布、SUP13 PA13, SMA13依照分析孔隙率大小分布的高度比标本。(6)用大石块和sbs改性粘结剂SMA13和高粘度粘合剂PA13垂直产生更均匀分布的孔隙,即使有更多的内容可变性的空隙比与AC13 SUP13。
数据可用性
鱼的代码使用的实验数据和Excel数据来支持本研究的发现是由中国国家自然科学基金、中国博士后科学基金会许可制,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该Jiantong张(电子邮件保护)。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认提供的财政援助中国的国家自然科学基金(51078089)和中国博士后科学基金会(2016号m590717)。