一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法技术方案

本发明专利技术公开了一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型，并公开了上述计算模型的建立方法，包括以下步骤：S1、将集料筛分成不同档集料，得到级配颗粒系统；S2、基于AIMSII系统测量单档集料的球度、纹理指数和棱角梯度；S3、将每档粗集料的形状、纹理、棱角分别进行铺展，然后重组成一维直线、二维平面、三维立体结构；S4、根据筛孔尺寸计算得到每档集料的平均粒径；S5、通过计算一维加权周长、二维加权表面积、三维加权体积，结合计算得到的平均粒径以及几何指标，即构建得到计算模型。本发明专利技术提供的计算模型基于AIMSII系统，仅需要输入每一档集料的质量分数就可以精准计算每一种级配下的复合几何指数。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法
本专利技术属于道路工程
，具体涉及一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法。
技术介绍
在沥青混合料中，矿质集料的体积约占总体积的90％。矿料的岩质、几何特征、粒径决定了矿料颗粒之间的接触状态、摩擦特性和迁移机制存在差异，从而影响沥青混合料的路用性能。根据宏观、细观和微观三类尺度。颗粒的几何特性划可分为形状尺度、棱角性尺度和纹理性尺度三个层次。Krumbein提出以球度和圆度评价颗粒的三维形状特性。Wang等利用傅里叶形态分析法来量化集料的形状、棱角性和纹理性。Li推荐采用平整度—延伸系数(FEC)评价粗骨料的形状特性，采用颗粒指数评价器棱角性。孙杨勇采用分形理论研究了粗集料的表面微观纹理特性。Zhu采用压缩法和拟椭圆法计算了粗集料的棱角指数，实现了棱角性的独立表征，提高了测量精度。Massd通过了图像分析技术研究了表面参数与细集料棱角性和纹理性的关系，提出采用低分辨率图像测量棱角、高分辨率图像测量表面纹理。Xie通过数字图像处理技术(DIP)测量了细集料的形状、棱角和纹理指标，认为选择粒径为0.6mm的颗粒探究细集料的形态特征更具有代表性。Gao基于X射线断层扫描技术提出了三维棱角指标(3DA)，研究发现粗集料的棱角性对沥青混合料的骨架结构有显著影响。Masad通过聚类统计法分析了不同集料间形状和棱角性的差异，认为采用AIMS能够准确测量集料的形态参数。Wang采用AMIS系统测量了粗集料的棱角指数、球度、平整度和延伸率，发现粗集料的粒径对棱角指数影响不大，但对着粒径增大，颗粒的形状越来越趋近于立方体。Ding采用离散元法(DEM)结合数字图像处理技术提出了一种基于颗粒形态特征的粗集料建模方法。为了减少路面病害、提高耐久性，国内外学者开展了大量实验探究集料几何特征对混合料路用性能的影响。Cui采用AIMS系统测试了集料颗粒的几何特征，并研究发现集料的棱角越大、纹理越丰富时，集料与沥青的粘附性越好，并存在一个最佳棱角度和球度值使得沥青混合料的马歇尔稳定度最大。Liu采用FTI图像采集系统获得了集料颗粒的纹理、棱角及球度指标，研究发现增加球形、减少针片状集料的含量可有效改善SMA沥青混合料的抗疲劳性能。Arasan发现集料的形态显著影响沥青混合料的体积指标。扁平、细长集料会降低马歇尔稳定度；形状接近球体、表面不粗糙的颗粒含量越高，沥青混合料的流值越小。Li采用扁平度(FER)、棱角指数(AI)和表面粗糙度(SR)表征粗集料的形状、棱角性和表面纹理，并探究了粗集料的形态指标与水泥混凝土力学特性的关系。研究发现混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度随着SR的增加而提高，但随着FER或AI的增加而显著下降。弹性模量和泊松比均随FER或AI的增加而略有下降，但随SR的增加而增加。Yang研究了粗集料的形状和棱角性对沥青混合料蠕变变形动态模量的影响。形状指数较大、棱角较小的集料使蠕变变形增加，动态模量减小。Cheng采用圆度、周长指数和侵蚀膨胀面积比评价粗、细集料的形态特征及其对沥青混合料高低温粘弹性能的影响。细集料的形态指标与粘弹性参数具有较好的相关性。Kuang分析发现平均棱角系数与沥青混合料的动稳定度和拉伸劈裂比呈良好线性正相关，与低温弯曲抗拉强度呈负相关。Gao探究了粗集料的棱角性对沥青混合料压实特性和抗滑能力的影响。集料的棱角性越丰富，沥青混合料的越难压实，但抗滑能力提高。沥青混合料是由沥青结合料、颗粒系统和空隙构成的多相颗粒性矿料/沥青体系，其中颗粒系统由一系列不同粒径的集料颗粒构成。国内外学者主要对集料几何特征的测量方法、部分集料几何特征对沥青混合料性能的影响展开了研究，但对级配矿料的复合几何特征、与颗粒系统接触特性的关系以及在矿料/沥青体系界面的作用机制缺乏深入的探讨。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法。本专利技术的第一个目的是提供一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型，所述计算模型为：其中：几何指数指的是形状指标球度、表面纹理指数或棱角梯度，以上指标均可采用AIMSII系统直接测试得到。优选的，所述颗粒系统粗集料的复合几何指数指的是复合形状指数、复合纹理指数或复合棱角指数，复合形状指数(CISP)、复合纹理指数(CITX)和复合棱角指数(CIGA)分别根据以下公式(1)-(3)计算:其中：CISP为颗粒系统粗集料复合形状指数；CITX为颗粒系统粗集料复合纹理指数；CIGA为颗粒系统粗集料复合棱角指数；M为矿质集料的总质量；gi为第i级集料的体积相对密度；SPi为颗粒球度指标；GAi为第i级粗集料的棱角梯度；TXi为第i级粗集料的纹理指标；ai为级配设计中第i级集料的分计筛余百分比；Cwi为集料颗粒形状的加权周长，通过公式(4)得到；Vwi为集料颗粒形状的加权体积，通过公式(5)得到；SAwi为集料颗粒形状的加权表面积，通过公式(6)得到；di为第i级集料的平均粒径，通过公式(7)得到；CWi＝Cci×SPi+Csi×(1-SPi)(4)VWi＝Vci×SPi+Vsi×(1-SPi)(5)SAWi＝SAci×SPi+SAsi×(1-SPi)(6)其中：Cci为立方体周长；Csi为球体周长；Vsi为球体的计算体积；Vci为立方体的计算体积；SAsi为球体的计算表面面积；SAci为立方体的计算表面面积；Pi+1是第i+1档的筛孔尺寸。本专利技术的第二个目的是提供一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型的建立方法，包括以下步骤：S1、将集料筛分成不同档集料，得到级配颗粒系统；S2、基于AIMSII系统测量S1得到的级配颗粒系统内的单档集料的球度、纹理指数和棱角梯度，得到级配颗粒系统内单一粒径颗粒系统的几何指标；S3、将S1得到的级配颗粒系统内每档粗集料的形状、纹理、棱角分别进行铺展，然后重组成一维直线、二维平面、三维立体结构，确定粗集料的形状、纹理、棱角对应的测度分别为周长、表面积、体积；S4、根据筛孔尺寸计算得到每一档集料的平均粒径；S5、通过计算S3中得到的一维加权周长、二维加权表面积、三维加权体积，结合S4计算得到的平均粒径以及S2得到的几何指标，即构建得到所述颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型。优选的，步骤S1中，所述集料筛分是将集料按照粒径大小进行筛分。优选的，步骤S2中，所述AIMSII系统测量单档集料的球度、纹理指数和棱角梯度，测量步骤如下：S21、通过圆形托盘将单档测试集料颗粒逐个摆放一圈，并移送至成像范围内；S22、通过背光照明系统投射显示出颗粒轮廓，并通过高分辨率相机获取颗粒轮廓图像，将得到的颗粒轮廓图像通过所连接的计算机计算得到单档集料的形状指标球度和棱角梯度；S23、通过顶部照明系统和多倍率显微镜获取集料表面纹理图像，并将获得的表面纹理图像通过所连接的计算机计算得到单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型，其特征在于，所述计算模型为：/n

【技术特征摘要】
1.一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型，其特征在于，所述计算模型为：



其中：几何指数指的是形状指标球度、表面纹理指数或棱角梯度。


2.根据权利要求1所述的颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型，其特征在于，所述颗粒系统粗集料的复合几何指数指的是复合形状指数、复合纹理指数或复合棱角指数，且所述复合形状指数(CISP)、复合纹理指数(CITX)和复合棱角指数(CIGA)分别根据以下公式(1)-(3)计算:









其中：CISP为颗粒系统粗集料复合形状指数；CITX为颗粒系统粗集料复合纹理指数；CIGA为颗粒系统粗集料复合棱角指数；M为矿质集料的总质量；gi为第i级集料的体积相对密度；SPi为第i级粗集料颗粒球度指标；GAi为第i级粗集料的棱角梯度；TXi为第i级粗集料的纹理指标；ai为级配设计中第i级集料的分计筛余百分比；Cwi为第i级集料颗粒形状的加权周长，通过公式(4)得到；Vwi为第i级集料颗粒形状的加权体积，通过公式(5)得到；SAwi为第i级集料颗粒形状的加权表面积，通过公式(6)得到；di为第i级集料的平均粒径，通过公式(7)得到；
CWi＝Cci×SPi+Csi×(1-SPi)(4)
VWi＝Vci×SPi+Vsi×(1-SPi)(5)
SAWi＝SAci×SPi+SAsi×(1-SPi)(6)



其中：Cci为立方体周长；Csi为球体周长；Vsi为球体的计算体积；Vci为立方体的计算体积；SAsi为球体的计算表面面积；SAci为立方体的计算表面面积；Pi+1是第i+1档的筛孔尺寸。

【专利技术属性】
技术研发人员：栗培龙，宿金菲，王霄，孙胜飞，马云飞，毕嘉宇，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61