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PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性评价方法研究

针对PVA纤维水泥稳定碎石尚无严格的纤维拌和均匀性评价方法问题，AOI提取了不同状态的PVA纤维，结合数字图像处理技术及加权四边距标准差理论，选用拌和时间对PVA纤维水泥稳定碎石纤维拌和均匀性开展研究，得出了判断PVA纤维拌和均匀性的评价方法，并进行了试验结果分析 。试验结果表明：PVA纤维加权四边距标准差可以对PVA纤维水泥稳定碎石纤维拌和均匀性进行评价 。水泥稳定碎石因其具有性能优良、经济效益好，强度高、刚度大、抗冲刷能力强等诸多特点，且能够有效承担并传递面层的行车荷载，是目前我国公路路面基层最主要的结构形式 。
为了改进水泥稳定碎石抗裂性能差的问题，道路工程界将纤维加入水泥稳定碎石形成了纤维水泥稳定碎石基层材料，改善了水泥稳定碎石基层材料的力学性能及抗裂性能 。掺入PVA纤维还可改善基层的耐磨性能，提高基层抗渗性、抗冻性，从而提高基层的耐久性 。
但是有大量试验研究表明：纤维在水泥稳定碎石中均匀分散是影响其增韧阻裂性能的必要因素 。
目前关于水泥稳定碎石均匀性评价的研究，国外提出射线可用于测定集料的均匀性 。
国内有：辽宁省交通运输厅公路管理局的高晓刚等人，利用超声波在水泥基材料传播过程中遇到水泥基材料均匀性变化时，其超声波的物理参数将发生变化这一原理来评价混凝土的均匀性；
长安大学的曹露、李永鹏等人，通过荧光显微镜和CCD相机，拍摄PVA-ECC试件的截面荧光数字图像，再通过统计方法及图像处理技术研究了PVA纤维在ECC中的分散状态；
交通运输部公路科学研究院高海鹏等相关研究人员进行了新拌混凝土均匀性评价试验，分析了等体积新拌混凝土中集料在不同搅拌时间下的变化情况，并给出了集料在混凝土中均匀分布这一概念，同时给出了新拌混凝土集料均匀度这一均匀性分布的评价指标，即骨料的分散均匀程度 。但是，目前PVA纤维水泥稳定碎石中纤维的拌和均匀性评价方法尚无严格的标准 。
针对目前尚无方法评价PVA纤维水泥稳定碎石中纤维拌和均匀性的问题，本文利用数字图像处理技术，结合加权四边距标准差理论，选用拌和时间来进行PVA纤维水泥稳定碎石试验研究，得出PVA纤维加权四边距标准差可以判断PVA纤维拌和是否均匀的结论 。
加权四边距标准差理论纤维提取及预处理
也被称作感兴趣区域的提取 。具体提取过程可分为3步 。首先，将程序系统中的灰度单位转成光密度单位；然后，通过吸管工具选择感兴趣的颜色；最后将识别出的相似区域转换为二值图 。提取出不同状态的纤维在转化为二值图的过程中会产生一些噪声使得图像失真，因此还需对二值图像进行预处理，以便于后期计算 。
加权四边距标准差计算
本研究将水泥稳定碎石中的PVA纤维分为4种状态，分别是单丝、双丝、多丝及束状 。对水泥稳定碎石中PVA纤维的评价，主要是对其中的单丝、双丝和多丝进行均匀性评价 。
由于束状纤维相对于单丝、双丝和多丝，其数量较少，而且对水泥稳定碎石抗裂性能的提高并无显著影响，所以不采用束状纤维进行评价 。黑色小圆点表示单丝，有阴影的小圆点表示双丝，白色小圆点表示多丝；L1、L2、L3、L4分别为小圆点中心到四边的距离 。文中采用加权四边距标准差来评价水泥稳定碎石中PVA纤维的均匀性 。先分别求出单丝、双丝及多丝的四边距标准差，然后求加权后的四边距标准差 。
(1)m取1、2、3，当m=1时所求值分别为单丝状PVA纤维到四边的平均距离，μ1为单丝状PVA纤维到四边的平均距离的均值，σ1为单丝状PVA纤维到四边的平均距离的标准差；
(2)当m=2时所求值分别为双丝状PVA纤维到四边的平均距离，μ2为双丝状PVA纤维到四边的平均距离的均值，σ2为双丝状PVA纤维到四边的平均距离的标准差；
(3)当m=3时所求值分别为多丝状PVA纤维到四边的平均距离，μ3为多丝状PVA纤维到四边的平均距离的均值，σ3为多丝状PVA纤维到四边的平均距离的标准差；
(4)n1、n2、n3分别为单丝、双丝、多丝数 。根据PVA纤维水泥稳定碎石拌和理论，则有“PVA纤维四边距加权标准差随着PVA纤维搅拌时间的增加呈现先减小后稳定的趋势” 。由此可知：当纤维四边距加权标准差小于稳定值的情况下可以判定为均匀，否则为不均匀 。
试验结果分析
【PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性评价方法研究】针对PVA纤维水泥稳定碎石中纤维的均匀性，通过不同的PVA纤维搅拌时间的拌和、试件成型、图像采集及集合数字图像处理技术、加权四边距标准差理论研究计算，可以得出单丝、双丝及多丝四边距标准差 。将数据带入可得PVA纤维加权四边距标准差随PVA纤维搅拌时间的变化情况 。
可以看出，当搅拌时间为45s时，纤维加权四边距标准差为2.1，随着搅拌时间的增加PVA纤维加权四边距标准差逐渐减小；当搅拌时间到60s时，纤维水泥稳定碎石的PVA纤维加权四边距标准差达到稳定值0.5，此后随着PVA纤维搅拌时间的增加PVA纤维加权四边距标准差数基本接近但小于0.5 。
这与PVA纤维四边距加权标准差随着PVA纤维搅拌时间的增加，呈现先减小后稳定的理论基本吻合 。可以判断当PVA纤维四边距加权标准差小于0.5时，PVA纤维搅拌均匀 。
根据对PVA纤维水泥稳定碎石的大量研究，分别选取搅拌时间为45s和70s时的纤维截面图片进行对比分析、验证说明 。
通过计算，可得搅拌时间为45s时，其单丝四边距标准差为1.68，双丝四边距标准差为2.02，多丝四边距标准差为1.56，计算可得纤维四边距加权标准差为1.73，大于所给出的四边距加权标准差评价标准(0.5)，所以可以认为该截面的纤维并未分布均匀；
搅拌时间为70s时，其单丝四边距标准差为0.43，双丝四边距标准差为0.49，多丝四边距标准差为0.52，计算可得纤维四边距加权标准差为0.46，小于所给出的四边距加权标准差评价标准(0.5)，所以可以认为该截面的纤维分布均匀 。
结语
(1)本文利用软件进行纤维的提取，并结合加权四边距标准差理论与MATLAB数字图像处理技术对PVA纤维水泥稳定碎石中纤维拌和均匀性进行研究，得出PVA纤维加权四边距标准差可以判断PVA纤维拌和是否均匀的结论 。
(2)通过对搅拌时间为45s和70s时的纤维截面图片进行对比分析，进一步验证了PVA纤维加权四边距标准差可以对PVA纤维水泥稳定碎石纤维拌和均匀性进行评价 。

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