基于數(shù)字圖像技術(shù)的露石混凝土路面紋理構(gòu)造抗滑性能

宋永朝，梁乃興，閆功喜，楊永前

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，400074重慶;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，400074重慶)

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)亦存在抗滑性能差、行車(chē)噪聲高、易產(chǎn)生眩光等問(wèn)題.我國(guó)擁有豐富的水泥資源，高品質(zhì)的水泥混凝土路面具有廣泛的應(yīng)用前景.露石水泥混凝土路面(exposed-aggregate cement concrete pavement，簡(jiǎn)稱(chēng) EACCP)作為一種新型的水泥混凝土路面［1］，擁有獨(dú)特的露石表面，克服了普通水泥混凝土路面的諸多缺陷，具有剛度大、高抗滑、低噪聲、防眩等特點(diǎn)，能廣泛適用于城市交叉口、公路隧道、陡坡彎道等路段的鋪面工程，顯著提高潮濕不利狀態(tài)下路表抗滑性能，有效降低行車(chē)噪聲，大大改善機(jī)動(dòng)車(chē)行車(chē)安全和行車(chē)舒適性能.

道路表面抗滑性能與路表紋理構(gòu)造密切相關(guān)［2］，國(guó)際道路協(xié)會(huì)將路面紋理構(gòu)造分為微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)給出了宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的定量描述(ASTM E867)，道路表面紋理構(gòu)造常用平均斷面深度或平均構(gòu)造深度進(jìn)行描述［3-4］，表面紋理構(gòu)造深度0.5 mm以下為微觀構(gòu)造，0.5 mm以上為宏觀構(gòu)造.EACCP經(jīng)露石工藝處理后獲得豐富的宏觀與微觀構(gòu)造，形成良好的抗滑表面.露石紋理構(gòu)造深度、露石顆粒分布狀態(tài)是影響EACCP高抗滑性能的關(guān)鍵因素.路表紋理構(gòu)造主要通過(guò)構(gòu)造深度指標(biāo)來(lái)評(píng)定［5-6］，王端宜等提出了運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青路面表面構(gòu)造深度檢測(cè)方法［7］，宋永朝等通過(guò)數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)EACCP露石表面構(gòu)造深度進(jìn)行測(cè)量［8］，認(rèn)為該方法精度高、信息量大、操作簡(jiǎn)便，是一種有前景的路表功能測(cè)試方法.對(duì)于露石表面紋理構(gòu)造分布狀況通常采用現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)的方法，主觀性太大，并不能很好地評(píng)判露石表面紋理構(gòu)造分布優(yōu)劣程度.

為此，本文通過(guò)對(duì)露石混凝土試驗(yàn)塊、EACCP實(shí)體路段的露石表面進(jìn)行大樣本量的數(shù)字圖像采集，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)分析露石表面紋理特征，探討露石紋理構(gòu)造深度、紋理構(gòu)造分布與抗滑性能的內(nèi)在關(guān)系，為穩(wěn)定露石表面高抗滑品質(zhì)提供依據(jù).

1 數(shù)字圖像技術(shù)運(yùn)用的基本原理

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用.數(shù)字圖像是圖像在空間坐標(biāo)(x，y)和亮度F(x，y)的數(shù)字化，一個(gè)數(shù)字圖像可以看成一個(gè)矩陣或一個(gè)二維數(shù)組，數(shù)字圖像是以二維矩陣在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)的，數(shù)字圖像處理的實(shí)質(zhì)是對(duì)二維矩陣的處理［9］.平行光線照射在粗糙的物體表面上時(shí)，反射到相機(jī)感光底片上各點(diǎn)的光線強(qiáng)度存在差異，圖像各點(diǎn)亮度或灰度不同，拍攝到表面的上凸點(diǎn)位亮度較大(即灰度值較大)，下凹點(diǎn)位較暗(即灰度值較小)，可根據(jù)圖像各點(diǎn)明暗程度(灰度值大小差異)來(lái)區(qū)分物體表面的凸凹程度［10-11］，數(shù)字圖像的空間曲面構(gòu)造模型為

式中:Z為像素值;x，y分別為該像素所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo).

露石表面數(shù)字圖像通過(guò)數(shù)字圖像處理獲得圖像像素分布矩陣.為了說(shuō)明數(shù)字圖像技術(shù)在EACCP表面紋理構(gòu)造中的應(yīng)用效果，將露石表面數(shù)字圖像旋轉(zhuǎn)90°與像素空間分布圖像進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示.將露石表面數(shù)字圖像圖1(a)與像素空間分布圖1(b)的各部分進(jìn)行逐一對(duì)照，數(shù)字圖像的像素大小與露石表面凸凹狀態(tài)呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖像像素值的分布情況能客觀地反應(yīng)露石表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài).

圖1 露石表面數(shù)字圖像與像素空間分布

采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)露石表面進(jìn)行拍攝時(shí)，露石表面上凸、下凹各個(gè)點(diǎn)位的亮度不一，反射到底片上的光線強(qiáng)度存在差異，根據(jù)所采集的數(shù)字圖像中各點(diǎn)位像素值來(lái)獲得露石表面紋理構(gòu)造的凸凹狀態(tài)信息，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析露石表面紋理構(gòu)造深度和紋理構(gòu)造分布狀態(tài)，確定EACCP露石表面紋理構(gòu)造的質(zhì)量水平.

2 露石表面紋理構(gòu)造分析

2.1 露石表面圖像采集

基于數(shù)字圖像技術(shù)的露石表面紋理構(gòu)造分析方法，其分析對(duì)象為露石表面數(shù)字圖像，原始圖像應(yīng)能真實(shí)反映露石表面紋理構(gòu)造.露石表面圖像采集過(guò)程中的光照狀態(tài)是決定數(shù)字圖像質(zhì)量的主要因素，表面清潔程度會(huì)影響露石表面數(shù)字圖像質(zhì)量，露石表面組成材料的穩(wěn)定程度亦影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

通過(guò)規(guī)范EACCP露石表面數(shù)字圖像的采集操作過(guò)程，以便減少或避免露石表面原始圖像的信息誤差.數(shù)字圖像的拍攝設(shè)備采用普通數(shù)碼相機(jī)，在進(jìn)行數(shù)字圖像采集前需清掃道路表面，確保拍攝區(qū)域清潔干凈.在露石表面數(shù)字圖像采集過(guò)程中，綜合考慮發(fā)光源的亮度、照射角度等影響因素，在受照狀態(tài)相同情況下進(jìn)行多個(gè)測(cè)點(diǎn)圖像采集，拍攝的垂直距離固定為50 cm，拍攝時(shí)保持鏡頭平面與道路表面平行，同時(shí)將校準(zhǔn)條(或刻度尺)放置于拍攝區(qū)域的邊緣，在同一畫(huà)面內(nèi)拍下測(cè)點(diǎn)區(qū)域和校準(zhǔn)條.露石表面數(shù)字圖像如圖2所示，刻度尺置于拍攝區(qū)域下緣，用于紋理構(gòu)造計(jì)算過(guò)程中的尺寸換算.

圖2 露石表面原始數(shù)字圖像

2.2 露石表面圖像分析

按圖像采集要求對(duì)露石表面進(jìn)行數(shù)字圖像采集，將拍攝的數(shù)字圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行資料存檔和圖像分析處理，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行灰度分級(jí)處理，處理后的灰度圖像如圖3所示.

從灰度圖像中提取圖像的像素值，得到露石表面紋理構(gòu)造的像素曲面分布，將給定平面區(qū)域D內(nèi)各點(diǎn)的像素空間曲面F(x，y)與像素極大值所在平面圍成的體積，確定為該區(qū)域D內(nèi)的表面構(gòu)造像素空間體積，像素空間體積的數(shù)學(xué)模型為

式中:Vpixel為像素空間體積;(x，y)為圖像坐標(biāo);F(x，y)為(x，y)對(duì)應(yīng)的像素值;Fmax為像素極大值;D為積分區(qū)域.

圖3 露石表面灰度圖像

計(jì)算選定的數(shù)字圖像區(qū)域面積A內(nèi)的像素差平均值Hpixel.參照文獻(xiàn)［7-8］，即可計(jì)算出數(shù)字圖像相對(duì)應(yīng)露石紋理構(gòu)造深度大小，則

采用材料組成穩(wěn)定、露石工藝相同的露石表面進(jìn)行數(shù)學(xué)圖像樣本采集，得到各樣本像素曲面分布狀態(tài)，計(jì)算相應(yīng)的Hpixel.同時(shí)，在各圖像采集點(diǎn)位進(jìn)行鋪砂法試驗(yàn)，測(cè)量其紋理構(gòu)造深度H.分析各樣本點(diǎn)H與Hpixel之間的相關(guān)性，分析結(jié)果如圖4所示，H與Hpixel呈線性相關(guān)，回歸效果顯著.

圖4 露石表面H與Hpixel之間關(guān)系

我國(guó)行業(yè)技術(shù)規(guī)范中路表紋理構(gòu)造深度檢測(cè)方法包括鋪砂法和激光法［5-6］，鋪砂法的檢測(cè)設(shè)備便宜、操作簡(jiǎn)單，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響較大，激光法要通過(guò)專(zhuān)用的檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備昂貴，操作比較復(fù)雜.與常規(guī)檢測(cè)方法相比，數(shù)字圖像采集便捷，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)的露石表面紋理構(gòu)造深度檢測(cè)方法易于增加測(cè)試樣本數(shù)量，數(shù)字圖像能客觀反映露石表面紋理構(gòu)造的凸凹信息，分析過(guò)程可實(shí)施程序化運(yùn)算，便于實(shí)現(xiàn)露石表面紋理構(gòu)造深度的連續(xù)化檢測(cè).

從灰度圖像中提取圖像的像素分布矩陣，運(yùn)用圖像形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論進(jìn)行圖像分割、邊緣提取等，將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像.轉(zhuǎn)換后的二值圖像如圖5所示，二值圖像中的白色小區(qū)域代表露石表面紋理構(gòu)造各上凸小區(qū)域的分布形態(tài)，即露石顆粒分布狀態(tài).

圖5 露石表面二值圖像

提取二值圖像中白色小區(qū)域形態(tài)特征，計(jì)算白色小區(qū)域的個(gè)數(shù)、面積及大小組成.統(tǒng)計(jì)平面區(qū)域內(nèi)校準(zhǔn)條刻度尺寸對(duì)應(yīng)數(shù)字圖像長(zhǎng)度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量，數(shù)字圖像的像素當(dāng)量為

式中:ε為數(shù)字圖像的像素當(dāng)量;L為校準(zhǔn)條長(zhǎng)度;M為校準(zhǔn)條長(zhǎng)度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù).

通過(guò)計(jì)算程序?qū)Χ祱D像中各白色小區(qū)域的非零像素個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算二值圖像中各白色小區(qū)域的上凸面積大小，可通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得二值圖像中各白色小區(qū)域的面積為

式中:Si為第i個(gè)白色小區(qū)域反映的上凸面積;Ni為第i個(gè)白色小區(qū)域范圍內(nèi)非零像素?cái)?shù).

露石表面擁有豐富的紋理構(gòu)造，在路面潮濕狀態(tài)的行車(chē)過(guò)程中，EACCP紋理構(gòu)造的下凹部分能快速排離車(chē)輪下的路表水，上凸裸露顆粒能嵌入輪胎，提高了輪胎與路面的有效接觸面積，從而顯著提高了路面的抗滑性能.在潮濕狀態(tài)下行車(chē)時(shí)，如何使露石表面既能快速排水又能有效增大輪胎接觸面積，是確保露石表面抗滑性能有效發(fā)揮的關(guān)鍵，將露石表面紋理構(gòu)造中的上凸、下凹面積控制在合適范圍有利于穩(wěn)定露石表面的抗滑性能.在此，本文提出用上凸面積百分?jǐn)?shù)作為露石表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)，來(lái)分析EACCP表面紋理構(gòu)造的抗滑性能，露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)為露石表面上凸部分累計(jì)面積占被測(cè)表面面積的百分?jǐn)?shù)，即

式中:Ka為上凸面積百分?jǐn)?shù);∑Si為路表各上凸小區(qū)域的面積和;S為數(shù)字圖像相應(yīng)實(shí)際面積.

二值圖像的各白色小區(qū)域代表露石顆粒的形態(tài)特征，可根據(jù)二值圖像中各白色小區(qū)域的數(shù)量、面積及組成，計(jì)算露石表面紋理構(gòu)造的上凸小區(qū)域數(shù)量、面積及組成，得到露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù).

運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)檢測(cè)露石紋理構(gòu)造深度及紋理構(gòu)造分布狀態(tài)，定量分析紋理構(gòu)造質(zhì)量水平，具有效率高、費(fèi)用低、操作便捷、信息量大、客觀性強(qiáng)、適用面廣等特點(diǎn)，分析過(guò)程實(shí)行計(jì)算機(jī)程序化計(jì)算，便于實(shí)現(xiàn)露石表面紋理構(gòu)造檢測(cè)工作的連續(xù)化.基于數(shù)字圖像技術(shù)的路面紋理構(gòu)造分析方法，能很好地適用于EACCP露石表面，亦可在瀝青路面紋理構(gòu)造質(zhì)量檢測(cè)工作中推廣應(yīng)用.

3 露石表面紋理構(gòu)造抗滑性能

3.1 露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)

通過(guò)調(diào)整混凝土粗集料粒徑、砂率等參數(shù)［12］，制作大量的尺寸為 30 cm×30 cm×6 cm 水泥混凝土試驗(yàn)塊，在試驗(yàn)塊邊長(zhǎng)為30 cm正方形表面上進(jìn)行露石工藝處理，形成紋理構(gòu)造各異的露石表面.采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)大樣本量試驗(yàn)塊的露石表面進(jìn)行數(shù)字圖像采集，計(jì)算各試驗(yàn)塊露石表面的上凸面積百分?jǐn)?shù).同時(shí)，采用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀對(duì)各試驗(yàn)塊表面進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)各露石表面相應(yīng)的抗滑值y大小，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)與抗滑值關(guān)系

由圖6可知，露石表面抗滑值與上凸面積百分?jǐn)?shù)呈近似拋物曲線關(guān)系.當(dāng)上凸面積百分?jǐn)?shù)少于一定數(shù)值時(shí)，上凸面積百分?jǐn)?shù)與抗滑值呈正相關(guān)，露石表面抗滑性能隨上凸面積百分?jǐn)?shù)的增大而增強(qiáng);上凸面積百分?jǐn)?shù)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，上凸面積百分?jǐn)?shù)與抗滑值呈負(fù)相關(guān)，露石表面抗滑性能隨上凸面積百分?jǐn)?shù)的增大反而有所下降.綜合考慮露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)與抗滑值擬合曲線的區(qū)間［0.95ymax，ymax］，建議在進(jìn)行露石混凝土配合比設(shè)計(jì)、露石工藝設(shè)計(jì)時(shí)，露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)控制在［0.25，0.43］，有利于穩(wěn)定露石表面的高抗滑性能.

3.2 露石紋理構(gòu)造深度

運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)露石表面的數(shù)字圖像樣本進(jìn)行分析，計(jì)算各圖像樣本對(duì)應(yīng)的露石紋理構(gòu)造深度.同時(shí)對(duì)露石表面相應(yīng)位置進(jìn)行抗滑試驗(yàn)，測(cè)試其抗滑值大小，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7 露石表面紋理構(gòu)造深度與抗滑值關(guān)系

根據(jù)露石紋理構(gòu)造深度與抗滑值之間的擬合曲線可知，露石紋理構(gòu)造較小時(shí)，露石表面抗滑性能隨露石紋理構(gòu)造深度的增大而增強(qiáng)，當(dāng)構(gòu)造深度超過(guò)一定數(shù)值后，露石表面抗滑性能隨構(gòu)造深度的增大反而有所降低.露石表面紋理構(gòu)造較小則單位面積內(nèi)露石表面的裸露顆粒多，露石表面紋理構(gòu)造較大則單位面積內(nèi)露石表面的裸露顆粒少.現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)規(guī)范［6］對(duì)路面構(gòu)造深度只提出了最低值要求(高速公路、一級(jí)公路不少于0.8 mm，其他公路為 0.6 mm)，本文認(rèn)為 EACCP表面紋理構(gòu)造深度，應(yīng)既有最小值又有最大值的雙重要求更為合理.根據(jù)露石紋理構(gòu)造深度與抗滑值擬合曲線的區(qū)間［0.95ymax，ymax］抗滑極值區(qū)間，建議 EACCP表面紋理構(gòu)造深度控制在［0.58 mm，1.05 mm］.

3.3 露石表面粗集料粒徑級(jí)配組成

2010年11～12月份在重慶市涪陵區(qū)李渡鎮(zhèn)、云南省瑞麗市等秀至河邊街分別攤鋪了EACCP試驗(yàn)路段，考慮到施工成本因素，就地取材，選用了當(dāng)?shù)厥規(guī)r碎石作為粗集料.兩段試驗(yàn)路采用相同的露石工藝，露石深度均以1.5 mm為控制要求，主要差別在于選用不同粒徑級(jí)配的石灰?guī)r碎石作為粗集料:重慶試驗(yàn)路段采用 4.75～19 mm級(jí)配，云南試驗(yàn)路段采用 4.75～31.5 mm級(jí)配.

采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)不同粗集料級(jí)配試驗(yàn)路段的露石表面進(jìn)行數(shù)字圖像采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)計(jì)算兩試驗(yàn)路段各測(cè)點(diǎn)的露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)、露石紋理構(gòu)造深度，同時(shí)測(cè)試相應(yīng)點(diǎn)位露石表面的抗滑值大小，檢測(cè)結(jié)果分別如圖8、9所示.

圖8 不同級(jí)配的上凸面積百分?jǐn)?shù)與露石表面抗滑值關(guān)系

圖9 不同級(jí)配的表面紋理構(gòu)造深度與露石表面抗滑值關(guān)系

從圖8、9中可以看到，重慶試驗(yàn)路段的數(shù)據(jù)曲線整體抗滑值高于云南試驗(yàn)路段;云南試驗(yàn)路段的數(shù)據(jù)曲線變化幅度相對(duì)較大，靠近極大值附近變化明顯;重慶試驗(yàn)路段的數(shù)據(jù)曲線相對(duì)平緩，抗滑值大于60 BPN對(duì)應(yīng)的上凸面積百分?jǐn)?shù)、表面紋理構(gòu)造深度的取值范圍相對(duì)較寬.從檢測(cè)結(jié)果可知，采用4.75～19 mm級(jí)配的重慶試驗(yàn)路段抗滑性能優(yōu)于4.75～31.5 mm級(jí)配的云南試驗(yàn)路段，說(shuō)明4.75～19 mm級(jí)配的EACCP獲得較高抗滑值，其對(duì)應(yīng)的上凸百分?jǐn)?shù)、露石紋理構(gòu)造深度技術(shù)指標(biāo)所選擇范圍相對(duì)較大，4.75～19 mm級(jí)配的EACCP露石表面施工質(zhì)量可控性更強(qiáng)，粗集料粒級(jí)組成情況影響露石表面紋理構(gòu)造質(zhì)量狀態(tài)較顯著.

4 結(jié) 論

1)提出了采用上凸面積百分?jǐn)?shù)作為露石表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)，分析得出露石表面上凸面積百分?jǐn)?shù)與露石表面抗滑值呈近似拋物曲線關(guān)系，上凸面積百分?jǐn)?shù)的建議控制在［0.25，0.43］.

2)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)露石表面的數(shù)字圖像樣本進(jìn)行分析，建立了露石表面抗滑性能與露石紋理構(gòu)造深度的關(guān)系曲線，建議露石紋理構(gòu)造深度控制在［0.58 mm，1.05 mm］.

3)根據(jù)不同粗集料級(jí)配試驗(yàn)路段的露石表面抗滑性能檢測(cè)分析，得出4.75～19 mm級(jí)配的EACCP抗滑性能整體較高，其露石表面的施工質(zhì)量可控性更強(qiáng).

4)基于數(shù)字圖像技術(shù)的EACCP露石表面紋理構(gòu)造分析方法，可避免人為主觀性，具有效率高、費(fèi)用低、操作便捷、信息量大、客觀性強(qiáng)、適用面廣等特點(diǎn)，分析過(guò)程實(shí)行計(jì)算機(jī)程序化計(jì)算，便于實(shí)現(xiàn)露石表面紋理構(gòu)造質(zhì)量檢測(cè)的連續(xù)化.

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