基于圖像分析技術(shù)的不同壓實方法瀝青混合料級配變化特征研究

肖　燕

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶　400067)

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基于圖像分析技術(shù)的不同壓實方法瀝青混合料級配變化特征研究

肖燕

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶400067)

摘要：利用圖像分析技術(shù)(IPT)計算集料針片狀含量、級配降級程度以及集料排列一致性比率，并將其與實際量測和現(xiàn)場鉆芯試件相比較，借以評估2種不同實驗室壓實方式的壓實效果。將實驗室壓實試件經(jīng)抽提篩分后與工地拌和級配通過圖像分析技術(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實法比旋轉(zhuǎn)壓實法(SCG)更易造成集料級配降級。因此，旋轉(zhuǎn)壓實方式更能模擬現(xiàn)場攤鋪碾壓的情況。

關(guān)鍵詞：壓實效果；配比設(shè)計法；圖像分析技術(shù)

瀝青混凝土路面的使用品質(zhì)與其材料性質(zhì)、配合比設(shè)計、厚度設(shè)計、施工質(zhì)量、交通量和氣候環(huán)境密切相關(guān)。瀝青混合料設(shè)計的目的在于確定集料與瀝青合適的配合比例，從而使混合料具有足夠的強度、穩(wěn)定性、耐久性和適當(dāng)?shù)目障堵始傲己玫墓ぷ餍訹1]。從上世紀(jì)30年代開始，瀝青混合料配合比設(shè)計國內(nèi)外均以馬歇爾法為主，但是仍無法杜絕瀝青混凝土路面提早發(fā)生破壞。此現(xiàn)象表明瀝青混合料配合比設(shè)計采用馬歇爾法有其局限性。由于馬歇爾配合比設(shè)計法是根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系發(fā)展而來，其試件制作過程的性狀與現(xiàn)場實際施工性狀關(guān)聯(lián)性不強，所以無法預(yù)估路面在實際鋪筑之后的性能[2]。對路面而言，材料配合比設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及路面性能應(yīng)同時考慮，而不能視為各自獨立。1993年，美國公路戰(zhàn)略發(fā)展計劃(SHRP)提出Superpave配合比設(shè)計系統(tǒng)方法。馬歇爾配合比設(shè)計法與SHRP的Superpave 配合比設(shè)計法最大的差異在于壓實設(shè)備和性能試驗的不同。前者采用夯擊方式壓實，后者則采用旋轉(zhuǎn)揉壓方式壓實。兩者均試圖以其采用的壓實方式使試件達(dá)到與實際路面相同的狀況[3]。不同壓實方式所制作的試件其集料顆粒排列與性質(zhì)都有所差異。馬歇爾配合比設(shè)計的理念是試件夯擊后其密度必須達(dá)到現(xiàn)場交通負(fù)載下的最終密度。若實驗室夯擊壓實結(jié)果不能達(dá)到現(xiàn)場最終密度，則可能會選用過高的瀝青含量來減少空隙率以增加密度。Brown等人[4]認(rèn)為現(xiàn)場瀝青混凝土密度常常會超過實驗室夯擊壓實結(jié)果。

實驗室試件壓實方式是配合比設(shè)計法的關(guān)鍵。以往對不同配合比設(shè)計法進(jìn)行比較研究時，常以試件力學(xué)性質(zhì)和路面性能來間接評估何種壓實方式更能模擬路面鋪筑碾壓與開放交通后車輛的壓實[5]。壓實方式不同將導(dǎo)致壓實能量和集料顆粒排列狀態(tài)不同，使試件內(nèi)部空隙有所差異，也可能造成級配逐級降級填隙程度不同。以往通常以礦料間空隙率(VMA)來評估試件內(nèi)部填充瀝青空間的大小，但是VMA無法進(jìn)一步評估集料顆粒排列情況。

近年來，數(shù)位圖像分析技術(shù)已快速成為量化物體幾何形狀的工具。一些研究應(yīng)用圖像分析來揭示瀝青混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如空隙率或集料方位測定[6-7]。還有一些研究則著重于描述集料的形狀，如細(xì)長性、多角性、表面紋理以及表面積等幾何性質(zhì)。本文則研究如何應(yīng)用圖像分析技術(shù)來揭示和評估瀝青混凝土試件內(nèi)部集料顆粒排列以及級配降級填隙的程度，以比較馬歇爾擊實儀和SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀2種壓實方式與現(xiàn)場路面碾壓的差異。

1試驗材料

本試驗采用廣東省4條高速公路工程中實際使用的瀝青混合料，結(jié)合料均為90號石油瀝青，集料為各地區(qū)生產(chǎn)的材料。瀝青和集料的基本性質(zhì)分別如表1、表2所示。集料級配采用公稱最大粒徑19.0 mm，同時符合廣東省路面設(shè)計手冊及Superpave級配規(guī)范規(guī)定，如表3所示。本次混合料試驗設(shè)計采用傳統(tǒng)的馬歇爾配合比設(shè)計法和Superpave Level1配合比設(shè)計體系，其中Superpave Level1配合比設(shè)計體系旋轉(zhuǎn)壓實圈數(shù)采用與當(dāng)?shù)刂亟煌肯鄳?yīng)的設(shè)計圈數(shù)，如表4所示。

2圖像分析

本文采用ISODATA分類法對瀝青、集料進(jìn)行分類，并采用C++語言自行編譯開發(fā)程序?qū)D像進(jìn)行分析，圖像分析程序主要分成二值化處理和參數(shù)計算2個主要部分。二值化的功能在于辨識瀝青與集料，并計算圖像的像素數(shù)。參數(shù)計算主要包含計算集料針片狀含量、近似圓直徑和排列一致性比率等。圖像二值化處理前后對比結(jié)果見圖1。

圖1　圖像二值化處理前后對比

圖像分析時單一顆粒的扁平性(Flatness)是以集料斷面1組正交長軸與短軸的最大比值來表示[8]，如式(1)。首先在顆粒邊緣上尋找任2點像元間最大的連線長，將其定義為長軸；然后沿長軸搜尋與長軸正交的最大顆粒邊緣的連線長，將其定義為短軸。長、短軸的比值即為扁平性。將所有長軸大于4.75 mm的集料視為粗集料，則其中扁平性大于3的集料數(shù)目與所有粗集料數(shù)目的比值即為圖像分析所得的長細(xì)比3∶1針片狀含量F。近似圓直徑Dc的計算，如式(2)，其中A為顆粒面積，可由已知的單一像元面積乘上顆粒所占總像元數(shù)求得。

(1)

表2　集料的物理性質(zhì)

表3　集料級配

表4　Superpave本土化的壓實圈數(shù)

(2)

集料排列評估應(yīng)用向量法，采用南北向與東西向作為主軸來評估一群顆粒分布的一致性，其參數(shù)稱為排列一致性比率Δ，且Δ介于0～100%之間。集料分布狀態(tài)越隨機(jī)，則其值就越接近于0；反之，集料分布狀態(tài)方向性越相同，則其值就越接近100%[9]。本文利用先前圖像分析所決定的長軸，可求出各集料長軸與水平軸的夾角θk，再代入式(3)，則可統(tǒng)計所有集料的分布情形。

(3)

式中：N為集料數(shù)目。

3試驗結(jié)果分析

3.1配合比設(shè)計結(jié)果

對廣東省4條高速公路所用集料進(jìn)行了馬歇爾配合比設(shè)計和Superpave配合比設(shè)計，結(jié)果比較如表5所示。從表5可以看出，除了梅大高速公路的差異不明顯外，其他3條高速公路馬歇爾配合比設(shè)計的最佳含油量比Superpave配合比設(shè)計的結(jié)果高出許多。2種方法最佳含油量的平均差異高達(dá)0.675%。

同樣，Superpave配合比設(shè)計法設(shè)計的瀝青混合料其VMA也遠(yuǎn)低于馬歇爾配合比設(shè)計法設(shè)計所得的VMA。馬歇爾配合比設(shè)計法高估VMA的結(jié)果將導(dǎo)致用較多瀝青去填充VMA，使得原本配合比設(shè)計中被預(yù)估為空隙率的部分被多余的瀝青占據(jù)。在開放交通一段時間后，由于瀝青混凝土的再密實效應(yīng)將使瀝青沒有足夠的空隙來容納，因此路面會產(chǎn)生泛油、車轍及推擠的現(xiàn)象。若將馬歇爾配合比設(shè)計結(jié)果直接應(yīng)用于工程，則瀝青混凝土路面常常會出現(xiàn)含油量過高的現(xiàn)象，嚴(yán)重時碾壓完成后就會出現(xiàn)片狀泛油現(xiàn)象。因此，現(xiàn)場施工時一般都會通過降低設(shè)計含油量來防止這種現(xiàn)象發(fā)生。

表5　馬歇爾設(shè)計法和Superpave設(shè)計結(jié)果比較　%

從表5還可以看出，所有的配合比設(shè)計結(jié)果均符合規(guī)范要求，除了汕揭高速公路和繞城高速公路使用馬歇爾配合比設(shè)計法所得的VFA略為超出規(guī)范值。根據(jù)設(shè)計理念，若VFA過高，則瀝青路面發(fā)生車轍、泛油、推擠等的風(fēng)險就會增大。因此，考慮我國部分地區(qū)交通量大且氣候炎熱，如果適度修正馬歇爾配合比設(shè)計法所確定的最佳瀝青含量，則其減少的含油量將提高瀝青混凝土的空隙率，進(jìn)而降低VFA。假設(shè)VMA維持不變，按照目前部分路面工程減少0.2%～0.5%含油量的經(jīng)驗做法，汕揭高速公路和繞城高速公路使用馬歇爾配合比設(shè)計法所得的VFA就都能控制在規(guī)范值范圍內(nèi)。

3.2集料針片狀含量

馬歇爾配合比設(shè)計法確定的最佳含油量、VMA和VFA高于Superpave配合比設(shè)計法確定值的原因在于級配降級填隙程度的差異與壓實效果的不同。有研究顯示，粗集料顆粒針片狀含量會影響集料顆粒的破裂數(shù)量，針片狀顆粒中長細(xì)比大于3∶1或 5∶1的百分比與集料通過4.75 mm篩百分比的變化有關(guān)[10]。粗集料顆粒長細(xì)、扁平性質(zhì)試驗方法極為簡易，且試驗結(jié)果的再現(xiàn)性高。雖然粗集料的針片狀含量可借助如ASTM D4791所規(guī)定的卡尺模進(jìn)行量測，但由于該規(guī)范中規(guī)定的具有代表性的集料最少數(shù)量偏大，故相對于圖像分析而言，試驗時間會較長。尤其是當(dāng)需要計算不同針片狀含量(長細(xì)比 3∶1或5∶1)的顆粒百分比時，使用卡尺模等于要對每顆集料重復(fù)進(jìn)行2次試驗，而圖像分析則無重復(fù)量測的困擾。

為了便于對瀝青混合料2種試驗設(shè)計法的試件進(jìn)行數(shù)位圖像分析研究，本文利用馬歇爾擊實儀與SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀，按4個地區(qū)集料分別在最佳含油量下各制作3個試件，且每個試件都橫切出4個面進(jìn)行圖像分析，因此每種集料配合比共計有12個計算結(jié)果。圖像分析過程中，將所有長軸大于4.75 mm的集料視為粗集料，計算扁平性大于3的集料數(shù)目與所有粗集料數(shù)目的比值，并將其作為圖像分析的針片狀顆粒含量。圖像分析結(jié)果的平均值與采用卡尺模實際量測粗集料針片狀含量的結(jié)果如表6所示。由成對母體平均數(shù)差異t檢驗可知，無論是使用馬歇爾擊實儀還是SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀制作的試件，其圖像分析結(jié)果均與實際量測粗集料針片狀顆粒含量在統(tǒng)計上并無顯著差別。這也意味著圖像分析具有取代集料幾何性質(zhì)傳統(tǒng)試驗的潛能，可節(jié)省大量試驗時間和人工成本。

表6　圖像分析與實際量測粗集料3∶1針片狀含量結(jié)果　%

3.3級配降級程度

從表6數(shù)據(jù)看，SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀制作試件的圖像分析結(jié)果比較接近實際量測結(jié)果，其原因之一可能是壓實方式造成級配降級程度不同。筆者進(jìn)一步將上述試件進(jìn)行了抽提篩分試驗，且利用圖像分析法計算試件橫切面上通過9.5 mm篩、停留于4.75 mm篩的集料占整體粗集料的百分比，以探討2種壓實方式對級配降級的程度。橫切面上所有長軸大于4.75 mm的集料視為粗集料，且利用式(2)，可以計算每顆集料的近似圓直徑Dc。假設(shè)該球體體積可代表顆粒的真實體積且集料比重相同，又假設(shè)切面處并非集料最大斷面，因此過篩與否以長軸尺寸來判斷，則停留于4.75 mm篩的集料占整體粗集料的體積百分比可與實際抽提篩分析的重量百分比進(jìn)行比較。

馬歇爾擊實儀(MS)及SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)所制作的試件經(jīng)抽提篩分的級配與原來工地現(xiàn)場合成級配的比較如表7所示。除了梅大高速公路以外，馬歇爾擊實儀造成級配降級的程度遠(yuǎn)比SGC旋轉(zhuǎn)壓實法嚴(yán)重。結(jié)合前述VMA的比較可以發(fā)現(xiàn)，梅大高速公路集料級配降級不明顯，2種配合比設(shè)計法求得的VMA的差異不大；而其他3條高速公路集料級配降級較為明顯，VMA差異也較大。因此，可以認(rèn)為，SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀并不會造成太大的集料級配降級，且相對于馬歇爾擊實儀，旋轉(zhuǎn)壓實方式與現(xiàn)場輪壓機(jī)的壓實效果較為相近。

表7　壓實試件抽提篩分析與原來級配(JMF)比較

馬歇爾擊實儀及SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀成型的各試件切面12組圖像分析平均值與原來級配通過9.5 mm篩、停留于4.75 mm篩的集料占整體粗集料百分比的比較如表8所示。由成對母體平均數(shù)差異t檢驗可知，相對于工地級配，使用馬歇爾擊實儀或SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀制作的試件圖像分析結(jié)果均有顯著差異。進(jìn)一步比較不同壓實方式的圖像分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)馬歇爾夯壓試件造成級配降級的情況遠(yuǎn)較SGC試件明顯。

表8　圖像分析與工地級配4.75 mm篩余集料

4集料排列評估

考慮現(xiàn)場鉆芯取樣試件的級配和集料來源，本文選擇梅大高速公路集料的圖像來評估馬歇爾擊實儀與SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀較接近的現(xiàn)場攤鋪碾壓的情況。3個現(xiàn)場鉆芯試件同樣橫切4個面，共計有12個圖像分析結(jié)果。利用集料排列一致性比率Δ，如式(3)，來計算集料的排列分布，以比較實驗室2種不同的壓實方式與現(xiàn)場壓實效果的差異。馬歇爾試件、SGC試件及現(xiàn)場鉆芯試件切面二值化圖像的典型圖片如圖2所示。

圖2　2種實驗室壓實試件及現(xiàn)場鉆芯試件的二值化圖像

馬歇爾試件及SGC旋轉(zhuǎn)壓實試件相對于現(xiàn)場鉆芯試件集料排列一致性比率的t檢驗結(jié)果如表9所示。從表9可以看出，馬歇爾擊實試件的集料排列與現(xiàn)場鉆芯試件有顯著差異，而SGC試件的Δ值與現(xiàn)場鉆芯試件則無明顯差異。就集料排列而言，馬歇爾擊實試件的集料排列較具方向性，而SGC試件和鉆芯試件的集料排列則較為隨機(jī)。由此可知，SGC旋轉(zhuǎn)壓實方式明顯較能模擬現(xiàn)場攤鋪碾壓的狀態(tài)。

表9　集料排列一致性比率的t檢驗結(jié)果

5結(jié)論

瀝青混合料試件的壓實方式將影響其壓實能量和集料顆粒的排列狀態(tài)，使得試件內(nèi)部容納瀝青的空間有差異，從而會造成集料級配降級程度不同。以往常以集料間空隙率VMA來評估試件內(nèi)部填充瀝青空間的大小，但VMA卻無法評估集料顆粒排列的狀況，以往要了解級配降級狀況，也需進(jìn)行成本高、耗時長的抽提篩分試驗來實現(xiàn)。本文利用圖像分析技術(shù)計算集料針片狀含量、級配降級程度以及集料排列一致性比率，并將實際量測與現(xiàn)場鉆芯試件進(jìn)行比較，以評估馬歇爾擊實儀與SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀的壓實效果。對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

1) 除了梅大高速公路的集料級配降級差異不顯著外，馬歇爾配合比設(shè)計法高估了VMA的結(jié)果，導(dǎo)致其設(shè)計瀝青含量偏高。

2) 無論是利用馬歇爾擊實儀還是SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀制作試件，其圖像分析與實際量測的粗集料針片狀顆粒含量并無顯著差異，說明圖像分析具有取代集料幾何性質(zhì)傳統(tǒng)試驗的潛力。

3) 除了梅大高速公路集料外，使用馬歇爾擊實法造成試件集料級配降級的程度遠(yuǎn)比SGC旋轉(zhuǎn)壓實法嚴(yán)重，且比較不同壓實方式的圖像分析結(jié)果也得到類似的結(jié)果。相對于工地拌和料級配，實驗室2種壓實方式其試件圖像分析結(jié)果均呈現(xiàn)明顯差異，但就級配降級而言，旋轉(zhuǎn)壓實方式與現(xiàn)場碾壓的壓實效果相近。

4) 集料排列一致性比率的圖像分析結(jié)果顯示，馬歇爾夯壓試件的集料排列與現(xiàn)場鉆芯試件具有顯著差異，而SGC旋轉(zhuǎn)壓實試件集料排列與現(xiàn)場鉆芯試件則無明顯差異。因此，就集料排列而言，SGC旋轉(zhuǎn)壓實方式明顯更能準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場攤鋪碾壓情況。

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Research on Change Features of Gradation of Asphalt Mixture in Different Compaction Methods Based on Image Processing Technique

XIAO Yan

Abstract:This paper calculates percentage of flat-elongated particles, degree of degradation of gradation and ratio of arrangement consistency of aggregate by means of image processing technique (IPT), and compares them with actual measurement and on-site core-drilling samples so as to evaluate compaction effects of 2 different compaction methods in laboratory. The paper compares compacted samples in laboratory after extraction and screening with mixing gradation on construction site via image processing technique and finds out that the Marshal compaction method is easier to cause degradation of aggregate gradation than the spin-compacted gradation method(SCG). Therefore, the revolving compaction method is better to simulate on-site pavement and compaction.

Keywords:compaction effect; ratio design method; image processing technique

文章編號：1009-6477(2016)01-0042-06

中圖分類號：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：肖燕(1985-)，女，安徽省安慶市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-08-12

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.010