幾種典型瀝青混合料車轍橫斷面變形特征分析

陳 華，英 紅

(1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，深圳 518029；2.桂林電子科技大學(xué)廣西高校圖像圖形智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

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道路工程

幾種典型瀝青混合料車轍橫斷面變形特征分析

陳 華1，英 紅2

(1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，深圳 518029；2.桂林電子科技大學(xué)廣西高校圖像圖形智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

針對傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)無法描述瀝青混合料側(cè)向隆起、流動等變形形態(tài)的問題，本文利用線激光和相機(jī)，設(shè)計(jì)、搭建瀝青混合料車轍斷面變形圖像采集系統(tǒng)，通過采集典型的骨架密實(shí)型、懸浮型和骨架空隙型混合料的斷面變形圖像，由圖像處理技術(shù)及格子計(jì)數(shù)法獲得用以描述這些混合料試件的車轍變形形態(tài)的特征參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，這些參數(shù)能夠反映混合料內(nèi)部荷載擴(kuò)散、流動變形能力及壓密松漲綜合效應(yīng)等混合料內(nèi)部信息，為評估材料高溫性能等方面提供新的視角。

瀝青路面；車轍試驗(yàn)；配合比；變形輪廓；特征參數(shù)

0 前 言

車轍變形是瀝青路面使用過程中最常見也是最主要的破壞類型，也是國內(nèi)外公路界學(xué)者的研究熱點(diǎn)，室內(nèi)車轍試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的模擬瀝青混合料在車輛荷載反復(fù)作用下的變形狀況，因此，各國普遍使用室內(nèi)車轍試驗(yàn)對混合料的高溫性能進(jìn)行復(fù)核，成為馬歇爾試驗(yàn)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法等在確定瀝青最佳用量時的必要補(bǔ)充，如我國在確定最佳瀝青用量方面主要采用的是馬歇爾試驗(yàn)法，并以車轍試驗(yàn)作為高溫性能驗(yàn)證的補(bǔ)充。

然而，傳統(tǒng)的車轍儀受限于位移傳感器的工作方式，僅能得到車轍變形的最大值，無法描述橫截面上的各點(diǎn)的變形情況。車轍宏觀變形是混合料內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)在頻繁的交通荷載下壓密、流動、松漲、隆起等變形效應(yīng)的累積表現(xiàn)，車轍橫斷面變形曲線是車轍宏觀變形形態(tài)的重要特征，從橫斷面曲線入手，研究斷面曲線特征與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對揭示材料在荷載作用下的行為特征、評估材料高溫性能等方面是十分必要的。

1 橫斷面變形曲線特征描述

大量實(shí)踐表明，瀝青路面車轍變形呈現(xiàn)出如圖1中曲線所示形態(tài)，除輪跡處出現(xiàn)凹陷外，在輪跡左右兩側(cè)同時會有隆起存在，而傳統(tǒng)的室內(nèi)車轍試驗(yàn)僅測量了凹陷深度，未對隆起高度、開口寬度、開口角度等信息進(jìn)行采集和分析，而這些變形特性與混合料級配類型、內(nèi)部集料顆粒的空間分布結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為了挖掘?yàn)r青混合料材料組成與車轍變形形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，對該曲線的凹陷、隆起、開口大小、開口角度等形態(tài)特征進(jìn)行了定義。

圖1 車轍變形曲線形態(tài)特征參數(shù)表征圖

如圖1所示的車轍橫斷面變形曲線中d0為車轍下凹最大深度，w1為車轍下凹區(qū)域的開口寬度，主要與集料顆粒組合結(jié)構(gòu)的荷載擴(kuò)散能力相關(guān)；d1、d2分別為車轍輪跡左、右兩側(cè)隆起的最大高度，w2為車轍輪跡兩側(cè)隆起區(qū)域峰值間距，它們反映了混合料抗流動變形的能力；S0為車轍下凹部分的面積，S1和S2為車轍輪跡左、右兩側(cè)隆起面積，反映了壓密和松漲效應(yīng)對混合料體積變化的影響。

2 車轍試件橫斷面變形曲線采集裝置

為了得到車轍試件斷面變形曲線，開發(fā)了數(shù)字圖像處理技術(shù)與光學(xué)技術(shù)相結(jié)合形成的光機(jī)電一體化的測量系統(tǒng)，它使用攝像機(jī)作為圖像傳感器，獲取線激光器在試件上的光條，然后利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、識別與檢測。

系統(tǒng)使用Sentech STC-Pocl232A面陣相機(jī)，分辨率1 600×1 200，幀率30fps，Cameralink輸出；Fujinon50 mm光學(xué)鏡頭；DALSA PC2-CameraLink圖像采集卡；FAR 650nm紅光一字型線激光器，功率為100 mW。相機(jī)與一字條形激光器分別固定于車轍試驗(yàn)機(jī)的橫梁上，其中一字激光器垂直照射在車轍試件上，試件上出現(xiàn)一條紅色的光條，相機(jī)安裝于右側(cè)，采集光條圖像，然后把圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而得出車轍變形曲線。

受車轍試驗(yàn)機(jī)恒溫倉體尺寸、相機(jī)工作距離及與光平面夾角所限，為保證車轍變形曲線的計(jì)算精度，車轍試件的采樣寬度只能控制在試件中部約為26 cm范圍內(nèi)。

3 斷面變形特征參數(shù)計(jì)算方法

采集車轍斷面光條圖像后，使用IMAQ Vision 6.0軟件進(jìn)行圖像處理，該軟件集成了大量圖像處理算法，并提供了一個帶有各種測量工具的軟件包Measurement Studio，利用它能夠方便地創(chuàng)建視覺檢測應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)迅速的車轍變形測量任務(wù)。首先，將圖2中加載前后的光條圖像相減，得到車轍的變形圖像；接著，借助車轍儀提供的車轍深度測量值對變形圖像進(jìn)行縱向標(biāo)定，然后根據(jù)橫向標(biāo)定物對變形圖像進(jìn)行橫向標(biāo)定，得到如圖2所示的實(shí)測車轍斷面變形曲線，該曲線中存在較多的毛刺，這是由于試件在輪載作用下，加載區(qū)及其附近區(qū)域的集料顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動造成的，為了方便獲取圖1中的各種特征參數(shù)，對該曲線進(jìn)行平滑處理，具體的做法可采用相鄰若干數(shù)據(jù)取平均值的做法，本文用左右相鄰10個數(shù)據(jù)取平均，得到平滑后的曲線如圖3所示。

圖2 實(shí)測斷面變形曲線

圖3 對平滑曲線進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)數(shù)

得到光滑的車轍變形曲線后，容易得出d0、d1、d2、W0、W1、W2等長度數(shù)據(jù)，但車轍下凹面積s0、左右側(cè)隆起面積s1和s2并不能從光滑曲線上直觀地得到，有鑒于此，本文使用“格子計(jì)數(shù)法”對其測量：根據(jù)橫、縱坐標(biāo)軸上的刻度在圖上畫出格子，然后通過對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的格子數(shù)目完成s0、s1和s2參數(shù)的測量，在計(jì)數(shù)時，當(dāng)曲線穿過格子時，分割的部分如果超過半個格子，則以一個格子計(jì)數(shù)，反之，則不計(jì)數(shù)，也不能將多個“半格”進(jìn)行累加。

4 車轍試驗(yàn)

選用13混合料，分別制作AM-13、AC-13F、AC-13C典型級配的混合料，級配使用規(guī)范中值，殼牌70#重交普通瀝青，瀝青用量、空隙率和車轍試驗(yàn)結(jié)果列于表1，斷面特征參數(shù)測量結(jié)果列于表2，兩類混合料的車轍斷面變形曲線對比于圖4。

表1 材料試驗(yàn)結(jié)果

圖4 車轍橫斷面變形曲線對比

類型d0d1d2dew1w2s0s1s2ΔSAC-13C3．71．11．41．25105．3179．6264．046．9104．7112．4AM-136．02．02．02．083．2154．7335．1119．799．2116．2AC-13F8．03．12．42．7579．3137．8507．8164．8190．3152．7

從表1中的傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)的車轍深度d值和表2的橫斷面變形曲線下凹深度d0值的試驗(yàn)結(jié)果上看，兩者結(jié)果基本相近，從表2看，C型結(jié)構(gòu)的d0值最小，F(xiàn)型最大，AM型居中；該值與傳統(tǒng)室內(nèi)車轍深度d值意義并不相同，兩者的含義也不一樣，車轍試驗(yàn)機(jī)位移傳感器所測位置是輪子在整條輪跡上的最低位置，而d0所測位置是某個橫斷面變形曲線經(jīng)過平滑后的最低點(diǎn)，一般來說，d0要稍小于d值，說明論文通過光條曲線測試車轍深度的方法是可靠的。

w1反映了混合料內(nèi)部顆粒組合結(jié)構(gòu)擴(kuò)散荷載的能力，C型w1值最大；F型最??；對于AM型這種骨架空隙結(jié)構(gòu)，雖然粗集料含量高，容易形成嵌擠形態(tài)，但由于細(xì)集料含量少，粘結(jié)力不足，導(dǎo)致傳荷能力弱于C型，但比F型要好。

w2、de反映了混合料抗流動變形的能力，F(xiàn)型結(jié)構(gòu)的抗流動性能最差，在輪子附近就出現(xiàn)了峰值，且峰值de最高；C型結(jié)構(gòu)既有粗集料嵌擠，又有細(xì)集料充分填充，抵抗材料相對運(yùn)動的能力最強(qiáng)，因此，它的峰值最低，距離加載區(qū)也最遠(yuǎn)。從w2，de值，可以看到細(xì)集料扮演的角色，細(xì)集料過多，如F型，流動性強(qiáng)；細(xì)集料過少，如AM型，存在較大空隙，也不利于抵抗材料的相對運(yùn)動。

在輪載作用下，壓密和松漲是混合料體積發(fā)生變化的兩種基本形式，令ΔS=S0-S1-S2，ΔS反映了壓密和松漲綜合效應(yīng)對混合料體積變化的貢獻(xiàn)，此值為正，表示壓密對體積變化的影響大于松漲，為負(fù)，則表示松漲效應(yīng)對體積變化占有主導(dǎo)地位。F型混合料雖然空隙率最小，但由于瀝青、細(xì)集料含量高，流動能力強(qiáng)，在反復(fù)碾壓下、揉搓，瀝青膠漿容易擠出、遷移，導(dǎo)致壓密效應(yīng)最明顯；AM型與C型相比，由于前者空隙率較大，可壓縮的潛力大，因此AM型的ΔS值稍高一些。

5 結(jié) 論

(1)提出了一種基于激光成像的車轍橫斷面曲線檢測方法，該方法通過簡單的圖像處理可獲取車轍橫斷面變形曲線。

(2)利用車轍橫斷面變形曲線，獲取了除車轍深度信息外，還獲取了反映混合料內(nèi)部荷載擴(kuò)散、流動變形能力及壓密松漲綜合效應(yīng)影響因素的參數(shù)，通過對典型的骨架密實(shí)型、懸浮型和骨架空隙型混合料的車轍橫斷面變形曲線參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)對幾種典型結(jié)構(gòu)的區(qū)分度是明顯的，而這些信息將大大加強(qiáng)人們對混合料內(nèi)部機(jī)構(gòu)抵抗車轍變形影響機(jī)理的認(rèn)識。

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2016-01-18

陳華(1981- )，男，工程師。

國家自然科學(xué)基金(51208130)，廣西自然科學(xué)基金(2013GXNSFBA019258),廣西高校圖像圖形智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助(GIIP201507),廣西科技開發(fā)項(xiàng)目(桂科攻14124004-4-14)

U416

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1008-3383(2016)08-0001-02