基于圖像處理的瀝青混合料集料幾何特性研究*

成豪杰 呂慧杰 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室成型試件的最終目的是為了服務(wù)于項(xiàng)目路面實(shí)際情況的研究與分析，而實(shí)驗(yàn)室成型和路面成型試件由于所處環(huán)境的差異往往在結(jié)構(gòu)上不能完全吻合.二者如果相差過大，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際路面使用壽命遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)室成型試件的壽命預(yù)測值.瀝青混合料在承受車輛荷載時(shí)，受力主體是混合料內(nèi)部的集料骨架，故明確室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件和現(xiàn)場取芯的集料骨架差異性尤為必要.

包得祥[1]從體視學(xué)理論的角度出發(fā)，由集料的平面圓分布映射推導(dǎo)到空間集料的分布情況，進(jìn)而將路面芯樣的集料分布數(shù)值化.石立方等[2]利用高清CCD數(shù)碼相機(jī)對高精度雙面鋸切割出的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件拍照，分析了接觸點(diǎn)、空隙率隨深度的分布，以及粗集料骨架間隙率、車轍深度的相關(guān)性.廖一平[3]利用圖像處理技術(shù)對集料內(nèi)部針片狀顆粒和主軸排列分布進(jìn)行了分析.

美國聯(lián)邦公路局聯(lián)合特納公路研究中心開展的SIMAP計(jì)劃主要運(yùn)用工業(yè)CT，對混合料內(nèi)部的集料和空隙分布和集料的離析情況進(jìn)行了探究，并將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件，對混合料宏觀力學(xué)性能進(jìn)行了分析[4].Masad等[5]對瀝青混凝土內(nèi)部的集料長軸的取向、顆粒分布，以及離析情況提出了一些具體的量化評價(jià)參數(shù).

已有研究的側(cè)重點(diǎn)在于指定某種瀝青混合料，對瀝青混合料中的三相分布進(jìn)行探究，明確具體分布后通過數(shù)值模擬的手段和宏觀力學(xué)性質(zhì)建立起聯(lián)系，而少有關(guān)于混合料內(nèi)部集料特性多角度的對比評價(jià).文中通過圖像處理軟件提取集料輪廓，并利用相應(yīng)指標(biāo)加以計(jì)算分析，評價(jià)集料的各向異性、方向性、位置性，以及分布均勻性性，體現(xiàn)兩種成型方式試件的幾何特性差異性.

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青

瀝青為湖北鄂州某公司生產(chǎn)的70號基質(zhì)石油瀝青，其性質(zhì)按文獻(xiàn)[6]的有關(guān)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1.該瀝青所檢項(xiàng)目各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范中的技術(shù)要求.

1.2 集料

集料為湖北安陸某碎石廠生產(chǎn)石灰?guī)r，其性質(zhì)按文獻(xiàn)[7]的有關(guān)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)見表2.

礦粉的性質(zhì)按文獻(xiàn)[7]的有關(guān)方法進(jìn)行檢驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)見表3.

1.3 混合料配合比

瀝青混合料配合比按照文獻(xiàn)[8]的要求進(jìn)行.為保證成型試件和路面的配合比保持一致，室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件采用施工配合比，見表4.

表1 瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 集料各項(xiàng)指標(biāo)

表3 礦粉各項(xiàng)指標(biāo)

表4 施工配合比

2 試驗(yàn)流程

2.1 現(xiàn)場鉆芯取樣和實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件

項(xiàng)目芯樣取自麻竹高速大悟段試驗(yàn)段.對于取芯方式，若芯樣取芯位置之間相隔太近，首先是前一個(gè)芯樣取芯時(shí)，機(jī)具振動(dòng)會(huì)對周圍路面結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)，對下一個(gè)取芯質(zhì)量造成干擾；其次，相隔太近無法具有代表性地反映整段下面層試驗(yàn)段中集料沿厚度的沿程平均分布情況，使得誤差較大[9].故確定取芯方案為取芯三個(gè)直徑為150 mm的芯樣，取芯位置沿縱斷面分布根據(jù)路線全長平均分布，在每個(gè)位置均沿道路中線取芯.

匹伐他汀對比阿托伐他汀治療中國成人原發(fā)性高脂血癥的Meta分析 ……………………………………… 徐嘏毅等（1）：106

依托武漢理工大學(xué)湖北省公路工程技術(shù)研究中心的道路實(shí)驗(yàn)室瀝青路面試驗(yàn)成套設(shè)備，在室內(nèi)按照目標(biāo)配合比完成了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的制備.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件直徑150 mm、高175 mm.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法相對于馬歇爾成型方法具有明顯的優(yōu)勢，其壓實(shí)質(zhì)量對于瀝青含量的依賴程度相對較低，這是因?yàn)槎叱尚蜁r(shí)的機(jī)具對混合料的物理傳力方式有著顯著差異.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)主要是通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)加之碾壓成型，集料可以更好地在混合料內(nèi)部朝著更密實(shí)的趨勢錯(cuò)動(dòng).而馬歇爾成型是在豎向擊實(shí)，瀝青含量較少的時(shí)候，集料的挪動(dòng)更需要瀝青的黏附性去帶動(dòng)，故旋轉(zhuǎn)壓實(shí)更接近現(xiàn)場的實(shí)際壓實(shí)情況，但仍有差異[10].

2.2 試件切割和拍照

試件制備完成后需要考慮到計(jì)算機(jī)圖像處理軟件對于圖像的識別難易程度，因?yàn)槭覂?nèi)成型試件外表混合料呈黑色，很難分辨出集料的輪廓，故需對兩種試件切割后形成邊長為(70±3) mm的立方體試件，對橫向四面拍照，進(jìn)行圖像對比度調(diào)節(jié)后利用軟件開展分析工作.切割機(jī)具采用澳大利亞某公司生產(chǎn)的雙面切割鋸，切割順序是，先切掉整個(gè)試件的四側(cè)，將棱柱體切割出來，然后再對居中棱柱劃線，確定立方體具體輪廓.

切割出來的立方體試件，由于在切割過程中需要噴水降溫降噪，其表面有部分區(qū)域已經(jīng)濕潤.故應(yīng)放置24 h后干燥后，測量其孔隙率.測量方法按照文獻(xiàn)[6]中表干法相關(guān)要求進(jìn)行.經(jīng)實(shí)驗(yàn)，六個(gè)切割后的試件均滿足規(guī)范要求.

在孔隙率測試完畢后，需等1 h后，待其表面干燥，對其橫向四個(gè)截面進(jìn)行拍照處理.拍照過程中，應(yīng)注意將背景布置為白色，方便后續(xù)圖片的增強(qiáng)處理和圖片切割等操作.經(jīng)過圖片處理后的截面照片見圖1.

圖1 經(jīng)過圖片處理后的截面照片

2.3 基于Image Pro Plus軟件的集料特性提取

采用的計(jì)算機(jī)圖像處理軟件為Image Pro Plus 7.0(以下簡稱IPP 7.0).可以對立方體試件截面圖像實(shí)現(xiàn)測量、計(jì)數(shù)，以及圖像標(biāo)注.通過軟件的測量，將集料輪廓描繪出來，等效為橢圓[11]進(jìn)行分析.等效橢圓示意圖見圖2.

圖2 等效橢圓示意圖

軟件操作的步驟可概括為以下四步：①定義標(biāo)準(zhǔn)長度，因?yàn)樵撥浖R別圖像是以像素為單位，所以在使用時(shí)需要提供實(shí)際長度在圖像中的標(biāo)尺，在干燥的試件表面，為了讓長度標(biāo)記對比更加清晰，使用鉛筆和三角板，在每一個(gè)截面表面標(biāo)記10 mm的單位長度供定義使用；②選擇測量指標(biāo)，考慮到后續(xù)所要分析的指標(biāo)，選取長軸、短軸、長短軸之比、面積、形心X、Y坐標(biāo)、平均直徑作為本文的測量指標(biāo).考慮到1.18 mm以下的顆粒長短軸之比與1相差不大，對于集料骨架的受力影響幾乎可以忽略[12]，故在對短軸測量范圍定義時(shí)，設(shè)置下限為1.18 mm，也就意味著短軸小于1.18 mm的顆粒將不會(huì)被拾??；③修正拾取結(jié)果，在初始軟件按照測量指標(biāo)拾取集料后，在輪廓圖中會(huì)出現(xiàn)很多“連體”和“殘缺”的情況發(fā)生，這就需要手動(dòng)進(jìn)行修改，將集料顆粒的輪廓補(bǔ)充完整；④保存拾取數(shù)據(jù)，對于拾取的數(shù)據(jù)，輸出為cnt格式，方便后期導(dǎo)入Excel中進(jìn)行計(jì)算分析.

根據(jù)以上陳述的測量指標(biāo)，關(guān)于其方向的定義有三種:①是關(guān)于傾角的定義，在IPP 7.0中，顆粒傾角定義為Y負(fù)方向旋轉(zhuǎn)至等效橢圓長軸所經(jīng)過的角度，取值范圍為0°～180°；②是形心X、Y方向的定義.對于軟件中的圖片，默認(rèn)左上方定點(diǎn)為XOY坐標(biāo)系原點(diǎn)，水平向右為X軸正向，豎直向下為Y軸正向.具體情況見圖3.

圖3 軟件中相關(guān)方向定義

圖4 手動(dòng)修正拾取結(jié)果后的最終顆粒輪廓

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

3.1 修正矢量幅度

修正矢量幅度是一個(gè)考慮了集料形狀、大小，以及傾向的反映集料顆粒分布各向異性的指標(biāo).由修正矢量幅度計(jì)算式(1)可知，當(dāng)所有集料顆粒都傾向于一個(gè)方向時(shí)，也就是θk都相同時(shí)，修正矢量幅度Δ′將等于1.而Δ′的取值范圍是0～1，也就說明當(dāng)修正矢量幅度Δ′越大越接近于1，集料骨架的各向異性程度越大，反之越小越接近于0，則各向異性程度越小[13].將每一個(gè)截面的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Excel中，編輯公式計(jì)算修正矢量幅度，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和路面取芯試件修正矢量幅度計(jì)算結(jié)果見表5.

(1)

3.2 平均傾角

平均傾角是反映混合料內(nèi)部集料顆粒平均傾斜程度的指標(biāo).需要說明的是，此處傾角數(shù)據(jù)，方向規(guī)定按照IPP 7.0內(nèi)部的規(guī)定執(zhí)行.它和計(jì)算矢量幅度時(shí)采用的傾角是互余的關(guān)系.平均傾角柱形圖見圖5.

表5 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)修正矢量幅度計(jì)算結(jié)果

圖5 平均傾角柱形圖

3.3 各級配區(qū)間段平均傾角

從平均傾角的計(jì)算結(jié)果可知，兩種成型方式下，整體的平均傾角非常接近，都略小于90°.故無法從這一指標(biāo)體現(xiàn)出混合料內(nèi)部集料的平均傾向程度，于是轉(zhuǎn)而根據(jù)集料顆粒的級配，分別計(jì)算每一集配區(qū)間段內(nèi)的集料的平均傾角.于是，將混合料內(nèi)部集料的級配區(qū)間劃分為1.18～2.36，>2.36～4.75，>4.75～9.5，>9.5～13.2，>13.2～16，>16～19，>19 mm.判斷集料的粒徑并不是根據(jù)集料本身的輪廓，而是根據(jù)等效橢圓后的短軸的長度，來進(jìn)行級配區(qū)間的篩選，這與上文中在設(shè)定測量參數(shù)時(shí)忽略1.18 mm以下粒徑顆粒的影響而設(shè)置軟件拾取集料輪廓的短軸下限為1.18 mm是相呼應(yīng)，不矛盾.具體的各級配區(qū)間段平均傾角計(jì)算原則是：對于一個(gè)試件，首先分別計(jì)算四個(gè)面上的每一區(qū)間段內(nèi)的平均傾角，并統(tǒng)計(jì)每一區(qū)間段內(nèi)集料顆粒的個(gè)數(shù).隨后對每一級配區(qū)間段內(nèi)的平均傾角按照四個(gè)面上該級配區(qū)間段內(nèi)集料顆粒的個(gè)數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，確定該試件在該級配區(qū)間段內(nèi)的平均傾角.然后對于兩種成型方式各三個(gè)試件分別平均，確定兩種成型方式下的對應(yīng)各級配區(qū)間段下的平均傾角，計(jì)算結(jié)果見表6和圖6.

表6 兩種成型方式下各級配區(qū)間段平均傾角計(jì)算結(jié)果

圖6 兩種成型方式下各級配區(qū)間段平均傾角折線圖

3.4 各級配區(qū)間段坐標(biāo)偏移量

選取坐標(biāo)偏移量作為分析指標(biāo).首先將“整體中心”定義為截面內(nèi)軟件所拾取集料的平均坐標(biāo)位置，各級配區(qū)間段坐標(biāo)偏移量定義為各級配區(qū)間內(nèi)的集料平均坐標(biāo)位置和整體中心的坐標(biāo)之差.在計(jì)算時(shí)，對于一個(gè)試件，先分別計(jì)算四個(gè)面內(nèi)各區(qū)間段內(nèi)集料平均中心與整體中心的坐標(biāo)偏移量，再以某一區(qū)間的四個(gè)面的坐標(biāo)偏移量的平均值作為該試件在該級配區(qū)間的坐標(biāo)偏移量.最終分別對兩類試件取平均值，得到兩類試件在各區(qū)間段內(nèi)的坐標(biāo)偏移量.坐標(biāo)的原點(diǎn)以及正方向在2.3中已經(jīng)介紹.每一級配區(qū)間段坐標(biāo)偏移量若越接近于0，表示各級配區(qū)間段對于整體集料骨架力學(xué)性能的貢獻(xiàn)越優(yōu)良[14].各級配區(qū)間段坐標(biāo)偏移量計(jì)算結(jié)果見表7.

表7 各級配區(qū)間段坐標(biāo)偏移量計(jì)算結(jié)果 mm

3.5 顆粒分布情況

引入“內(nèi)外分布指數(shù)NW”這一指標(biāo)概念來評價(jià)瀝青混合料內(nèi)部顆粒分布情況.瀝青混合料是按照一定集料顆粒級配摻入瀝青經(jīng)過攪拌而成的三相復(fù)合材料，所以受力主體集料的分布均勻性也就影響著混合料的性質(zhì).本文通過劃分每個(gè)截面為內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域，分別在每個(gè)試件的四個(gè)截面上比較兩個(gè)區(qū)域內(nèi)集料平均直徑，計(jì)算每個(gè)面的內(nèi)外分布指數(shù)，取平均值作為該試件的集料分布均勻情況，反映集料顆粒在截面內(nèi)的分布的均勻情況.劃分內(nèi)外區(qū)域的原則為：內(nèi)外兩部分區(qū)域面積相等，內(nèi)部區(qū)域?yàn)榫匦?，長寬比和截面矩形長寬比相等、長寬分布和截面矩形的相同.具體劃分情況見圖7.從內(nèi)外分布指數(shù)式(2)不難看出，若大粒徑顆粒越偏向于分布在外部區(qū)域，則外部區(qū)域平均直徑就會(huì)比內(nèi)部區(qū)域的平均直徑大，內(nèi)外分布指數(shù)呈現(xiàn)正值，反之呈現(xiàn)負(fù)值.內(nèi)外分布指數(shù)絕對值偏離0的距離越遠(yuǎn)，表示混合料內(nèi)部集料分布均勻性越差，故這項(xiàng)指標(biāo)可以作為分析瀝青混合料離析傾向的參考指標(biāo)之一[15].顆粒內(nèi)外分布指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表8.

圖7 截面內(nèi)外部區(qū)域劃分示意圖

顆粒內(nèi)外分布指數(shù)NW=

(2)

4 結(jié) 論

1) 在同種級配的前提下，路面取芯試樣的修正矢量幅度近似為0.38，而室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的修正矢量幅度近似為0.31，路面芯樣的各向異性程度高出旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的22.58%.

2) 在同級配的前提下，路面取芯芯樣和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣內(nèi)部集料的整體平均傾向程度相差不大，平均傾角都接近并小于90°.

3) 在同級配的前提下，對于各級配區(qū)間內(nèi)平均傾角，在粒徑小于16 mm的區(qū)間內(nèi)，兩種成型方式未呈現(xiàn)出差異，均近似為90°；在大于16 mm的區(qū)間內(nèi)，隨著粒徑的增大，平均傾角偏離90°的程度逐漸增大.且在大于16 mm的兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，路面取芯平均傾角偏離90°角值大致均為對應(yīng)區(qū)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)平均傾角偏離90°角值的2倍，這可能與混合料壓實(shí)功在兩種成型方式下的差異有關(guān).

4) 在同級配的前提下，各級配區(qū)間段坐標(biāo)偏移量在兩種成型方式下也在16 mm為分界點(diǎn)，小于16 mm的區(qū)間內(nèi)，坐標(biāo)偏移量幾乎為0，而大于16 mm的兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，路面取芯的兩坐標(biāo)偏移量和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的X方向坐標(biāo)偏移量絕對值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的深度方向坐標(biāo)偏移量則呈現(xiàn)出先減小后增大的相反的趨勢.在四個(gè)坐標(biāo)分量中，在大于16 mm的級配區(qū)間內(nèi)，路面取芯深度方向的坐標(biāo)偏移量的變化幅度是最大的，約為40 mm.

5) 在同種級配的前提下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，大顆粒集料傾向于向外部區(qū)域分布，而路面取芯試件反之.路面取芯的集料分布均勻程度要優(yōu)于室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，其內(nèi)外分布指數(shù)NW的絕對值只約為室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的NW值絕對值的1/2.