瀝青路面芯樣圖像處理與細(xì)觀結(jié)構(gòu)檢測評價

周榮 ，曾愛東

(1.廣州繼善建筑技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510600；2.廣東建準(zhǔn)檢測技術(shù)有限公司，廣東 廣州 514000)

骨架密實型瀝青混合料由接觸粗集料構(gòu)成骨架，作為抵抗荷載應(yīng)力的主要載體，是重交通道路典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)[1]。目前，混合料設(shè)計以VCAmix≤VCADRC作為骨架評價指標(biāo)，難以對骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行評判[2]。瀝青路面施工和質(zhì)量檢查過程中，除了關(guān)注宏觀指標(biāo)外，一般通過切割獲取的芯樣，觀察圖像中集料與瀝青膠漿的分布狀態(tài)，以及空隙構(gòu)成等。因此，目前對于芯樣切片圖像的評價，施工現(xiàn)場基本上采用專家觀察法。專家觀察法更多地是依靠個人的工程經(jīng)驗判斷，主觀性較強(qiáng)；另外，對于鉆取的芯樣，一般僅僅測量芯樣的厚度，也就是通過路面攤鋪厚度來判斷是不是符合規(guī)范要求。對于芯樣切片圖像中的其它信息未得到充分挖掘，并未獲得更多有效的數(shù)據(jù)信息。

對于瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工質(zhì)量管控方面，石立萬等[3]針對目前瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)判據(jù)的不足，提出了骨架結(jié)構(gòu)的細(xì)觀評價指標(biāo)。唐成等[4]針對不同類型瀝青混合料，研究了計算速度與精度均衡的圖像分辨率范圍，分析了不同接觸算法骨架細(xì)觀接觸的高通量計算精度。Wang等[5]制備了不同骨架形態(tài)、級配和壓實方法的瀝青混合料，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對骨架進(jìn)行量化分析。Hassan等[6]以三種不同強(qiáng)度和形狀的骨料花崗巖、輝綠巖、石灰石為研究對象，利用圖像處理技術(shù)獲取顆粒之間的接觸性質(zhì)、分布和取向等信息，評估骨架指數(shù)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。吳建明等[7]對瀝青混合料的壓實特性及其影響因素進(jìn)行了分析。鄭齊[8]等對路面壓實過程三維骨架結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評價，為瀝青路面壓實質(zhì)量實時調(diào)控提供基礎(chǔ)。劉衛(wèi)東[9]等建立了集料形態(tài)特征和溫度影響的三維瀝青路面壓實模型，分析了瀝青路面壓實過程中路面厚度、集料運動、接觸力及能量演化機(jī)制等特征。既有研究文獻(xiàn)對于瀝青混合料粗集料骨架細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征、瀝青路面施工壓實質(zhì)量控制方面的研究，主要集中于理論研究與數(shù)值模擬方面。利用研究成果指導(dǎo)室內(nèi)瀝青混合料設(shè)計，以及瀝青路面施工質(zhì)量管控仍有欠缺。為此，本文通過智能化識別軟件提取瀝青路面芯樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)路面施工芯樣切片的細(xì)觀指標(biāo)評價路面施工質(zhì)量，為提升瀝青路面設(shè)計和施工質(zhì)量提供技術(shù)與經(jīng)驗支持。

1 瀝青路面芯樣圖像處理與細(xì)觀結(jié)構(gòu)檢測

通過瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，對二維切片圖像進(jìn)行批處理和數(shù)據(jù)輸出，分析過程自動化處理程度高，快速方便。由于瀝青路面施工完成后需鉆取芯樣，檢測路面施工厚度、空隙率和壓實度等指標(biāo)，通過瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，可對瀝青路面施工質(zhì)量進(jìn)行快速評價。本方法不增加檢測工作量，還可利用圖像處理技術(shù)自動獲得芯樣切片的接觸點數(shù)量、配位數(shù)、骨架率等參數(shù)，檢測方法快速、簡單和方便，具有良好的操作性。路面施工質(zhì)量快速檢測主要由現(xiàn)場與室內(nèi)試驗、瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)自動處理兩部分組成。瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)軟件界面見圖1，瀝青路面施工質(zhì)量快速檢測流程見圖2。

圖1 瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)

圖2 路面施工質(zhì)量快速檢測流程

瀝青路面施工質(zhì)量快速檢測各步驟具體工作如下。

1)鉆取瀝青路面芯樣。瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)軟件適用于不同芯樣尺寸，一般取芯機(jī)鉆取獲得的Φ50mm、Φ100mm和Φ150mm芯樣均可用于分析。

2)切割路面芯樣，獲取切片圖像。對于切片數(shù)量的要求，切片數(shù)量n=10能夠滿足保證率為95%，誤差為±5%的條件，滿足工程精度要求。所以，切割芯樣時應(yīng)獲得至少10張切片圖像。切割芯樣過程中，可采用小型切割機(jī)切割5次，每次獲得2張切片圖像。

3)圖像二值化處理與集料識別。數(shù)字圖像處理首先需將圖像二值化，消除圖像中的干擾信息，然后利用分水嶺算法進(jìn)行閾值分割。軟件獲取圖像中集料輪廓線，計算各集料的面積并轉(zhuǎn)換成等效直徑，獲得各集料的粒徑與圖像的級配特征。過濾切片中的細(xì)集料后，獲取粗集料二值化圖像。切片圖像二值化處理均通過軟件自動處理

4)接觸分析，獲取粗集料細(xì)觀指標(biāo)。接觸分析主要步驟為：將切片圖像二值化后，基于等效直徑法計算每顆粗集料的等效直徑。然后輸入最小計算粒徑和接觸閾值，得到粗集料接觸位置坐標(biāo)、接觸粗集料編號和粒徑、接觸點數(shù)量等，如圖3所示。接觸閾值的取值主要參考以往文獻(xiàn)[1，3]，本文最小計算粒徑為2.36mm，接觸閾值取最小粒徑的23%，即0.54mm。

(a)圖像二值化

5)輸出參數(shù)指標(biāo)，包括配位數(shù)、骨架率、干涉顆粒等參數(shù)。

2 芯樣骨架細(xì)觀評價指標(biāo)

為判斷芯樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果是否符合施工質(zhì)量要求，提出如下細(xì)觀評價指標(biāo)，包括接觸點數(shù)量、平均配位數(shù)、骨架率和無接觸粗集料含量共四個參數(shù)。

1)接觸點數(shù)量：鉆取瀝青路面芯樣后對切片圖像進(jìn)行接觸分析，獲得的粗集料接觸點數(shù)量。

2)平均配位數(shù)：配位數(shù)主要參考散體材料的評價指標(biāo)。平均配位數(shù)指標(biāo)定義為所有粗集料的平均接觸數(shù)目，見式(1)。

(1)

3)骨架率：骨架率定義為所有接觸粗集料總面積占芯樣切片面積的百分比，見式(2)。

(2)

其中，A1為所有接觸粗集料的總面積；A為芯樣切片面積。

4)自由粗集料含量：自由粗集料含量定義為所有無接觸粗集料總面積占芯樣切片面積的百分比，見式(3)。

(3)

其中，A2為所有無接觸粗集料總面積。

3 瀝青混合料骨架細(xì)觀結(jié)構(gòu)評價

3.1 礦料配合比設(shè)計

通過實體工程對本文提出的方法進(jìn)行驗證，具體試驗路為高速公路，重交通，采用瀝青路面，設(shè)計路面上面層為AC-16C。為優(yōu)選合適的配合比，選擇兩種級配組成進(jìn)行對比，詳見表1。按油石比為4.5%制作馬歇爾試件，測定VMA、孔隙率和VFA指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表1 AC-16C兩組級配構(gòu)成

表2 各級配體積指標(biāo)

3.2 骨架結(jié)構(gòu)細(xì)觀評價指標(biāo)對比

為了對比分析兩種級配的細(xì)觀指標(biāo)，初定瀝青用量4.5%，對兩種級配的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價。室內(nèi)試驗制作級配1、級配2馬歇爾試件，每組級配各成型3組，通過小型切割機(jī)切割獲取至少10張切片圖像。為保證數(shù)據(jù)精確度，本次每種級配各獲取20張切片圖像進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析。各級配典型切片圖像與接觸分析結(jié)果見圖4。

(a)級配1切片圖像與接觸分析結(jié)果

目前對于馬歇爾(芯樣)切片圖像的評價，施工現(xiàn)場基本上采用專家觀察法，主觀性較強(qiáng)且無法進(jìn)行客觀評價。通過觀察圖4中級配1和級配2切片圖像，大多數(shù)人會發(fā)現(xiàn)級配1切片圖像的空隙比級配2多，但級配1粗集料含量比級配2多且粗集料分布比較均勻。通過目測觀察，確定哪種級配更好似乎難以定論。為保證分析結(jié)果的客觀性，通過瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)對獲得的所有馬歇爾切片圖像進(jìn)行分析，獲得細(xì)觀定量評價指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果平均值，如表3所示。

表3 兩種級配細(xì)觀指標(biāo)檢測結(jié)果

3.3 路用性能對比驗證

為對細(xì)觀評價結(jié)果進(jìn)行驗證，按級配1、級配2采用5種油石比制作馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾試驗，得到級配1、級配2的最佳油石比均為4.5%。根據(jù)設(shè)計的級配，以最佳油石比制作GAC-16C型瀝青混合料，按照規(guī)范要求進(jìn)行浸水馬歇爾試驗、水穩(wěn)定性、低溫彎曲試驗和滲水試驗，對兩種瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果

通過表4可看出，對于級配1和級配2，60℃動穩(wěn)定度均大于4 500次/mm，殘留穩(wěn)定度均大于85%，滲水系數(shù)均小于120ml/min，各項技術(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。經(jīng)綜合比較，級配1的各項技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于級配2，確定級配1為GAC-16C上面層生產(chǎn)配合比設(shè)計推薦級配。

4 路面芯樣施工質(zhì)量檢測與評價

瀝青路面施工過程中，隨機(jī)抽取部分芯樣，獲得各路面結(jié)構(gòu)層部分典型芯樣切片圖片如圖5所示。

通過瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)對所有獲得的芯樣切片圖像進(jìn)行分析，平均配位數(shù)、“懸浮”粗集料含量和骨架率細(xì)觀指標(biāo)參數(shù)，分布見圖6。

圖6 芯樣切片細(xì)觀指標(biāo)分布

5 結(jié)論

本文主要目的是提升瀝青路面設(shè)計和施工質(zhì)量，具體通過智能化識別軟件提取瀝青路面芯樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)路面施工芯樣切片的細(xì)觀指標(biāo)評價路面施工質(zhì)量。主要結(jié)論如下。

1)基于瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，對瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，根據(jù)路面芯樣切片細(xì)觀指標(biāo)快速對路面施工質(zhì)量進(jìn)行評估，是快速評價瀝青混合料施工質(zhì)量的一個有效手段。

2)瀝青混合料設(shè)計以及路面施工質(zhì)量評價，通過獲取切片后進(jìn)行圖像處理和圖像分割，識別粗集料的粒徑與級配，提取粗集料骨架特征后，獲取圖像中細(xì)觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)。