基于數字圖像處理技術的集料棱角性量化研究

(長安大學公路學院 陜西 西安 710064)

基于數字圖像處理技術的集料棱角性量化研究

趙振軍

(長安大學公路學院陜西西安710064)

基于數字圖像處理(DIP)技術，提出了單顆粗集料棱角性的評價指標：圓度。運用數字圖像處理技術(DIP)對3種集料的形狀特性進行了量化研究。研究結果表明：在花崗巖、建筑垃圾和鋼渣3種集料中，花崗巖針片狀顆粒含量最多，棱角性最好。

道路工程；集料；棱角性；數字圖像處理

一、引言

瀝青混合料是一種由瀝青結合料、集料和空隙組成的復合材料。集料在瀝青混凝土路面中的質量分數為90%～95%，因此集料的力學特性、形狀特性及其在瀝青混合料中的分布(分布位置和分布方向)對瀝青混合料的性能有重要影響[1]。

集料特性包括集料的認同特性與資源特性，集料的認同特性是指集料經特定的加工工藝后，集料所具有的外在特性。評價其認同特性的指標主要有針片狀顆粒含量、粗集料含泥量、細集料砂當量等，這些指標主要決定于集料加工過程中片石的來源，破碎方式及除塵設備等。其資源特性是指集料本身所固有的一些性質，它對瀝青路面的質量起著重要的作用。集料的資源特性包括集料強度、密度、吸水率、與瀝青的粘附性等，這些性質主要是由集料的礦料特性決定的，受地域條件的影響，是不可改變的客觀存在[2]。

粗集料中的扁平細長顆粒是一種不好的顆粒，在瀝青混合料成型、施工碾壓及通車運營時容易斷裂，由于在新的斷口處沒有瀝青結合料的包裹，并改變了瀝青混合料的級配和體積指標，使瀝青混合料的強度、疲勞性、耐久性等路用性能降低[3]。我國規范規定，當顆粒形狀各方向中的最大長度(或寬度)與最小厚度(或直徑)的尺寸之比大于3時，集料顆粒屬于針片狀顆粒，我國采用卡尺法測定粗集料中針片狀顆粒的含量。

通常來說，棱角性越豐富的顆粒，越有利于設計級配中顆粒的嵌鎖，粗集料良好的棱角性對提高瀝青混合料的高溫穩定性起主導作用[4]。目前國際上常用的集料棱角性評價方法有美國的ASTM D3398法，該方法是通過粗集料未壓實的松方空隙率來間接反映粗集料的棱角性，但是無法直接、準確地反映粗集料棱角性的變化規律。

國內外對于集料棱角性已經進行了一些研究，例如：針片狀顆粒含量對瀝青混合料性能的影響、集料巖性對瀝青混合料性能的影響、集料棱角性對瀝青混合料的影響等。集料圓度表示集料的顆粒輪廓與圓形的接近程度。采用數字圖像處理技術(DIP)技術可以方便地計算出集料的圓度，集料圓度用式(1)表示，其取值范圍為0～1，值越接近1表示集料顆粒輪廓越接近于圓形。

近年來，數字圖像處理技術隨著信息技術的發展逐漸被應用到工程領域中，DIP技術即用計算機對圖像進行處理。本文采用數字圖像處理技術(DIP)對花崗巖、建筑垃圾和鋼渣的形狀特性(針片狀顆粒、棱角性)進行了直接、準確、快速的分析和評價。

二、原材料及試驗設計

(一)原材料

集料：花崗巖、建筑垃圾、鋼渣。

(二)集料形狀特性分析

用DIP技術對集料的形狀特性(針片狀顆粒、棱角性)進行分析評價。從花崗巖、建筑垃圾和鋼渣中分別隨機抽取約77顆集料并將其放在一個平板上，然后用數碼相機對集料進行圖像采集，隨后用ImageTool軟件對圖像進行處理。圖像處理的步驟為：先將獲取的圖像利用圖像處理軟件轉化為灰度圖像，并對灰度圖像進行適當的對比增強處理。其次，將灰度圖像采用閾值分割方法轉化為二值圖像，然后對二值圖像進行邊緣檢測和顆粒分析，最后對集料的形狀特性予以量化。

三、試驗結果分析

(一)集料形狀特性分析

1.針片狀顆粒分析

本文采用DIP技術分析集料內針片狀顆粒含量，用ImageTool軟件處理的結果見圖1，其中集料的長厚比為其最大長度與最小厚度的比值。我國規范規定，粗集料中針片狀顆粒(最大長度/最小厚度為3，即長厚比為3)含量不能高于20%。從圖1可以看出，花崗巖相較于其他兩種集料，集料中針片狀顆粒含量較高。當集料的長厚比大于2時，花崗巖集料的分布頻率大約是建筑垃圾和鋼渣的2倍。

圖1 集料顆粒長厚比頻率分布直方圖

2.集料棱角性分析

集料棱角性和其破碎面的數量有關。集料的破碎面越多，棱角性越顯著，圓度越小。用ImageTool軟件計算的集料圓度結果見圖2。

從圖2可以看出，圓度小于0.6的花崗巖集料的在其總量中的占比大約為67%，圓度大于0.6的建筑垃圾和鋼渣分別在其總量中的占比為72%、65%。建筑垃圾中圓度值大于0.7的集料顆粒占比39%，是3種集料中形狀最接近于圓形的。

圖2 集料圓度頻率分布直方圖(DIP)

四、結論

1.本文采用數字圖像處理(DIP)技術對3種集料的形狀特性進行了量化研究，結果表明：ImageTool軟件適宜分析集料顆粒的形狀特性(針片狀顆粒、棱角性)。

2.通過分析3種集料中的針片狀顆粒的頻率分布，發現花崗巖中的針片狀顆粒數量比建筑垃圾和鋼渣都大。

3.對于本次試驗所采用的3種集料，花崗巖的圓度值最小，說明花崗巖棱角性最好。

[1]袁明園.集料棱角性對瀝青混合料性能的影響研究[D].長安大學,2011.

[2]李嘉，林輝.基于數字圖像處理的粗集料棱角性量化研究[J].公路交通科技，2008，25(7)：27-31.