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

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

實驗室成型試件的最終目的是為了服務于項目路面實際情況的研究與分析，而實驗室成型和路面成型試件由于所處環境的差異往往在結構上不能完全吻合.二者如果相差過大，會導致實際路面使用壽命遠小于實驗室成型試件的壽命預測值.瀝青混合料在承受車輛荷載時，受力主體是混合料內部的集料骨架，故明確室內旋轉壓實成型試件和現場取芯的集料骨架差異性尤為必要.

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

美國聯邦公路局聯合特納公路研究中心開展的SIMAP計劃主要運用工業CT，對混合料內部的集料和空隙分布和集料的離析情況進行了探究，并將三維數據導入數值模擬軟件，對混合料宏觀力學性能進行了分析[4].Masad等[5]對瀝青混凝土內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參數.

已有研究的側重點在于指定某種瀝青混合料，對瀝青混合料中的三相分布進行探究，明確具體分布后通過數值模擬的手段和宏觀力學性質建立起聯系，而少有關于混合料內部集料特性多角度的對比評價.文中通過圖像處理軟件提取集料輪廓，并利用相應指標加以計算分析，評價集料的各向異性、方向性、位置性，以及分布均勻性性，體現兩種成型方式試件的幾何特性差異性.

1 試驗原材料

1.1 瀝青

瀝青為湖北鄂州某公司生產的70號基質石油瀝青，其性質按文獻[6]的有關方法進行檢驗，瀝青各項性能指標見表1.該瀝青所檢項目各項指標均滿足規范中的技術要求.

1.2 集料

集料為湖北安陸某碎石廠生產石灰巖，其性質按文獻[7]的有關方法進行檢驗，各項指標見表2.

礦粉的性質按文獻[7]的有關方法進行檢驗,各項指標見表3.

1.3 混合料配合比

瀝青混合料配合比按照文獻[8]的要求進行.為保證成型試件和路面的配合比保持一致，室內旋轉壓實成型試件采用施工配合比，見表4.

表1 瀝青各項性能指標

表2 集料各項指標

表3 礦粉各項指標

表4 施工配合比

2 試驗流程

2.1 現場鉆芯取樣和實驗室旋轉壓實成型試件

項目芯樣取自麻竹高速大悟段試驗段.對于取芯方式，若芯樣取芯位置之間相隔太近，首先是前一個芯樣取芯時，機具振動會對周圍路面結構造成擾動，對下一個取芯質量造成干擾；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直徑為150 mm的芯樣，取芯位置沿縱斷面分布根據路線全長平均分布，在每個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性高脂血癥的Meta分析 ……………………………………… 徐嘏毅等（1）：106

依托武漢理工大學湖北省公路工程技術研究中心的道路實驗室瀝青路面試驗成套設備，在室內按照目標配合比完成了旋轉壓實試件的制備.旋轉壓實試件直徑150 mm、高175 mm.旋轉壓實成型方法相對于馬歇爾成型方法具有明顯的優勢，其壓實質量對于瀝青含量的依賴程度相對較低，這是因為二者成型時的機具對混合料的物理傳力方式有著顯著差異.旋轉壓實主要是通過旋轉旋轉加之碾壓成型，集料可以更好地在混合料內部朝著更密實的趨勢錯動.而馬歇爾成型是在豎向擊實，瀝青含量較少的時候，集料的挪動更需要瀝青的黏附性去帶動，故旋轉壓實更接近現場的實際壓實情況，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算機圖像處理軟件對于圖像的識別難易程度，因為室內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，進行圖像對比度調節后利用軟件開展分析工作.切割機具采用澳大利亞某公司生產的雙面切割鋸，切割順序是，先切掉整個試件的四側，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，其表面有部分區域已經濕潤.故應放置24 h后干燥后，測量其孔隙率.測量方法按照文獻[6]中表干法相關要求進行.經實驗，六個切割后的試件均滿足規范要求.

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

圖1 經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

采用的計算機圖像處理軟件為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現測量、計數，以及圖像標注.通過軟件的測量，將集料輪廓描繪出來，等效為橢圓[11]進行分析.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定義標準長度，因為該軟件識別圖像是以像素為單位，所以在使用時需要提供實際長度在圖像中的標尺，在干燥的試件表面，為了讓長度標記對比更加清晰，使用鉛筆和三角板，在每一個截面表面標記10 mm的單位長度供定義使用；②選擇測量指標，考慮到后續所要分析的指標，選取長軸、短軸、長短軸之比、面積、形心X、Y坐標、平均直徑作為本文的測量指標.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，設置下限為1.18 mm，也就意味著短軸小于1.18 mm的顆粒將不會被拾取；③修正拾取結果，在初始軟件按照測量指標拾取集料后，在輪廓圖中會出現很多“連體”和“殘缺”的情況發生，這就需要手動進行修改，將集料顆粒的輪廓補充完整；④保存拾取數據，對于拾取的數據，輸出為cnt格式，方便后期導入Excel中進行計算分析.

根據以上陳述的測量指標，關于其方向的定義有三種:①是關于傾角的定義，在IPP 7.0中，顆粒傾角定義為Y負方向旋轉至等效橢圓長軸所經過的角度，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，默認左上方定點為XOY坐標系原點，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 軟件中相關方向定義

圖4 手動修正拾取結果后的最終顆粒輪廓

3 試驗結果與數據處理

3.1 修正矢量幅度

修正矢量幅度是一個考慮了集料形狀、大小，以及傾向的反映集料顆粒分布各向異性的指標.由修正矢量幅度計算式(1)可知，當所有集料顆粒都傾向于一個方向時，也就是θk都相同時，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].將每一個截面的數據分別導入Excel中，編輯公式計算修正矢量幅度，旋轉壓實和路面取芯試件修正矢量幅度計算結果見表5.

(1)

3.2 平均傾角

平均傾角是反映混合料內部集料顆粒平均傾斜程度的指標.需要說明的是，此處傾角數據，方向規定按照IPP 7.0內部的規定執行.它和計算矢量幅度時采用的傾角是互余的關系.平均傾角柱形圖見圖5.

表5 旋轉壓實修正矢量幅度計算結果

圖5 平均傾角柱形圖

3.3 各級配區間段平均傾角

從平均傾角的計算結果可知，兩種成型方式下，整體的平均傾角非常接近，都略小于90°.故無法從這一指標體現出混合料內部集料的平均傾向程度，于是轉而根據集料顆粒的級配，分別計算每一集配區間段內的集料的平均傾角.于是，將混合料內部集料的級配區間劃分為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集料本身的輪廓，而是根據等效橢圓后的短軸的長度，來進行級配區間的篩選，這與上文中在設定測量參數時忽略1.18 mm以下粒徑顆粒的影響而設置軟件拾取集料輪廓的短軸下限為1.18 mm是相呼應，不矛盾.具體的各級配區間段平均傾角計算原則是：對于一個試件，首先分別計算四個面上的每一區間段內的平均傾角，并統計每一區間段內集料顆粒的個數.隨后對每一級配區間段內的平均傾角按照四個面上該級配區間段內集料顆粒的個數進行加權平均，確定該試件在該級配區間段內的平均傾角.然后對于兩種成型方式各三個試件分別平均，確定兩種成型方式下的對應各級配區間段下的平均傾角，計算結果見表6和圖6.

表6 兩種成型方式下各級配區間段平均傾角計算結果

圖6 兩種成型方式下各級配區間段平均傾角折線圖

3.4 各級配區間段坐標偏移量

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

表7 各級配區間段坐標偏移量計算結果 mm

3.5 顆粒分布情況

引入“內外分布指數NW”這一指標概念來評價瀝青混合料內部顆粒分布情況.瀝青混合料是按照一定集料顆粒級配摻入瀝青經過攪拌而成的三相復合材料，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.本文通過劃分每個截面為內外兩個區域，分別在每個試件的四個截面上比較兩個區域內集料平均直徑，計算每個面的內外分布指數，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的分布的均勻情況.劃分內外區域的原則為：內外兩部分區域面積相等，內部區域為矩形，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.從內外分布指數式(2)不難看出，若大粒徑顆粒越偏向于分布在外部區域，則外部區域平均直徑就會比內部區域的平均直徑大，內外分布指數呈現正值，反之呈現負值.內外分布指數絕對值偏離0的距離越遠，表示混合料內部集料分布均勻性越差，故這項指標可以作為分析瀝青混合料離析傾向的參考指標之一[15].顆粒內外分布指數計算結果見表8.

圖7 截面內外部區域劃分示意圖

顆粒內外分布指數NW=

(2)

4 結 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，而室內旋轉壓實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壓實成型試件的22.58%.

2) 在同級配的前提下，路面取芯芯樣和旋轉壓實試樣內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，對于各級配區間內平均傾角，在粒徑小于16 mm的區間內，兩種成型方式未呈現出差異，均近似為90°；在大于16 mm的區間內，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的兩個區間內，路面取芯平均傾角偏離90°角值大致均為對應區間內旋轉壓實平均傾角偏離90°角值的2倍，這可能與混合料壓實功在兩種成型方式下的差異有關.

4) 在同級配的前提下，各級配區間段坐標偏移量在兩種成型方式下也在16 mm為分界點，小于16 mm的區間內，坐標偏移量幾乎為0，而大于16 mm的兩個區間內，路面取芯的兩坐標偏移量和旋轉壓實的X方向坐標偏移量絕對值均呈現先增大后減小的變化趨勢，而旋轉壓實的深度方向坐標偏移量則呈現出先減小后增大的相反的趨勢.在四個坐標分量中，在大于16 mm的級配區間內，路面取芯深度方向的坐標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，旋轉壓實試件，大顆粒集料傾向于向外部區域分布，而路面取芯試件反之.路面取芯的集料分布均勻程度要優于室內旋轉壓實成型，其內外分布指數NW的絕對值只約為室內旋轉壓實的NW值絕對值的1/2.