基于數字圖像處理技術的混合料離析評價方法

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

引言

對于瀝青路面來說，離析就是指在一定區域內粗細集料分布不均勻的現象。粗集料富集的區域內混合料的空隙率較大，瀝青和細集料含量較少，在車輪荷載作用下對瀝青路面產生較大的沖刷導致瀝青剝落，最后出現坑槽等早期破壞：細集料富集的區域內混合料的空隙率較小，瀝青含量較多，粗集料含量較少，使之不能形成相互咬合的骨架結構，在行車荷載和高溫的作用下容易出現車轍、泛油等早期破壞[1]。2017年，熊寶林等用離散元的方法分析級配對瀝青混合料離析的影響。結果表明：可以采用離散元方法模擬分析級配結構對ATB瀝青混合料離析的影響[2]。2016年，張爭奇等利用數字圖像技術處理采集到的瀝青混合料試件芯樣圖片，研究結果表明：隨混合料離析程度的增加，宏觀構造深度K值越來越大，這說明可用構造深度K 值來評價瀝青路面的離析情況[3]。2014年，李智等采用X射線CT技術采集青路面芯樣切面圖片，提出了粗集料不均勻系數、試件顆粒豎向變異系數等指標來評價芯樣位置路面結構的豎向顆粒離析。結果表明:施工質量控制較好的路段，其試件均勻性較好，豎向變異系數較小[4]。2010年，唐嫻等通過建立瀝青混合料的離析模型，提出瀝青混合料的離析勢能指標，并使用離析測定儀測量不同級配的離析勢能指數，評價不同級配瀝青混合料的離析程度[5]。2014年，鄧德毅等基于路面滲水系數試驗得到瀝青路面的空隙率來定性的評價瀝青路面的離析情況，研究結果表明：滲水系數試驗操作簡單快捷，且是非破壞性試驗，可以快速反應瀝青路面的質量狀況，可以評價瀝青混合料的離析情況[6]。

上述瀝青混合料離析評價方法相對于傳統的目測法來說有很大的優勢，但是這些方法也存在著一定的局限性，評價結果有誤差，有的方法僅能評價局部的離析情況。本文主要通過利用數字圖像技術，對所采集到的瀝青路面芯樣水平切面圖片進行特定的處理并研究瀝青混合料水平切面相等面積內的集料累積面積之和的差異性，定量的評價瀝青混合料的離析狀況。

一、數字圖像處理技術

計算機圖像處理又稱為數字圖像處理，它是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程。處理過方法為利用計算機對圖像進行去噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理方法和技術。由于數字圖像技術操作方便，圖像所含的信息量大，傳輸效率高，所以當下數字圖像技術廣泛應用于農牧業、林業、工業和醫學等方面。隨著交通行業的蓬勃發展，數字圖像技術被廣泛應用到道路交通領域。

二、離析評價方法

以相等區域內集料面積的累積之和的差異性來表征瀝青混合料的均勻性。由于集料顆粒是不規則的幾何圖形，集料顆粒的面積計算困難，本文利用橢圓來模擬集料顆粒，橢圓的長軸為集料顆粒最遠兩個角的直線長度，橢圓的短軸為集料顆粒最遠兩個角點連線中間位置的最大寬度[7]。

圖1 水平截面劃分與轉動示意圖

將試件截面劃分為等大的六個區域，每個區域對應的角度為60°。以幾何中心為旋轉點，以6°為旋轉單位，對著6塊區域同時進行旋轉，共旋轉10次，之后分別計算每次旋轉后各個區域的集料面積累積之和。通過比較分析這6個區域內集料面積累積之和的差異，評價瀝青混合料的離析程度。圖1為水平截面劃分與旋轉示意圖。

若瀝青混合料沒有發生離析，則截面內瀝青混合料集料分布是均勻的，即，截面上各個區域內集料面積累積之和應該比較接近。

在計算各個不同區域內集料面積的累積之和時，確定其控制粒徑為4.75mm，即只累積計算粒徑在4.75mm以上集料的面積。公式如下所示：

Si=∑Sn

試中：Si為第i區域內粒徑不小于4.75mm集料面積的累積之和：Sn為第i區域內第n個粒徑不小于4.75mm的累積面積。對比不同區域內集料面積累積之和的差異大小，可以通過方差δ來衡量。公式如下所示。

三、實例驗證

圖2 瀝青混合料試件水平切面

按上述方法計算，根據以上3幅瀝青路面芯樣水平切面圖片中的瀝青混合料集料面積累積之和的方差從大到小的順序為：A>C>B。即以上3幅瀝青混合料的離析程度順序為：A>C>B,與視覺觀察結果一致。

四、結論

1.基于數字圖像處理技術可以對瀝青混合料顆粒離析現象進行定量的評價。

2.通過旋轉圖片，可以避免人為主觀的選塊，評價離析時受人的主觀因素影響較小，結果更加準確。