基于三維激光掃描技術的粗集料形態特征研究

楊光昊 張蘇龍

（1.江蘇百盛工程咨詢有限公司，江蘇 南京 211800；2.江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著社會經濟和公路事業的快速發展，瀝青混合料已成為我國路面常用的鋪筑材料，其中粗集料作為瀝青混合料的重要組成部分，占混合料總質量的50%～80%。近年來，國內外大量研究表明，粗集料針片狀含量的增加會導致混合料最佳油石比和空隙率增加，進而降低混合料的路用性能；提高粗集料棱角性會增強瀝青混合料的高溫抗變形能力；提高粗集料表面的紋理指標也可改善混合料的高溫穩定度、低溫抗裂性和水穩定性[1]。因此，如何準確評價粗集料的形態特征對瀝青路面原材料指標篩選和級配設計具有重要意義。

目前對粗集料形態特征的測量方法有傳統法和圖像法，常規的傳統法一般依靠間隙率法和流動時間對集料進行間接表征，而隨著現代計算機技術的發展，數字圖像技術開始得到廣泛應用[2]。雖然傳統測試的結果更準，實用性更強，但數據離散型較大，需大量數據樣本作為支撐。而數字圖像技術可實現對粗集料形態特征的直接測量和定量分析，測試效果更好，同時還能消除人為主觀因素對試驗結果的影響。研究發現，粗集料的形態特征評價指標眾多，有軸向系數、凸度、粗糙度、棱角參數、圓度和分形維數等，但目前國內外還未形成統一的粗集料形態特征評價標準[3]。因此，本文采用三維激光掃描技術，對玄武巖和石灰巖兩種粗集料進行測試，同時與現有針片狀含量指標進行相關性分析，從而篩選最佳的粗集料形態特征定量評價指標。

1 三維激光掃描技術

1.1 現有圖像采集方法對比

目前集料圖像測量方法包含CCD處理技術、X-ray斷層掃描技術和三維激光掃描技術，其中CCD處理技術有AIMSII系統以及MASCA。AIMSII系統是第二代集料圖像采集技術，相較于第一代增加了對多個粒徑的集料圖像測量，且在獲取集料三維尺寸基礎上，還可以測試集料的表面紋理。X-ray斷層掃描技術（簡稱X-CT技術）能夠在不破壞材料整體結構的前提下，實現對內部連續斷層的掃描，獲取材料的三維空間信息。相較于CCD和X-ray斷層掃描技術，三維激光掃描技術還可以輸出集料的形狀、棱角和紋理參數。幾種圖像掃描技術的優缺點匯總如表1所示。

表1 常見的集料圖像掃描技術優缺點匯總

三維激光掃描技術經過多年發展，技術水平在不斷提升，已經從最初的接觸式測量逐漸發展到當前使用的手持式測量，設備發射出的激光到物體表面，經反射后被掃描儀接收，從而獲取到物體的三維空間相對位置，得到物體的三維參數坐標，利用計算機處理技術可以重組物體的三維形貌，并通過分析得出物體的三維形態特征[4]。手持式三維激光掃描儀具有操作方便、采集數據精度高、掃描分辨率高、使用難度低等優點，被廣泛應用于建筑材料、航空、自動駕駛、醫療等多個行業。

1.2 測量原理

三維激光掃描技術的測試主要依據三角法原理，通過發射一束有角度且呈直線的激光到物體表面后，物體表面會吸收光束并產生漫反射，掃描儀上的傳感器會接收到漫反射的像點，并利用自身的計算機系統進行相應的處理，進而重組了被測物體的三維形貌特征[5]。由于激光發射器、物體和傳感器三者之間的光線反射呈三角形，因此，激光掃描儀的測試原理又被稱為激光三角法。由于激光發射器發射的激光束與被測物體表面會呈一定角度，于是根據激光束與被測物體表面法線夾角的大小，將激光三角法分為直射式和斜射式。圖1所示即為斜射式激光三角法測試原理。

圖1 斜射式激光三角法測試原理

1.3 測試方法

首先采用四分法對粗集料進行取樣，取樣后采用水洗法洗凈表面的灰塵、雜質，并放置于105±5℃的烘箱中烘干至恒重。然后將干凈的粗集料放置在激光掃描臺上，正常情況下可以獲得粗集料的第一、三維圖像；然后還需將粗集料反轉，對另一側未被測試的部分進行掃描，即可獲得粗集料的第二、三維圖像。將第一、三維圖像和第二、三維圖像拼接后，獲得粗集料的三維圖像，利用計算機對三維圖像加以處理，可獲得粗集料顆粒的形狀參數。此方法和過程較為繁瑣，為簡化測試過程，提高掃描效率，開發了圖2所示的輔助裝置，通過將三根螺桿將粗集料進行固定，以便實現對顆粒三維圖像的掃描。

圖2 輔助掃描工具

1.4 數據處理

由于在粗集料測試過程中因設備原因、外部環境干擾和顆粒本身等多種因素影響，會導致采集數據出現噪聲，若不加以處理，則重組的粗集料三維模型曲線會凹凸不平、精度降低，最終獲取的顆粒表面形狀參數就會出現誤差。因此，在對粗集料進行三維激光掃描后，還需要對點云數據進行噪聲處理。點云數據的分布形式分為掃描式、陣列式、網格式、散亂式四種，針對不同的分布形式，需要采取特定的處理手段，如對于掃描式、陣列式等有規律的數據，可以采用平滑濾波的方法進行降噪處理；而對于散亂式的數據，通常使用網格模型進行處理。

為了獲取更加清晰的粗集料圖像，一般會采集較多的數據，但龐大的數據量也會給設備的存儲和傳輸帶來不良影響。因此，為了提高測試效率，避免浪費，可以采用降低分辨率或利用算法這兩種方法來適當縮減數據樣本。但需要注意的是，不能刪除具有反饋粗集料主要特征的數據，且不可隨意刪除，避免影響最終的測試結果。

2 原材料及試驗結果分析

2.1 原材料

本文選用兩種類型的粗集料，第一種粗集料為玄武巖、第二種粗集料為石灰巖，各集料的來源和種類如表2所示。對上述兩種集料的針片狀含量進行試驗，每種類型集料測試100次，結果如表3所示。

表2 粗集料試驗來源和種類

表3 粗集料針片狀含量測試結果

2.2 試驗結果分析

2.2.1 粒群掃描

采用三維激光掃描儀對不同粒徑的玄武巖和石灰巖進行批量掃描，每種集料測試50次，取其平均值作為測試結果，獲取顆粒長軸、中軸和短軸數據，玄武巖和石灰巖粗集料掃描測試結果如圖3所示。

圖3 京滬高速粗集料顆粒軸長測試結果

由圖3 分析可知，玄武巖的短軸在8.13～9.44mm 之間，中軸在11.04～12.24mm之間，長軸在14.64～15.99mm之間；石灰巖的短軸在9.37～11.75mm 之間，中軸在12.34～15.40mm之間，長軸在16.50～21.38mm之間。

為進一步對粗集料的長軸、中軸和短軸大小進行評價，計算短軸與中軸、中軸與長軸的比值，根據比值大小將粗集料形態分為板狀、柱狀、餅狀、立方體四種（如圖4所示）。本文對粗集料的短軸/中軸和中軸/長軸計算結果進行分析，發現結果均大于2/3，由此推斷出玄武巖和石灰巖粗集料呈立方體結構。

圖4 粗集料形態分布

通過對玄武巖、石灰巖顆粒樣品的長短軸之比分布情況進行統計分析，結果如圖5、圖6所示，發現玄武巖與石灰巖粗集料的長短軸之比主要分布在1.75～2.0和1.5～1.75之間，表明集料顆粒總體上近似于立方體結構，從側面也反映出集料的顆粒形狀比較均勻。

圖5 玄武巖粗集料的長短軸之比分布情況

圖6 石灰巖粗集料的長短軸之比分布情況

2.2.2 單粒掃描

分別對玄武巖和石灰巖進行單顆三維激光掃描，每次掃描的樣本數量為10顆，并取其平均值作為一個編號的測試結果，采用矩體度、球度和形狀因子三個指標定量評價其三維形狀，測試結果如圖7、圖8所示。

圖7 玄武巖粗集料三維形態指標測試結果

圖8 石灰巖粗集料三維形態指標測試結果

由圖7、圖8分析可知，玄武巖的矩體度在0.36～0.51之間，球度在0.52～0.85之間，形狀因子在0.77～1.51之間；石灰巖的矩體度在0.35～0.50 之間，球度在0.62～0.82 之間，形狀因子在0.69～1.09之間。玄武巖與石灰巖集料的矩體度幾乎相同，玄武巖集料的球度分布范圍更廣，且球度值更大，球度值越接近于1說明集料的形狀越近似于立方體，與上述長短軸之比結論一致。從形狀因子指標分析，玄武巖集料的形狀因子高于石灰巖集料，根據粗集料顆粒形狀指數范圍，形狀因子在0.98～1.10之間的集料屬于蛋圓形；在1.10～1.15之間的集料屬于棱角形；在1.15～1.20之間的集料屬于針狀；在1.20～1.39之間的集料屬于片狀。因此，得出結論：玄武巖粗集料從蛋圓形到片狀各種形狀均有，石灰巖粗集料主要以蛋圓形為主。

由于集料本身巖性和加工方式的區別，導致集料形態各異，其中針片狀含量指標主要受到巖石破碎設備的影響。本文基于上述對玄武巖和石灰巖兩種集料的針片狀含量、三維形態指標測試結果，分析兩者之間的相關性，如圖9、圖10所示。

圖9 玄武巖粗集料的針片狀含量與形態指標的相關關系

由圖9、圖10分析可知，粗集料的針片狀含量與矩體度指標之間沒有相關性，而與球度和形狀因子指標之間存在一定的相關性，其中針片狀含量與球度指標的相關系數達到0.70以上，高于針片狀含量與形狀因子間的相關系數。說明三維激光掃描技術測試的粗集料球度指標與按規范測得的針片狀含量均可反映粗集料的形態特征。

圖10 石灰巖粗集料的針片狀含量與形態指標的相關關系

3 結束語

本文基于三維激光掃描技術，對兩種不同粒徑的玄武巖和石灰巖粗集料的形態特征進行測試，得出以下結論：

（1）粒群掃描試驗中，采用短軸/中軸和中軸/長軸指標可實現對粗集料形態特征的初步評價，從長短軸之比的分布情況也進行了驗證，結論具有一致性。

（2）單粒掃描試驗中，球度與針片狀含量的相關性最高，形狀因子次之，說明采用球度指標對粗集料的三維形態特征進行評價較準確。