基于數字圖像的排水瀝青路面抗滑性能衰變研究

官志桃 李金鳳 王東敏 郭劍輝 何兆益* 劉 奕

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司1) 成都 610056) (重慶交通大學土木工程學院2) 重慶 400074) (重慶市城投路橋管理有限公司3) 重慶 400074) (廣西交通投資集團有限公司4) 南寧 530022)

0 引 言

排水瀝青路面具有高抗滑、排水等功能,可有效降低雨天行車事故[1].但其路面抗滑性能在車輛荷載、溫度、紫外,以及污染物等長期共同作用下會出現衰減,特別是近年來汽車的超重、超載更是加劇了其抗滑性能衰減.已有研究表明:瀝青路面抗滑性能隨著服役年限的增加逐漸出現衰減,且前期衰減幅度極大而后減緩最終趨于穩定[2].可見,對于排水瀝青路面抗滑性能的研究應貫通至整個服役年限.

目前,基于數字圖像技術分析瀝青路面抗滑性能的研究很多且成果豐富.王端宜等[3]借助普通數碼相機開發了應用數字圖像技術評價和測量瀝青路表面平均構造深度的方法.李智等[4]運用分形理論的盒子計算法,通過MATLAB編程實現了對試樣在不同磨損狀況下分形維數的計算,該方法可實現路面長期抗滑性能的預測.王端宜等[5]通過數字圖像處理技術分析了路面結構斷層掃描圖像,建立了表征宏微觀幾何特性的紋理參數PL index.Ding等[6]提出了一種基于激光三維數據、截面法和數字圖像處理技術相結合的瀝青路面紋理深度測量方法.羅雅丹[7]通過數字圖像處理技術對微表處試件表面紋理進行三維空間可視化研究,并量化了試件表面紋理參數灰度值.Miao等[8]基于激光三角測量技術,以三維紋理的熵為指標,研究了路面宏觀紋理和微觀紋理的衰變行為.

綜上可知,已有研究多是基于數字圖像處理技術對瀝青路面的抗滑性能進行分析與評價,但對于全面考慮不同級配類型排水瀝青路面抗滑性能衰減過程的研究仍很少.文中通過設計6種不同級配類型的排水瀝青混合料,同時增加SMA-13和AC-13作為對照組,借助重慶交通大學道路實驗室自主研發的小型四輪加速加載試驗裝置,通過3D高清數碼相機并結合MATLAB編程軟件,開展排水瀝青路面抗滑性能衰減規律研究.

1 原材料與級配設計

瀝青混合料粗、細集料分別采用玄武巖和石灰巖,礦粉采用無團粒結塊石灰巖礦粉,采用SBS改性瀝青,武漢某建材生產的聚酯纖維.聚酯纖維摻量為混合料總質量的0.1%,集料內摻.對HVA與SBS的配伍性進行研究,通過三大指標試驗確定出PAC使用的高黏劑摻量為瀝青摻量的8%.根據試驗,PAC-5、PAC-10、PAC-13、PAC-16采用SBS改性瀝青用量分別為5.1%、4.9%、4.8%、4.6%,SMA-13和AC-13分別為5.9%、4.6%.不同瀝青混合料級配曲線見圖1,3種PAC-13級配主要區別體現在兩檔粗集料占比上,見表1.

表1 PAC-13各檔集料比例

圖1 不同級配曲線圖

2 基于數字圖像的抗滑性能衰變試驗

2.1 試驗設計

經試驗確定加速加載條件如下:①試驗輪胎 直徑25 cm、寬8.5 cm的真空輪胎,一次使用四個,一批輪胎有效使用時間為4 h;②設備轉速 60 r/min;③設備配重 根據該輪胎承載能力進行配重,實測得出該輪胎配重為61 kg;④試件尺寸 30 cm×30 cm×5 cm;⑤試驗溫度 常溫25 ℃;⑥試驗時間 加速、加載時間分別0、0.5、1.5、3.5、5.5、7.5、9.5、13.5、17.5和21.5 h.

試件鋪設的位置及平面效果見圖2.

圖2 加速加載試驗試件鋪設效果

孔令云等[9]通過采用內置兩個攝像頭的3D攝像機對混凝土橋面進行二維數字圖像采集,提出2D與3D灰度值作為評價混凝土橋面粗糙度的關鍵指標,2D、3D灰度值分別對應攝像機普通鏡頭和3D鏡頭拍攝得到的照片.本文采用SONY 3D高清相機采集排水瀝青路表面2D、3D兩種模式下的二維數字圖像,選擇21:00以后開展二維數字圖像采集工作,確保沒有外界光源干擾,見圖3.

圖3 路表面紋理拍攝系統及試件二維圖像

2.2 路表面紋理圖像處理

利用光度學理論中的明暗恢復形狀(shape from shading,SFS)方法對獲取的排水瀝青路面灰度信息進行三維重構[10].按照圖像采集步驟得到排水瀝青混合料試件二維圖像,從中提取相關有用信息,實現試件表面三維數字圖像重構.通過Matlab運算后實現其表面紋理三維重構.具體三維重構的方法見圖4.

圖4 試件表面紋理三維重構方法

以PAC-13①為例,其2D模式下拍攝的二維數字圖像對應三維重構效果見圖5.

圖5 PAC-13①2D三維重構圖像

2.3 加速加載試驗過程

將成型好的八塊試件按照圖2鋪設位置對應放好并在每個輪軸上安裝好配重,啟動加速加載試驗機使得輪胎在試件上做圓周運動.按以上步驟對各試件進行加速加載試驗,并按圖6試驗內容,獲取試件二維數字圖像、平均構造深度MTD及擺值BPN.

圖6 加速加載試驗與抗滑性能測定

3 試驗結果分析

3.1 三維可視化分析

八種不同瀝青混合料試件2D模式下的三維紋理重構圖像見圖7.由圖7可知:八種瀝青混合料中PAC-13①、PAC-13②、PAC-13③和PAC-16試件三維重構出來的表面紋理最突出,四者表面灰度值范圍大部分集中在120～170,處于一個較高水平.其次是PAC-10,灰度值范圍主要集中在100～120.PAC-5、SMA-13及AC-13對應的灰度值最小,可直觀看到三者表面紋理較之其余5種排水瀝青混合料試件平緩很多,灰度值大多集中在0～100.3D模式下重構出來的三維紋理圖像存在著類似變化規律.

圖7 8種不同級配瀝青混合料試件2D三維重構圖像

綜上,2D、3D模式下拍攝得到的二維數字圖像經三維重構后得到的三維紋理圖像能較好地反映出實際路表面的紋理起伏狀況.排水瀝青路面的抗滑性能與其表面紋理構造息息相關,其重構出來的三維圖像表面紋理能真實反映實際路表面紋理.

3.2 排水瀝青路表面灰度值HMTD

經過三維重構技術處理得到的數字化灰度圖像是由各個高度不同像素點組成的三維空間曲面,該空間曲面可表達為

D=φ(p,q)

(1)

式中:D為灰度值;p為曲面空間點橫坐標;q為曲面空間點縱坐標.

文獻[7]提出了表達三維重構圖像表面紋理特征的參數HMTD并應用于表征微表處試件表面紋理參數,同時與路面平均構造深度MTD進行了相關性分析.測量所得試件表面構造深度為測量點處凸起部分與凹陷部分的高程之差,用灰度值表征就是凸起部分灰度值與凹陷部分灰度值二者平均值之差,HMTD為

(2)

通過對八種瀝青混合料試件在不同加速加載作用時間下的路面灰度值HMTD進行統計,通過繪圖軟件Origin得到HMTD隨作用時間的變化規律,見圖8.

圖8 8種瀝青混合料2D、3D灰度值隨時間變化

由圖8可知:在兩種模式下,8種瀝青混合料試件灰度值隨作用時間均呈一致的變化規律,即都經歷了快速下降(0～1.5 h)、下降減緩(1.5～7.5 h)和穩定平緩(7.5～21.5 h)三個階段.7.5 h后,各瀝青混合料試件骨架基本形成,HMTD最終趨于穩定.原因分析:隨著作用時間增加,PAC中集料顆粒發生重新排列,試件不斷被碾壓密實,膠漿也在輪載作用下被擠壓到空隙中,試件表面瀝青膜發生遷移,加之掉入的輪胎屑清理后仍有少許殘留,使得輪碾部位表面空隙逐漸變小,進而導致HMTD變小.在輪載作用下,SMA-13逐漸被碾壓密實,膠漿被迫上浮,粗集料逐漸嵌入膠漿,輪碾區域表面逐漸變得光滑平坦,HMTD值逐漸減小.AC-13在加速加載作用下逐漸變得密實,HMTD隨之減小.綜上,三種瀝青混合料在達到一定的作用時間后,骨架均變得穩定,HMTD亦趨于恒定.將兩種模式下8種不同瀝青混合料初始灰度值進行繪圖,見圖9.

圖9 8種瀝青混合料2D、3D初始灰度值

由圖9可知:兩種模式下重構得到的數字圖像HMTD,PAC試件均大于SMA-13,而SMA-13又大于AC-13,且3D模式下對應的HMTD均大于2D,表明3D模式下拍攝得到的二維數字圖像進行三維形貌重構獲取的表面紋理更加明顯.

采用Asymptotic指數模型分析灰度值衰變規律,8種瀝青混合料2D、3D模式下得到的灰度值衰變規律擬合曲線回歸參數見表2～3.

表2 八種混合料2D灰度值衰變規律擬合曲線回歸參數

表3 八種混合料3D灰度值衰變規律擬合曲線回歸參數

由表2～3可知:8種瀝青混合料兩種模式下得到的灰度值與作用時間相關系數R2分別均在0.86、0.79及以上,說明二者相關性較強,因而可以采用該指數模型來評價八種瀝青混合料三維重構所得兩種模式下灰度值的衰變規律.同時,原材料相同條件下,2D模式下試件表面灰度值衰變幅度最大的是PAC-13②為61.68,最小的是AC-13為29.98;衰變速度最大的是PAC-10為3.47,最小的是SMA-13為0.19.3D模式下試件表面灰度值衰變幅度最大的是PAC-13②為61.34,最小的是SMA-13為27.67;衰變速度最大的是PAC-13②為2.94,最小的是SMA-13為0.20.8種瀝青混合料各自的衰變幅度、衰變速度和衰變終值均存在著較大差異,說明級配對灰度初始值A+C及灰度衰變速度B有著較大影響.

3.3 排水瀝青路面HMTD與抗滑性能指標相關性分析

3.3.1HMTD與試件MTD相關性分析

灰度值大小反映了路表面紋理各點的高低程度,灰度值越大,圖像越黑暗,對應于路表面的點所處深度越深,由此原理就可以得出排水瀝青路表面灰度值HMTD與其平均構造深度MTD成線性關系.通過建立二者的相互關系式,從而由HMTD計算得到MTD,其實現方法見圖10.

圖10 路表面MTD計算

實驗室內按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求采用鋪砂法對8種瀝青混合料試件進行MTD測定,每次試驗前對試件表面進行清掃從而保證測試結果準確可靠.借助繪圖軟件Origin對HMTD與MTD進行相關性分析,見圖11.

圖11 HMTD與MTD的相關性分析

由圖11可知:8種瀝青混合料試件在兩種模式下拍攝得到的二維數字圖像,其重構后得到的HMTD與試件表面實測MTD值有著較好的相關性,3D模式下得到的HMTD與MTD相關性較好.因此,可通過建立二者的相關性來獲取瀝青路面MTD,進而反映出路表面紋理粗糙程度并對其抗滑性能進行初步評價.

3.3.2HMTD與試件BPN的相關性分析

實驗室內按照JTG 3450—2019《公路路基路面現場測試規程》的要求采用擺式摩擦儀對8種不同瀝青混合料試件進行擺值BPN測定,同理HMTD與BPN的相關性分析見圖12.

圖12 HMTD與BPN的相關性分析

由圖12可知:在兩種模式下拍攝得到的二維數字圖像,其重構后得到的HMTD與試件表面實測的BPN值相關性差,因而數字圖像重構技術不能很好地用于推測路面BPN.原因分析:在進行擺值試驗時存在人為因素導致的誤差,同時圖像重構過程對于一些細節信息處理存在著偏差.更重要的一點,路面灰度值反映試件表面的宏觀構造凹凸起伏大小,而試件表面擺值主要由其表面微觀紋理所決定,因而二者之間沒有必然聯系.

采用兩種不同公稱最大粒徑的排水瀝青混合料,一種為10 mm且所采用集料為玄武巖,另一種為13 mm但集料采用石灰巖,其余原材料及成型工藝保持一致.通過擺式摩擦儀測定其BPN,采用鋪砂法測定其MTD,試驗結果見圖13.

圖13 兩種排水瀝青混合料BPN與MTD

由圖13可知:兩種不同公稱最大粒徑的排水瀝青混合料,MTD大小為:PAC-13>PAC-10,BPN大小為:PAC-10>PAC-13.這一現象說明,路面MTD與BPN沒有絕對聯系,集料種類、公稱最大粒徑、試件表面潔凈程度等均會對其BPN產生影響,后續可結合其他影響因素進行綜合分析,從而達到通過數字圖像技術準確推測排水瀝青路面BPN的目的.

3.3.3HMTD與試件DF60的相關性分析

鑒于HMTD與BPN相關性差而與MTD相關性強,MTD與路面的宏觀紋理緊密相關,宏觀紋理又決定了車輛在路面上以較高速車速行駛時的抗滑性能.這里按照JTG 3450—2019《公路路基路面現場測試規程》要求采用動態旋轉式摩擦系數測試儀,對前面圖1中八種不同級配成型的大車轍板試件進行DF測定,為了與實際路面宏觀紋理緊密聯系,選取車速60 km/h下對應的動摩擦系數DF60與HMTD進行相關性分析,分析灰度值與車速較高時抗滑性能的相關性.通過試驗得到DF60、HMTD數據后借助Origin繪圖軟件對HMTD與DF60進行相關性分析,見圖14.

圖14 HMTD與DF60的相關性分析

由圖14可知:兩種模式下對應的路表面HMTD與DF60相關性強,兩種模式下拍攝得到的相關性系數R2分別為0.83、0.86,與已有研究指出的車輛在較高速度下行駛其抗滑性能由路面宏觀紋理提供很好地對應了起來[11].由此可見,與前面HMTD和MTD的相關性類似,數字圖像重構技術可很好應用于路面宏觀抗滑性能預測.

4 結 論

1) 通過3D高清數碼相機拍攝得到2D、3D模式下的二維數字圖像,經三維重構后得到由灰度信息表征不同高度三維曲面的紋理圖像,能較好反映出實際排水瀝青路表面的紋理起伏狀況,因此可用來描述其路表面的三維紋理特征,也可以推廣應用到其他路面類型表面紋理的表征.

2) 在2D、3D模式下,PAC-13③試件經過0.5 h加速加載作用后表面形成了較明顯輪跡帶,對應重構出來的三維數字圖像表面紋理高度也出現了較大衰減,其余7種瀝青混合料試件存在相同的變化規律,且各試件在兩種模式下三維重構得到的灰度值,0.5 h后出現最大降幅.其中,兩種模式下PAC-16衰減幅度均最小,分別為6.77%、5.32%;除PAC-16外的其余5種排水瀝青混合料灰度值衰減幅度均大于SMA-13和AC-13,而AC-13又大于SMA-13.

3) 在2D、3D模式下,8種瀝青混合料灰度值HMTD隨作用時間增加均呈快速下降(0～1.5 h)、下降減緩(1.5～7.5 h)和穩定平緩(7.5～21.5 h)三個階段的變化規律.兩種模式下重構得到的三維數字圖像HMTD,6種PAC試件均大于SMA-13,而SMA-13又大于AC-13,且3D模式下得到的HMTD均大于2D.各試件兩種模式下得到的HMTD與作用時間整體相關性均較好,可以采用Asymptotic指數模型來評價其三維重構得到的HMTD衰減規律.

4) 數字圖像重構技術可應用于獲取排水瀝青路面的平均構造深度MTD、動摩擦系數DF60.8種瀝青混合料試件在2D、3D模式下拍攝的二維數字圖像,其重構后得到的HMTD與MTD、DF60的相關性均較好,但與BPN的相關性差,且3D模式下對應的相關性更好一些.因此,可通過分別建立HMTD與MTD、DF60的關系式從而獲得瀝青路面的MTD、DF60,進而反映路表面粗糙程度并對其抗滑性能進行初步評價.