基于數字圖像處理的瀝青封閉層老化狀態識別方法研究

汪正興，夏世法，楊偉才

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038)

1 工程概況

瀝青混凝土由于防滲性能優異，適應基礎變形的能力強，因而在水利水電工程中應用廣泛[1]。瀝青混凝土用于防滲，大體上有心墻和面板兩種方案。瀝青混凝土心墻位于壩體中間，而瀝青混凝土面板位于壩體表面。瀝青混凝土面板的結構一般從上到下為2mm的封閉層、10cm的防滲層、10cm的整平膠結層，如圖1所示。整平膠結層采用開級配瀝青混凝土，孔隙率在10%～15%之間，主要作用是整平基面，及時排除面板后的水。防滲層是瀝青混凝土面板的核心，采用密級配瀝青混凝土，孔隙率要求小于3%，以保證防滲效果。封閉層涂刷在瀝青混凝土面板表面，用于封閉防滲層表面的孔隙及遮擋紫外線延緩防滲層的老化，一般采用瀝青瑪蹄脂材料(瀝青和礦粉按照一定比例混合)。而瀝青瑪蹄脂也是由瀝青組成的，在外界環境的作用下也會逐漸老化，最終會失去防護作用。國外的瀝青混凝土面板工程一般每隔10年左右就會重新涂刷一次瀝青封閉層。

圖1 瀝青混凝土面板結構

傳統的評價瀝青混凝土老化的方法，是在現場取樣，然后從中回收瀝青，測試瀝青指標的變化。天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板運行18年后，對瀝青混凝土取芯檢測其老化程度，表明瀝青混凝土防滲層僅表面0～1cm有一定程度老化，余下部分老化程度很輕[2-5]。日本沼原水庫運行31年后，對表面封閉層脫落和未脫落部位的防滲回收瀝青的針入度和紅外光譜試驗結果表明封閉層脫落部位的防滲層老化程度較大，封閉層可以減緩面板防滲層上部的老化[6-7]。日本八汐大壩瀝青面板為了研究瀝青混凝土在運行過程中的老化，在大壩施工之前，工程人員在大壩現場附近設置了一個用于進行瀝青混凝土暴曬測試的試驗場地，其朝向和傾角與大壩面板一致。在暴曬場進行了為期5年的測試，定期測試瀝青混凝土及回收瀝青的各項性能指標。并且按瀝青混凝土表面有無涂刷封閉層兩種情況進行對比。

結果表明瀝青混凝土表面有無封閉層對厚度0～5mm的瀝青混凝土老化影響較大，而對5mm以下部位影響不大[8-9]，封閉層對于延緩防滲層老化具有重要的作用，因此了解封閉層自身的老化狀態具有重要的意義。但傳統的取樣評價方法對于瀝青混凝土面板有一定的破壞。近年來，隨著數字圖像技術的發展，一些學者開始采用數字圖像的方法來評價諸如瀝青路面的裂縫、瀝青路面的破損等情況，取得一些良好的結果[10-13]。基于此，本文提出了一種基于數字圖像處理的瀝青封閉層老化狀態無損評價方法。

2 數字圖像處理方法

瀝青瑪蹄脂封閉層涂刷后，隨著時間的推移，表面逐漸出現龜裂，國外稱之為“大象皮”(elephant skin)，如圖2所示，且一般工程運行時間越長，龜裂面積越大。基于數字圖像處理的瀝青封閉層老化狀態無損評價方法就是希望在封閉層龜裂面積與其老化之間建立關系，以單位面積的裂紋密度作為一個評價封閉層老化的指標。

數字圖像是采用數字化的方式來表示一幅圖像，如一幅像素大小為1024×768的圖像，可以采用一個1024×768的矩陣來表示，在每個矩陣坐標點(x，y)處存儲該點的3個顏色R，G，B的值。這種圖像矩陣的表示方式可以很容易的對其進行各種數學運算，即數字圖像處理。

數字圖像處理方法的大致流程是：圖像獲取-圖像灰度化-圖像二值化-圖像降噪-特征提取。

2.1 圖像的獲取

首先在現場擬評價部位的瀝青混凝土封閉層表面標記出50cm×50cm的方框，然后使用高像素的數碼照相機對標記的部位進行拍照取樣。拍照時鏡頭與瀝青混凝土表面平行，距離瀝青混凝土封閉層表面距離保持穩定。拍照時關閉閃光燈，以免形成局部的亮斑，對圖像處理的結果產生影響。某工程封閉層的照相結果如圖3所示。

圖3 封閉層圖像

2.2 圖像灰度化

一幅普通的彩色數字圖片，其每個坐標點存儲了3種顏色R、G、B的數值。這樣信息比較繁雜，不利于得到重要信息。圖像的灰度化是指將彩色圖像轉變為灰度圖像，灰度圖像中每個坐標點只包含一個亮度值f，表示圖像的明暗程度。灰度值的范圍和R、G、B一樣，為0-255。數值0表示最暗即黑色，255表示最亮即白色。將一個彩色數字圖像轉換為灰度圖有不同的算法，最常用的是下式。

f=0.3R+0.59G+0.11B

由于圖3中幾乎不包含彩色信息，所以其灰度化后的圖像和原圖幾乎一樣。

2.3 二值化(閾值分割)

圖像二值化是指將256個亮度等級的灰度圖像轉變為二值化圖像，即圖像中的灰度值只有0或者255。圖像的二值化可以減少圖像中的無效信息，而更多的顯現其中重要的信息。通過選取適當的閾值，將所有灰度值大于或等于閾值的像素設定為255，表示特定的目標。所有灰度值小于閾值的像素設定為0，表示圖像背景或者另外的區域。

二值化的閾值選取有全局閾值和自適應閾值兩種方法，全局閾值是指對整個圖像都采用一個固定的閾值。當同一幅圖像上的不同區域的亮度不同時，采用全局閾值效果并不好，這種情況下采用自適應閾值的效果比較好。自適應閾值是根據圖像上的不同區域計算相對應的閾值。在同一幅圖像上的不同部分采用的是不同的閾值，這樣我們能在圖像不同部分亮度不同的情況下得到更好的二值化結果。圖3中的圖像，亮度比較均勻，采用固定閾值就能獲得比較好的二值化效果，如圖4所示。

圖4 二值化后的封閉層圖像

2.4 圖像降噪

經過閾值分割得到的二值化圖像中可能存在一些噪點，如圖4中的一些小白點。因此需要進行降噪，常見的降噪方法是對圖像先進行腐蝕操作，再進行膨脹操作。腐蝕操作即采用一個元素都為1的方陣(卷積核)，沿著圖像滑動進行卷積。當卷積核對應的原圖像的所有像素值都是1，則卷積之后的元素仍然保持原有的像素值，否則該像素就變為零。經過腐蝕操作之后的圖像，靠近前景的所有像素都會變為0，所以前景物體會變小，視覺上像是被腐蝕掉。

膨脹是與腐蝕相反的操作，與卷積核對應的原圖像的像素值中只要有一個是1，中心元素的像素值就會變為1，所以這個操作會使圖像中的白色區域膨脹。一般在對圖像進行去噪聲時先進行腐蝕操作，再進行膨脹操作。因為在進行腐蝕操作之后，前景變小，白噪聲消失。再進行膨脹操作時，前景還在并會增加回來，但圖像中的噪聲已經被了，不會再恢復回來了。圖4經過腐蝕和膨脹操作后，如圖5所示，圖中的噪聲大大減少了。

圖5 降噪后的封閉層圖像

2.5 特征提取

經過二值化、降噪之后的封閉層圖像，裂紋特征已經很明顯，此時可以對圖像中的一些特征進行提取，如圖5中封閉層裂紋像素面積。統計圖片中白色像素的總數即可得到封閉層裂紋像素面積。定義封閉層裂紋密度為裂紋像素面積與整個圖片像素面積之比，通過計算可以得到圖5中的裂紋密度為6.26%。

3 封閉層裂紋密度與老化程度的關系

某抽水蓄能電站工程全庫盆采用瀝青混凝土面板防滲，運行18年后，其面板封閉層出現大面積脫落。按照上一節的方法，在水庫面板的不同位置對殘留的封閉層進行了拍照，如圖6所示。按照上一節方法計算了圖6不同位置的封閉層裂紋密度，見表1。

表1 不同位置的封閉層裂紋密度

瀝青封閉層厚度較薄，僅2mm。薄層瀝青的老化受紫外輻射的影響很大，紫外輻射強度越高，瀝青老化速度越快[14]。由于水庫不同位置受到的太陽輻射量不同，其封閉層的老化程度也有所差異。文獻[2]根據相關模型計算了(1)～(7)不同位置一年內接收到的太陽輻射總量值，見表1。

瀝青由油分、芳香分、膠質、瀝青質四種組分組成。瀝青在老化的過程中，油分、芳香分逐漸向膠質轉化，膠質逐漸向瀝青質轉化，致使瀝青變硬變脆。在瀝青指標上表現為瀝青的軟化點逐漸升高。為了研究圖6中不同位置瀝青封閉層的老化程度，對圖中7個位置的封閉層瀝青瑪蹄脂進行了取樣，按照JTG E20《公路瀝青及瀝青混合料試驗規程》中旋轉蒸發儀法對封閉層中的瀝青進行了提取，并測試了其軟化點，見表1。

回收瀝青的軟化點在88.5～98.5℃之間，根據施工資料，未老化瀝青的軟化點在54.0～59.0℃之間。封閉層瀝青軟化點升高了30～40℃，老化程度相當嚴重。而且太陽輻射量高的位置，其封閉層回收瀝青的軟化點更高，即老化程度更高，二者之間具有良好的相關關系。

封閉層裂紋密度與回收瀝青軟化點及太陽輻射之間的關系如圖7—8所示，可以看出封閉層裂紋密度與回收瀝青軟化點及年太陽輻射量之間都具有較好的相關關系。總體上，太陽輻射量大的區域，其封閉層裂紋密度更高，裂紋密度大的區域封閉層回收瀝青軟化點更高。如前所述，對于同一種瀝青，老化后其軟化點會逐漸升高，軟化點可以評價瀝青的老化程度。封閉層裂紋密度與回收瀝青軟化點之間具有較好的相關關系，表明封閉層裂紋密度可以作為一種評價封閉層老化狀態的方法。

圖7 太陽輻射量與封閉層瀝青軟化點之間的關系

圖8 太陽輻射量與封閉層裂紋密度之間的關系

圖9 封閉層裂紋密度與回收瀝青軟化點之間的關系

目前，由于在工程現場能獲取的樣品和數據量有限，對于封閉層老化壽命閾值還無法進行準確的研究。有待于結合有關工程進行定期跟蹤，開展進一步深入研究。

4 結語

瀝青混凝土面板表面的封閉層隨著時間逐漸老化，其外觀表現為出現裂紋、脫落。在材料性能上表現為瀝青變硬變脆，軟化點升高。封閉層老化受紫外輻射影響較大，輻射量越大，老化程度越高。不同老化程度的封閉層其裂紋密度與瀝青軟化點、受到的太陽輻射量之間具有較好的相關關系，可以作為一種評價封閉層老化狀態的方法。封閉層對于延緩防滲層的老化具有重要的作用，通過封閉層的裂紋密度可以及時了解封閉層的老化狀態，在必要時對封閉層進行維護，延長瀝青混凝土面板的壽命。

本文的研究受目前樣品和數據量限制，對于封閉層老化壽命閾值還無法確定，有待于進一步深入研究。