幾種典型瀝青混合料車轍橫斷面變形特征分析

陳 華，英 紅

(1.深圳市市政設計研究院有限公司，深圳 518029；2.桂林電子科技大學廣西高校圖像圖形智能處理重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

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道路工程

幾種典型瀝青混合料車轍橫斷面變形特征分析

陳 華1，英 紅2

(1.深圳市市政設計研究院有限公司，深圳 518029；2.桂林電子科技大學廣西高校圖像圖形智能處理重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

針對傳統車轍試驗無法描述瀝青混合料側向隆起、流動等變形形態的問題，本文利用線激光和相機，設計、搭建瀝青混合料車轍斷面變形圖像采集系統，通過采集典型的骨架密實型、懸浮型和骨架空隙型混合料的斷面變形圖像，由圖像處理技術及格子計數法獲得用以描述這些混合料試件的車轍變形形態的特征參數，試驗結果表明，這些參數能夠反映混合料內部荷載擴散、流動變形能力及壓密松漲綜合效應等混合料內部信息，為評估材料高溫性能等方面提供新的視角。

瀝青路面；車轍試驗；配合比；變形輪廓；特征參數

0 前 言

車轍變形是瀝青路面使用過程中最常見也是最主要的破壞類型，也是國內外公路界學者的研究熱點，室內車轍試驗能夠較好的模擬瀝青混合料在車輛荷載反復作用下的變形狀況，因此，各國普遍使用室內車轍試驗對混合料的高溫性能進行復核，成為馬歇爾試驗法、旋轉壓實法等在確定瀝青最佳用量時的必要補充，如我國在確定最佳瀝青用量方面主要采用的是馬歇爾試驗法，并以車轍試驗作為高溫性能驗證的補充。

然而，傳統的車轍儀受限于位移傳感器的工作方式，僅能得到車轍變形的最大值，無法描述橫截面上的各點的變形情況。車轍宏觀變形是混合料內部復雜結構在頻繁的交通荷載下壓密、流動、松漲、隆起等變形效應的累積表現，車轍橫斷面變形曲線是車轍宏觀變形形態的重要特征，從橫斷面曲線入手，研究斷面曲線特征與材料內部結構的關系，對揭示材料在荷載作用下的行為特征、評估材料高溫性能等方面是十分必要的。

1 橫斷面變形曲線特征描述

大量實踐表明，瀝青路面車轍變形呈現出如圖1中曲線所示形態，除輪跡處出現凹陷外，在輪跡左右兩側同時會有隆起存在，而傳統的室內車轍試驗僅測量了凹陷深度，未對隆起高度、開口寬度、開口角度等信息進行采集和分析，而這些變形特性與混合料級配類型、內部集料顆粒的空間分布結構密切相關，為了挖掘瀝青混合料材料組成與車轍變形形態的內在聯系，對該曲線的凹陷、隆起、開口大小、開口角度等形態特征進行了定義。

圖1 車轍變形曲線形態特征參數表征圖

如圖1所示的車轍橫斷面變形曲線中d0為車轍下凹最大深度，w1為車轍下凹區域的開口寬度，主要與集料顆粒組合結構的荷載擴散能力相關；d1、d2分別為車轍輪跡左、右兩側隆起的最大高度，w2為車轍輪跡兩側隆起區域峰值間距，它們反映了混合料抗流動變形的能力；S0為車轍下凹部分的面積，S1和S2為車轍輪跡左、右兩側隆起面積，反映了壓密和松漲效應對混合料體積變化的影響。

2 車轍試件橫斷面變形曲線采集裝置

為了得到車轍試件斷面變形曲線，開發了數字圖像處理技術與光學技術相結合形成的光機電一體化的測量系統，它使用攝像機作為圖像傳感器，獲取線激光器在試件上的光條，然后利用數字圖像處理技術，由計算機進行圖像增強、識別與檢測。

系統使用Sentech STC-Pocl232A面陣相機，分辨率1 600×1 200，幀率30fps，Cameralink輸出；Fujinon50 mm光學鏡頭；DALSA PC2-CameraLink圖像采集卡；FAR 650nm紅光一字型線激光器，功率為100 mW。相機與一字條形激光器分別固定于車轍試驗機的橫梁上，其中一字激光器垂直照射在車轍試件上，試件上出現一條紅色的光條，相機安裝于右側，采集光條圖像，然后把圖像傳輸到計算機上，再由計算機進行處理，從而得出車轍變形曲線。

受車轍試驗機恒溫倉體尺寸、相機工作距離及與光平面夾角所限，為保證車轍變形曲線的計算精度，車轍試件的采樣寬度只能控制在試件中部約為26 cm范圍內。

3 斷面變形特征參數計算方法

采集車轍斷面光條圖像后，使用IMAQ Vision 6.0軟件進行圖像處理，該軟件集成了大量圖像處理算法，并提供了一個帶有各種測量工具的軟件包Measurement Studio，利用它能夠方便地創建視覺檢測應用程序，實現迅速的車轍變形測量任務。首先，將圖2中加載前后的光條圖像相減，得到車轍的變形圖像；接著，借助車轍儀提供的車轍深度測量值對變形圖像進行縱向標定，然后根據橫向標定物對變形圖像進行橫向標定，得到如圖2所示的實測車轍斷面變形曲線，該曲線中存在較多的毛刺，這是由于試件在輪載作用下，加載區及其附近區域的集料顆粒發生轉動造成的，為了方便獲取圖1中的各種特征參數，對該曲線進行平滑處理，具體的做法可采用相鄰若干數據取平均值的做法，本文用左右相鄰10個數據取平均，得到平滑后的曲線如圖3所示。

圖2 實測斷面變形曲線

圖3 對平滑曲線進行網格計數

得到光滑的車轍變形曲線后，容易得出d0、d1、d2、W0、W1、W2等長度數據，但車轍下凹面積s0、左右側隆起面積s1和s2并不能從光滑曲線上直觀地得到，有鑒于此，本文使用“格子計數法”對其測量：根據橫、縱坐標軸上的刻度在圖上畫出格子，然后通過對應區域內的格子數目完成s0、s1和s2參數的測量，在計數時，當曲線穿過格子時，分割的部分如果超過半個格子，則以一個格子計數，反之，則不計數，也不能將多個“半格”進行累加。

4 車轍試驗

選用13混合料，分別制作AM-13、AC-13F、AC-13C典型級配的混合料，級配使用規范中值，殼牌70#重交普通瀝青，瀝青用量、空隙率和車轍試驗結果列于表1，斷面特征參數測量結果列于表2，兩類混合料的車轍斷面變形曲線對比于圖4。

表1 材料試驗結果

圖4 車轍橫斷面變形曲線對比

類型d0d1d2dew1w2s0s1s2ΔSAC-13C3．71．11．41．25105．3179．6264．046．9104．7112．4AM-136．02．02．02．083．2154．7335．1119．799．2116．2AC-13F8．03．12．42．7579．3137．8507．8164．8190．3152．7

從表1中的傳統車轍試驗的車轍深度d值和表2的橫斷面變形曲線下凹深度d0值的試驗結果上看，兩者結果基本相近，從表2看，C型結構的d0值最小，F型最大，AM型居中；該值與傳統室內車轍深度d值意義并不相同，兩者的含義也不一樣，車轍試驗機位移傳感器所測位置是輪子在整條輪跡上的最低位置，而d0所測位置是某個橫斷面變形曲線經過平滑后的最低點，一般來說，d0要稍小于d值，說明論文通過光條曲線測試車轍深度的方法是可靠的。

w1反映了混合料內部顆粒組合結構擴散荷載的能力，C型w1值最大；F型最小；對于AM型這種骨架空隙結構，雖然粗集料含量高，容易形成嵌擠形態，但由于細集料含量少，粘結力不足，導致傳荷能力弱于C型，但比F型要好。

w2、de反映了混合料抗流動變形的能力，F型結構的抗流動性能最差，在輪子附近就出現了峰值，且峰值de最高；C型結構既有粗集料嵌擠，又有細集料充分填充，抵抗材料相對運動的能力最強，因此，它的峰值最低，距離加載區也最遠。從w2，de值，可以看到細集料扮演的角色，細集料過多，如F型，流動性強；細集料過少，如AM型，存在較大空隙，也不利于抵抗材料的相對運動。

在輪載作用下，壓密和松漲是混合料體積發生變化的兩種基本形式，令ΔS=S0-S1-S2，ΔS反映了壓密和松漲綜合效應對混合料體積變化的貢獻，此值為正，表示壓密對體積變化的影響大于松漲，為負，則表示松漲效應對體積變化占有主導地位。F型混合料雖然空隙率最小，但由于瀝青、細集料含量高，流動能力強，在反復碾壓下、揉搓，瀝青膠漿容易擠出、遷移，導致壓密效應最明顯；AM型與C型相比，由于前者空隙率較大，可壓縮的潛力大，因此AM型的ΔS值稍高一些。

5 結 論

(1)提出了一種基于激光成像的車轍橫斷面曲線檢測方法，該方法通過簡單的圖像處理可獲取車轍橫斷面變形曲線。

(2)利用車轍橫斷面變形曲線，獲取了除車轍深度信息外，還獲取了反映混合料內部荷載擴散、流動變形能力及壓密松漲綜合效應影響因素的參數，通過對典型的骨架密實型、懸浮型和骨架空隙型混合料的車轍橫斷面變形曲線參數分析發現，這些參數對幾種典型結構的區分度是明顯的，而這些信息將大大加強人們對混合料內部機構抵抗車轍變形影響機理的認識。

[1] 關宏信，張起森，劉敬.瀝青混合料車轍試驗改進方法[J].交通運輸工程學報，2011，(11).

[2] 李立寒，陳建軍，蘇洲，等。瀝青層隆起變形與松漲現象分析[J].同濟大學學報自然科學版，2009，37(1):52-57.

[3] 喬英娟.瀝青混合料位移場測定與流動性車轍分析[D].大連理工大學,2008.

[4] 李立寒，蘇洲，陳建軍。瀝青混合料室內車轍實驗隆起系數的研究[J].公路交通科技，2007，(7):42.

[5] 王端宜，黎侃，蔡旭.基于集料接觸特性的瀝青混合料抗車轍性能評價[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2012，(11)：121-126.

[6] 吳文亮,張肖寧,李智.瀝青混合料車轍試驗中粗顆粒運動軌跡的分析[J].華南理工大學學報，2009，37(11)：27-30.

2016-01-18

陳華(1981- )，男，工程師。

國家自然科學基金(51208130)，廣西自然科學基金(2013GXNSFBA019258),廣西高校圖像圖形智能處理重點實驗室資助(GIIP201507),廣西科技開發項目(桂科攻14124004-4-14)

U416

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1008-3383(2016)08-0001-02