灰關聯方法確定瀝青混合料礦料級配細觀評價指標★

袁 輝 丁 燕

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

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灰關聯方法確定瀝青混合料礦料級配細觀評價指標★

袁 輝 丁 燕

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

為了確定瀝青混合料礦料級配細觀評價指標，采集了三種典型級配的切割斷面圖像，提取四種細觀特征參數，對繪制的級配曲線和設計級配進行了灰關聯分析。結果表明：平均直徑級配曲線更能表征瀝青混合料礦料級配組成。

瀝青混合料，細觀結構，灰關聯，圖像處理技術

瀝青混合料的礦料組成稱為瀝青混合料的級配。傳統瀝青混合料級配檢驗方法有抽提篩分法和燃燒篩分法。普遍存在的缺點是操作復雜、需要很長時間，并且所獲得的數據準確性不高，試驗數據嚴重依賴于試驗者的操作水平。隨著圖像處理技術的發展，國內外不少學者開始探索圖像級配檢測方法，采集混合料斷面圖像，利用分析軟件來分析礦料的分布情況。在國外，MASAD等[1,2]認為運用集料的等效直徑可以區分各檔集料。MOON等[3,4]在將圖像處理技術應用于瀝青混合料細觀結構中，以像素點面積為尺寸標準對混合料的切面圖像進行礦料篩選。國內，沙愛民等[5]采用圖像處理技術，將等效短軸作為指標，進行差分修正后，最終提出一種基于圖像處理技術的混合礦料組成檢測方法。顏廷野[6]選取等效圓直徑作為礦料特征參數，對馬歇爾試件的切面圖像進行處理，識別粗集料，進行修正后的識別誤差控制在5%以內。

可見，從細觀角度分析瀝青混合料的礦料組成情況仍存在問題，即對礦料粒徑的篩分，缺少統一的標準的礦料級配細觀表征參數。為此，尋找科學可靠的礦料特征參數來表征混合料的實際尺寸是解決問題的關鍵。本文平面切割的方式，采集礦料的二維形態圖像，選取顆粒短軸、箱型寬度、等效圓直徑、平均直徑作為礦料特征參數，從細觀角度分析圖像級配和瀝青混合料設計級配之間的具體關系，采用灰關聯確定瀝青混合料礦料級配的細觀評價指標，以期更真實地評價瀝青混合料的礦料組成情況。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

本試驗選用的瀝青為南京金陵70號道路石油瀝青，SBS瀝青采用成品改性瀝青；SMA-13級配設計所用集料為鎮江茅迪玄武巖；AC-20,SUP-20級配設計所用集料為鎮江茅迪石灰巖，礦粉為石灰巖礦粉；木質素纖維是江蘇理想環球新材料公司的PPMW型絮狀木質素纖維，用量為瀝青混合料總重量的0.3%。

1.2 級配設計

本文選用SMA-13,AC-20和SUP-20級配作為研究對象，表1是各級配的組成情況。

表1 瀝青混合料設計級配

2 圖像處理及圖像級配曲線生成

2.1 圖像采集及預處理

江杰等人[7]采用切割斷面和芯樣曲面兩種方式進行斷面圖像采集，對比發現切割斷面獲取參數較為準確。故本文采用平面切割方式獲取試件，采集對象是切割試件水平面，通過CCD線陣掃描相機獲取試件的表面圖像，具體獲取方式如圖1所示。

由于所獲得的圖像不可避免出現模糊，質量不好的問題，需要利用計算機進行預加工處理。首先將圖像剪裁為固定大小的圖像，將圖像雜訊去除，經色度調整，高反差等處理過程，強化圖像對比成灰諧圖像，然后將圖像轉換成8級灰度圖像，再將圖像進行分割處理，最后轉換為極黑和極白的二值化圖像。過程見圖2。

2.2 圖像級配曲線的繪制

通過IPP軟件獲取礦料顆粒的二維形態特征，經過統計分析可獲得瀝青混合料的礦料級配組成情況。最終選取顆粒短軸、箱型寬度、等效圓直徑、平均直徑這幾種表征參數來繪制圖像級配曲線。

事實上，試件切面圖像尺寸和礦料實際尺寸是存在一定差距的，通過式(1)對切面圖像的尺寸進行統一標定。

(1)

其中，Dr為礦料實際尺寸;dc為計算尺寸;lr為試件實際長度;dr為試件實際寬度;Ac為計算面積。

通過模擬實驗室礦料篩分的過程，根據不同的礦料特征參數，按照式(2),式(3)計算獲取各篩孔礦料顆粒的通過率，從而繪制出圖像級配曲線，獲得切面圖像的礦料尺寸分布情況，以期能夠更為直觀的了解礦料的組成情況。

(2)

(3)

式(2)中分母表示所有礦料質量，分子表示某粒徑下礦料質量;ρ為礦料密度；Nb為邊界點的個數；Δh為顆粒平均厚度。

由于技術限制，對于較小的礦料顆粒，很難進行準確識別，故本文的統計對象是粒徑不小于2.36 mm的礦料。以SMA-13為例，試驗結果見圖3。由于圖3中無法明確看出規律，故本文選擇灰關聯分析法進一步分析。

3 礦料圖像級配與設計級配的灰關聯分析

灰色理論自提出之日起，便受到了廣泛的應用。其中灰關聯分析便是灰色理論中的一類重要方法。通過分析各因素之間的影響程度的強弱，從而找到對目標值最具影響的重要因素。具體步驟如下：首先確定參考數列；然后對上述數列進行均值化處理，獲得參考數和比較數列；最后求關聯系數和關聯度。

按照灰關聯分析方法，以設計級配為參考數列，顆粒短軸、箱型寬度、等效圓直徑、平均直徑為比較數列，以SMA-13級配為例，對不同粒徑的瀝青混合料的試驗結果進行初值化等處理，均值化處理后的新數列見表2。

表2 均值化處理后的數列

將數據代入關聯系數計算式(4)計算關聯系數。灰關聯系數試驗結果見表3。計算灰關聯度，試驗結果見表4。

(4)

其中，ρ為分辨系數，在(0，1)內取值，通常取0.5。

表3 灰關聯系數

表4 SMA-13礦料級配曲線與設計級配的灰關聯度

同理，對AC-20和SUP-20級配進行不同礦料級配曲線與設計級配的灰關聯度，計算結果見表5。

表5 不同礦料級配曲線與設計級配的灰關聯度

由表5可知：通過這四種礦料特征參數得到的圖像級配與設計級配關聯度大小的順序大致為：平均直徑>等效圓直徑>顆粒短軸>箱型寬度，則這四種礦料特征參數的表征效果依次為：平均直徑>等效圓直徑>顆粒短軸>箱型寬度。對于不同礦料級配的瀝青混合料，可見以平均直徑為特征參數得到的圖像級配與設計級配關聯度最高，可用于評價瀝青混合料礦料組成情況。故確定平均直徑作為礦料級配細觀評價指標。

4 結語

對不同細觀特征參數確定的礦料圖像級配曲線和設計曲線進行灰關聯分析，確定平均直徑為礦料級配細觀評價指標，最能表征瀝青混合料礦料組成情況。其他三種特征參數的表征效果依次為等效圓直徑>顆粒短軸>箱型寬度。

[1] KHORASANI S,MASAD E,KASSEM E,et al.Nano-mechanical characterization of mastic,aggregate,and interfacial zone in asphalt composites[J].J Test Eval,2013,41(6):924-932.

[2] CASTILLO D,CARO S,DARABI M,et al.Studying the effect of microstructural properties on the mechanical degradation of asphalt mixtures[J].Constr Build Mater,2015,93(15):70-83.

[3] MOON K H,FALCHETTO A C.Microstrutural investigation of hot mix adphalt (HMA) mixtures using digital image processing(DIP)[J].Ksce J Civ Eng,2015,19(6):1727-1737.

[4] MOON K H,FALCHETTO A C,JEONG J H.Microstrutural analysis of asphalt mixtures using digital image processing techniques[J].Can J Civ Eng,2014,41(1):74-86.

[5] 沙愛民,王超凡,孫朝云.一種基于圖像的瀝青混合料礦料級配檢測方法[J].長安大學學報(自然科學版),2010(5):1-5.

[6] 顏廷野.基于數字圖像處理技術瀝青混合料空隙及級配檢測的研究[D].長春：吉林大學,2014.

[7] 江 杰,肖 鵬,丁 燕,等.瀝青混合料礦料特征圖像表征參數選取[J].揚州大學學報(自然科學版),2016(1):68-73.

[8] 康愛紅,丁 燕,寇長江,等.灰關聯方法確定SBS改性瀝青宏觀性能微觀評價指標[J].河南科技大學學報(自然科學版),2016(4):6，56-59.

Micro-structure evaluating indicators of gray correlation method determining asphalt mixture mining grading★

Yuan Hui Ding Yan

(College of Building Science & Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In order to determine micro-structure evaluating indicators of asphalt mixture, the paper applies three kinds of typical grading cutting section image, extracting four kinds of micro-structure property parameters, and carries out gray correlation analysis of drawing grading curve and design grading. Results show that: average diameter grading curve can better express asphalt mixture grading composition.

asphalt mixture, micro-structure, gray correlation, image processing technology

1009-6825(2017)12-0094-03

2017-02-18★:大學生實踐創新訓練(331010411)

袁 輝(1995- )，男，在讀本科生； 丁 燕(1992- )，女，在讀碩士

TU525

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