基于數字圖像處理技術的粗集料形狀特征研究

徐娜　盧祎苗+　郭菁峰+　趙曉明

摘要：瀝青混合料是一種多相復合材料，由礦料（粗集料、細集料和礦粉）和瀝青結合料拌合而成。其中，瀝青混合料強度的來源主要是粗集料由嵌擠形成的骨架結構，而粗集料形狀特征又是影響其嵌擠方式的重要因素。因此，研究粗集料的形狀特征是研究瀝青混合料的關鍵。研究表明，粗集料越近似立方體，其瀝青混合料各方面性能越好。在不同近立方體顆粒含量的粗集料與瀝青混合料性能相關性分析中，輪廓形狀各指標均有較強的相關性，棱角性指標相關性較差。本文利用數字圖像處理技術，采集粗集料的相關數據，采用片度、球度、形狀指數等技術指標，對粗集料的相關性能進行分析評價。

Abstract： Bituminous mixture belongs to multiphase composite material， consisting of mineral aggregate such as coarse aggregate， fine aggregate， mineral powder and asphalt binder. Among them， interlocked skeleton shaped by coarse aggregate is the main source in the intensity of bituminous mixture. And that the shape character of coarse aggregate is very important for the methods of interlocking. Therefore， the key of researching the bituminous mixture is studying the shape character of coarse aggregate. There is a research shown that the shapes of the coarse aggregates are closer to the cube， the nature of bituminous mixture is better. The correlation analyse between coarse aggregates（the proportion of the cube is different ）and the nature of bituminous mixture reveals that various indicators of counter shape have strong correlation but the correlation between the angularity index is poor. This article takes advantage of digital image processing technology， collecting dates about coarse aggregates， using technical indicators such as FL， SP， Shape metrics and so on， in order to analyse and evaluate the performance of coarse aggregates.

關鍵詞：嵌擠能力；數字圖像；輪廓形狀；棱角性

Key words： embedded squeeze ability；digital image；profile；angularity

中圖分類號：TU528.041 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0163-04

0 引言

瀝青混合料的主要組成是粗集料，它通過嵌擠形成的骨架結構對瀝青混合料的強度起到至關重要的作用[1-2]。為了研究粗集料的嵌擠方式，我們首先應當對粗集料本身的形狀特征進行深入的研究和分析。

粗集料的輪廓形狀為顆粒外形輪廓邊界的集合[3-4]。我國《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）[5]中采用針片狀顆粒含量來評價粗集料形狀。美國ASTM D4791試驗規程[6]中把粗集料形狀分成了針狀、片狀、針片狀，同時規定了測定比例1：2、1：3、1：5不同標準的試驗方法。這些方法均工作量大，耗時長，容易受人為因素的影響，試驗結果的變異性較大。

為了更精確定量表征粗集料復雜的輪廓形狀，研究人員開始吸取一些新技術。數字圖像處理技術是其中的一種重要方法[7-9]。通過Image-Proplus、Matlab等軟件對粗集料圖像的一系列處理，可以得到表征粗集料輪廓形狀的指標[10-11]。

研究表明[12-13]粗集料的形狀特征完全可以用以下三個指標來量化：輪廓形狀、棱角性、紋理。當集料具有明顯的棱角性，形狀近似正方體以及表面很粗糙時，在碾壓后能互相嵌擠鎖結從而內部具有較大的內摩擦角，在其他條件不改變的情況下，由這種集料組成的瀝青混合料通常會具有較高的抗剪強度。

因此，以不同形狀特征粗集料為研究對象，探索其輪廓形狀和棱角性對集料骨架結構的影響，對瀝青路面的設計和病害防治具有重要的指導意義和實用價值。

1 數字圖像處理

本文對粗集料進行數字圖像處理采用的是現有成熟的圖像處理系統Image-ProPlus（簡稱IPP）。IPP支持圖像采集，增強，彩色圖像處理，測量，分析，宏紀錄等功能，為便于歸檔，收集和進一步的統計分析，IPP支持動態數據轉換，能方便地將測量結果送到Excel或其他分析軟件中，且提供了豐富的測量參數類型，例如：Area（面積）；Area （Polygon）（多邊形面積）；Aspect（平面形狀）等[14]。我們按照前人的標準選擇了IPP中的一些測量參數，然后對圖像進行分析。endprint

粗集料的形狀特征包括輪廓形狀和棱角性。輪廓形狀是通過主要尺寸的比例來反映顆粒針片狀度[15]，棱角性反映顆粒輪廓度的邊緣突出程度[16]。采用IPP軟件對200顆9.5mm、13.2mm、16mm、19mm四種粒徑下的粗集料采集片度、扁平系數、球度值來對輪廓形狀進行研究，分析其形狀特征隨粒徑變化的規律。采集形狀指數和等效橢圓周長比這兩個參數來對棱角性進行研究并分析規律。

本文采用自然光環境、白色背景并輔以LED強光燈，使用高倍數碼相機拍攝粗集料圖像，拍攝過程中使用一角硬幣參照，以此作為標尺能較準確的獲得集料實際平面尺寸。其操作界面如圖1所示，粗集料圖像處理前與處理后的界面如圖2和圖3所示。

2 粗集料輪廓形狀指標研究

2.1 片度FL

從圖4中發現，各顆粒間的FL分布較集中，差異性較小，粗集料顆粒形狀較規則；此外，隨著粗集料粒徑的不斷增大，其FL呈現小幅度上升。

2.2 扁平系數FI

從圖5中看出，粗集料在粒徑較小時，扁平系數值在各區間內分布較均勻。隨著粒徑的增大，扁平系數值整體呈現下降趨勢。扁平程度較小，顆粒形狀更接近立方體。

2.3 球度SP

從圖6中看出，粗集料球度值沒有良好的整體特性，但隨著粒徑的增大，球度值整體呈現增大的趨勢，粗集料的總體形狀逐漸由多樣性向均一性過渡。

3 不同粒徑的粗集料棱角性研究

3.1 形狀指數

從圖7中發現，粗集料的形狀指數值分布情況呈現出拋物線形。其中，9.5mm與13.2mm粒徑的粗集料形狀指數分布較一致，且形狀指數值也較接近，說明這兩個粒徑下的粗集料顆粒其整體棱角性差異性較小，且棱角豐富。16mm與19mm粗集料的形狀指數值則相對較小，棱角性較弱。

3.2 等效橢圓周長比

從上述表中整體數據來看，各粒徑下粗集料等效橢圓周長比較接近，表現為棱角性差異性小。另外，等效橢圓周長比隨粒徑增加略有下降趨勢，即粗集料棱角性變弱。

4 粗集料形狀特征分析

采取人工干擾方式，配置五組具有不同近立方體顆粒含量的粗集料，放大粗集料間形狀特征的差異性，為相關性分析提供更有利的數據支撐。具體操作方法如下：

人工挑選出9.5mm及以上粒徑的近立方體粗集料作為A料。剩余粗集料作為B料。按25%為一個間斷，將粗集料分成五組不同近立方體顆粒含量的粗集料：0%A+100%B，25%A+75%B，50%A+50%B，75%A+25%B，100%A+0%B，小于9.5mm粒徑的集料采用同種石灰巖。實際上由于很少有粗集料各向尺寸完全一樣，本研究將各向尺寸相差不大的粗集料視為近立方體粗集料，即將扁平系數小于1.6的粗集料定義為近立方體粗集料。

采用形狀特征指標對人工配制的五組粗集料進行形狀特征量化，結果如表1。

圖9和圖10分別為不同近立方體粗集料含量下的粗集料輪廓形狀和棱角性變化規律。

從圖9中可以看出片度、扁平系數、球度與近立方體粗集料含量存在明顯的線性關系，隨著近立方體粗集料含量的增加，粗集料的扁平系數下降，片度、球度增加，也即粗集料整體輪廓形狀越規整、越接近立方體。

近立方體粗集料含量增加，其形狀指數減小，等效橢圓周長比增大，說明以形狀指數作為評價指標，粗集料棱角性是減小的；而以等效橢圓周長比作為指標，粗集料棱角性呈增大趨勢，但存在上下波動，不能表征粗集料棱角性。粗集料各棱角性指標的適用性尚需結合相應瀝青混合料的路用性能來評價。

5 結論

①隨著粗集料粒徑的不斷增大，片度呈現小幅度上升；扁平系數值整體呈現下降趨勢，扁平程度較小，顆粒形狀更接近立方體；球度值整體呈現增大的趨勢，粗集料的總體形狀逐漸由多樣性向均一性過渡。

②粗集料的形狀指數值分布情況呈現出拋物線形。9.5mm與13.2mm這兩個粒徑下的粗集料顆粒其整體棱角性差異性較小，且棱角豐富。16mm與19mm粗集料的形狀指數值則相對較小，棱角性較弱。各粒徑下粗集料等效橢圓周長比較接近，表現為棱角性差異性小。另外，等效橢圓周長比隨粒徑增加略有下降趨勢，即粗集料棱角性變弱。

③隨著近立方體粗集料含量的增加，粗集料的扁平系數下降，片度、球度增加，也即粗集料整體輪廓形狀越規整、越接近立方體。

④粗集料棱角性指標受到了粗集料輪廓形狀因素的影響而不太準確，各棱角性指標的適用性尚需結合相應瀝青混合料的路用性能來評價。

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