離散級配瀝青混合料的空隙率分析

張 建

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350000)

0 引言

低噪聲透水瀝青路面以其排水、降噪等諸多功能特點，已在北京、上海、深圳、杭州等城市得到廣泛應用。這主要取決于透水瀝青路面多孔特性，給交通噪聲的吸收、擴散和削減路面徑流提供了足夠的路徑。因此，排水瀝青路面結構多孔特性的保證是其功能實現的重要前提。

為研究透水瀝青路面結構的孔隙特性，目前國外主要采用CT技術獲得試件的內部結構掃描圖像，進而通過數字圖像處理技術定量研究瀝青混合料的內部空隙結構，并以此為基礎研究空隙結構對瀝青混合料各項性能的影響。

但國內對瀝青混合料的孔結構研究還處于技術探索階段[1-3]，主要集中在瀝青混合料空隙分布、集料級配的研究，主要涉及到不同級配、不同成型方式下空隙的分布特征和通過圖像獲得瀝青混合料的級配。

基于以上，本文運用Matlab與Photoshop圖像處理技術，通過對不同空隙率排水瀝青混合料圖像進行灰度、過濾、均衡化及二值化處理后，對數字圖像的表面空隙結構進行統計和分析，進而探索低噪聲透水瀝青混合料孔結構特征，以期為相關理論研究和工程實踐提供參考。

1 排水瀝青混合料表面孔結構分析

1.1 Matlab圖像處理技術孔徑分析方法

本試驗采用成型的車轍板表面作為取樣對象，來研究排水瀝青混合料表面孔結構特性。首先制作3個不同空隙率(18%、20%、22%)的排水瀝青混合料車轍板，然后按照以下步驟進行空隙數據采集，如圖1所示。

圖1 空隙數據采集步驟

(1)圖像獲取

為減小試驗分析誤差，本階段通過在Matlab中調用(imcrop)函數對初始采集圖像進行了截取，從所拍試塊拍攝面中截取一個矩形部分，作為試驗分析對象，進而提高試驗的準確度。

(2)圖像灰度化

本階段通過在Matlab中調用rgb2gray函數將截取3種空隙率圖像處理為灰度圖像，來簡化上一階段獲取的RGB圖像，如圖2所示。

圖2 20%空隙率的截取圖像和灰度化處理后的圖像

(3)圖像過濾及均衡化

本階段主要對圖像的對比度和失真進行優化，增加圖像的識別度，以利于后期的數值化處理。

(4)圖像扣除背景及二值化

本階段圖像的二值化處理是先設定原圖像為f(x,y)，選擇一個灰度值T作為閾值，將圖像分割為兩部分，大于T值的值設為1，小于T值的值設為0。如式(1)所示。

(1)

然后，選擇自動閥值選擇法，先去除圖像背景色干擾，再調用graythresh函數自動識別并設定適當的閥值。

(5)數值圖像氣孔分割及氣孔空隙率計算

采用regionprops函數獲取目標空隙率特征信息，進一步調用ismenber函數拾取像素面積范圍內目標圖像，即消去比目標面積像素值小的對象及大的對象。最后用sum函數統計圖像內目標總面積像素值，numel函數統計整個圖像面積總和像素值。

(6)最大空隙率像素值的界定

本階段通過在Matlab中使用bw2語句對最大空隙的像素值尺寸進行界定，進一步消去明顯超過實際尺寸的大孔，以減少圖像處理誤差。

(7)空隙實際尺寸的標定

根據所拍試件像素邊長，與實際相應試件實際邊長，計算出單位像素所代表的實際尺寸。然后，將最后圖像處理測得的像素數據，轉換得到試件空隙實際尺寸數據。

1.2 數據處理及分析

根據像素換算[4]調整閥值為40時，目標空隙率為18%的混合料采用圖像處理得到的空隙率與實測值接近；然后使用該閾值對20%和22%的混合料進行圖像處理并得到相應的孔隙率，結果如表1所示。

表1 孔徑分析結果

從表1可以看出，設計的3種目標空隙率所得到的實測空隙率與Matlab軟件計算的空隙率極為接近，誤差在4%以內。因此，在成像結果理想的基礎上，可通過軟件計算直接獲得試件的空隙率，具有較高的準確性。

2 排水瀝青混合料內部結構分析

2.1 排水瀝青混合料內部結構獲取

為了進一步了解排水瀝青混合料內部孔結構，獲取其內部的空隙、集料以及砂漿等的結構和分布特征，本文選用碾壓成型的車轍板，對其進行豎向“十”字形切割，獲得其豎向截面和橫向截面如圖3所示。

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圖3 排水瀝青混合料豎向與橫向截面

從圖3可以看出，排水瀝青混合料大致可分為3個部分：粗集料、砂漿和空隙。粗集料接近白色，砂漿呈灰色，空隙呈黑色。粗集料表面包裹著膠漿形成一定的骨架結構，砂漿填充到骨架結構中，未被填充就形成空隙。

2.2 排水瀝青混合料內部結構處理

本文重點關注的是有關空隙和粗集料的信息，因此本文通過嘗試設定不同的閾值，區分粗集料、空隙和砂漿，并分別用不同的顏色進行填充標注。如圖4所示，白色填充表示粗集料，深黑色表示空隙，剩余未處理的部分為砂漿，并將Photoshop圖像處理技術，進行二值化處理，如圖5所示。

圖4 混合料圖片

圖5 二值化圖像

3 排水瀝青混合料孔結構分析

3.1 粗集料特征參數

(1)粗集料比例

排水瀝青混合料中粗集料占到80%以上，粗集料比重對排水瀝青混合料工程特性有重要影響，隨著空隙率的增大，排水瀝青混合料2.36mm篩孔通過率逐漸減小。本文對于二維圖像，參考裴建中[5]有關集料幾何特性的研究成果，一個集料能通過篩孔，不取決于其面積小于篩孔面積，而取決于其二維圖像輪廓線上任意兩點的最大軸距小于方孔對角線長，即集料最大軸距大于2.36mm方孔篩邊長的倍判定為粗集料。

本文通過二值化圖像統計各種空隙率不同截面上粗集料的面積占整個截面面積的百分數，空隙率20%橫向截面二值圖像如圖6所示，并將不同孔隙率下粗集料比重統計如圖7所示。

圖6 空隙率20%橫向截面粗集料分布

圖7 粗集料所占截面百分數

由圖7可以看出，隨著空隙率的增大，豎向和橫向截面上粗集料所占比例未表現出明顯的規律性，但粗集料占截面比例大致在34%～41%的范圍內波動。

(2)粗集料的棱角性

(2)

式中:P——棱角性指標；

Perimeter——集料輪廓周長；

Perimetere——等效橢圓周長。

由圖8所示，不同空隙率下，粗集料的棱角性主要集中在1.28～1.37，均大于1，表明破碎后集料的棱角性較為穩定，變化范圍不大，且具有較好的棱角性。

圖8 粗集料棱角性

(3)粗集料的級配

傳統篩分是獲得集料級配的主要方法，通過測定每檔的篩余質量確定，稱為質量級配。在進行數字圖像分析時，由于獲得的混合料截面圖像只是二維的，因此只能用二維圖像獲得的集料面積百分率表征其級配，稱為面積級配。

圖9 空隙率18%的面積級配與質量級配

圖9～圖11可知，隨著空隙率的增大，質量級配通過率呈遞增趨勢，但變化幅度較小；面積級配未表現出明顯的規律性，但呈現出相對穩定的趨勢；面積級配均在質量級配的上方，表明面積級配通過率均大于質量級配的通過率。

圖10 空隙率20%的面積級配與質量級配

圖11 空隙率22%的面積級配與質量級配

面積級配與質量級配各檔通過率上均具有較大的差距，特別是在4.75mm篩孔通過率上差距較大，為了進一步減少面積級配和質量級配的差距，將面積級配轉化為質量級配。本文參考裴建中[5]提出的基于集料巖性特征與生產工藝相同和集料形狀特征相同兩條假設給出從面積級配轉化到質量級配的公式，如式3所示。

(3)

式中:S——質量百分數，%；

p——第i檔篩孔上集料的數目；

n——集料的總數目；

A—單個集料的面積；

d—集料的等效橢圓短軸長度。

圖12 基于數字圖像表征的質量級配

由圖12可以看出，相比面積級配，基于數字圖像表征的質量級配與篩分級配得到的質量級配較為接近，特別是在4.75mm這檔料的通過率與篩分結果的質量級配接近，表明基于數字圖像表征的質量級配是可行的。

3.2 空隙

(1)空隙比例

對于二維數字圖像，無法獲得其實際的空隙率，而且切割時高溫導致一些細小的空隙被堵塞，使其截面上的空隙所占比例都偏小，本文通過二值圖像測得空隙率均在4%～10%之間。

(2)等效直徑

由于截面空隙構造極其復雜，形狀呈現不規則性，為了便于研究，將復雜多變的空隙形狀簡化為截面為圓形的當量圓，研究空隙當量圓等效直徑對排水瀝青混合料滲透性能和力學性能的影響，其公式如式4所示。

(4)

式中:d——混合料的空隙等效直徑，mm；

Ai——混合料截面單個空隙面積，mm2；

n——混合料截面空隙數量。

由圖13可以看出，隨著空隙率的增大，當量圓等效直徑呈增大的趨勢，且隨著空隙率增大，其增大趨勢較明顯，當量等效圓直徑變化范圍在1.6mm～2.2mm之間。豎向截面的當量圓等效直徑與橫向截面的當量圓等效直徑接近，差別較小。該結果表明當量等效圓可反映出空隙率的大小，也表明排水瀝青混合料在豎向截面和橫向截面上的空隙率相差較小。

圖13 不同空隙率當量圓等效直徑

4 結語

(1)可通過Matlab圖像處理程序代碼對多孔瀝青混合料表面孔隙率進行較為精確的計算，與實際測量孔隙率的誤差在4%以內，可作為測量排水瀝青混合料空隙率的新途徑。

(2)在相同空隙率下，豎向截面與橫向截面粗集料的面積占有率較為接近，說明粗集料分布較為均勻。隨著空隙率的增大，兩個方向截面上粗集料所占比例未表現出明顯的規律性，粗集料占截面比例大致在34%～41%的范圍內波動。

(3)對比面積級配和基于數字圖像表征的質量級配，結果表明基于數字圖像特征的質量級配與篩分級配的結果更接近。其原因是由于基于數字圖像表征的質量級配考慮集料的厚度影響，結果更為可靠，但是兩者仍存在一定差距。

(4)當量等效圓可以間接反映出排水瀝青混合料的空隙特性，豎向截面的當量圓等效直徑與橫向截面的當量圓等效直徑接近。隨著空隙率的增大，當量等效圓直徑呈增大的趨勢，且隨著空隙率增大，其增大趨勢較明顯，當量等效圓直徑變化范圍在1.6mm～2.2mm之間。

參 考 文 獻

[1] 曹東偉,劉清泉.排水瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2] 徐斌.排水性瀝青路面理論與實踐[M].北京: 人民交通出版社,2011.

[3] 倪富健,徐皓,冷真,等.瀝青性質對排水性瀝青混合料性能的影響[J].交通運輸工程學報，2003(04): 1-4.

[4] 梁原.基于MATLAB的數字圖像處理系統研究[D].長春：長春理工大學,2008.

[5] 裴建中.瀝青路面細觀結構特性與衰變行為[M].北京: 科學出版社,2010.