基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的混合料離析評(píng)價(jià)方法

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

對(duì)于瀝青路面來(lái)說(shuō)，離析就是指在一定區(qū)域內(nèi)粗細(xì)集料分布不均勻的現(xiàn)象。粗集料富集的區(qū)域內(nèi)混合料的空隙率較大，瀝青和細(xì)集料含量較少，在車(chē)輪荷載作用下對(duì)瀝青路面產(chǎn)生較大的沖刷導(dǎo)致瀝青剝落，最后出現(xiàn)坑槽等早期破壞：細(xì)集料富集的區(qū)域內(nèi)混合料的空隙率較小，瀝青含量較多，粗集料含量較少，使之不能形成相互咬合的骨架結(jié)構(gòu)，在行車(chē)荷載和高溫的作用下容易出現(xiàn)車(chē)轍、泛油等早期破壞[1]。2017年，熊寶林等用離散元的方法分析級(jí)配對(duì)瀝青混合料離析的影響。結(jié)果表明：可以采用離散元方法模擬分析級(jí)配結(jié)構(gòu)對(duì)ATB瀝青混合料離析的影響[2]。2016年，張爭(zhēng)奇等利用數(shù)字圖像技術(shù)處理采集到的瀝青混合料試件芯樣圖片，研究結(jié)果表明：隨混合料離析程度的增加，宏觀構(gòu)造深度K值越來(lái)越大，這說(shuō)明可用構(gòu)造深度K 值來(lái)評(píng)價(jià)瀝青路面的離析情況[3]。2014年，李智等采用X射線CT技術(shù)采集青路面芯樣切面圖片，提出了粗集料不均勻系數(shù)、試件顆粒豎向變異系數(shù)等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)芯樣位置路面結(jié)構(gòu)的豎向顆粒離析。結(jié)果表明:施工質(zhì)量控制較好的路段，其試件均勻性較好，豎向變異系數(shù)較小[4]。2010年，唐嫻等通過(guò)建立瀝青混合料的離析模型，提出瀝青混合料的離析勢(shì)能指標(biāo)，并使用離析測(cè)定儀測(cè)量不同級(jí)配的離析勢(shì)能指數(shù)，評(píng)價(jià)不同級(jí)配瀝青混合料的離析程度[5]。2014年，鄧德毅等基于路面滲水系數(shù)試驗(yàn)得到瀝青路面的空隙率來(lái)定性的評(píng)價(jià)瀝青路面的離析情況，研究結(jié)果表明：滲水系數(shù)試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷，且是非破壞性試驗(yàn)，可以快速反應(yīng)瀝青路面的質(zhì)量狀況，可以評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析情況[6]。

上述瀝青混合料離析評(píng)價(jià)方法相對(duì)于傳統(tǒng)的目測(cè)法來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì)，但是這些方法也存在著一定的局限性，評(píng)價(jià)結(jié)果有誤差，有的方法僅能評(píng)價(jià)局部的離析情況。本文主要通過(guò)利用數(shù)字圖像技術(shù)，對(duì)所采集到的瀝青路面芯樣水平切面圖片進(jìn)行特定的處理并研究瀝青混合料水平切面相等面積內(nèi)的集料累積面積之和的差異性，定量的評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析狀況。

一、數(shù)字圖像處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖像處理又稱(chēng)為數(shù)字圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。處理過(guò)方法為利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理方法和技術(shù)。由于數(shù)字圖像技術(shù)操作方便，圖像所含的信息量大，傳輸效率高，所以當(dāng)下數(shù)字圖像技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面。隨著交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)被廣泛應(yīng)用到道路交通領(lǐng)域。

二、離析評(píng)價(jià)方法

以相等區(qū)域內(nèi)集料面積的累積之和的差異性來(lái)表征瀝青混合料的均勻性。由于集料顆粒是不規(guī)則的幾何圖形，集料顆粒的面積計(jì)算困難，本文利用橢圓來(lái)模擬集料顆粒，橢圓的長(zhǎng)軸為集料顆粒最遠(yuǎn)兩個(gè)角的直線長(zhǎng)度，橢圓的短軸為集料顆粒最遠(yuǎn)兩個(gè)角點(diǎn)連線中間位置的最大寬度[7]。

圖1 水平截面劃分與轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

將試件截面劃分為等大的六個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的角度為60°。以幾何中心為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，以6°為旋轉(zhuǎn)單位，對(duì)著6塊區(qū)域同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，共旋轉(zhuǎn)10次，之后分別計(jì)算每次旋轉(zhuǎn)后各個(gè)區(qū)域的集料面積累積之和。通過(guò)比較分析這6個(gè)區(qū)域內(nèi)集料面積累積之和的差異，評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析程度。圖1為水平截面劃分與旋轉(zhuǎn)示意圖。

若瀝青混合料沒(méi)有發(fā)生離析，則截面內(nèi)瀝青混合料集料分布是均勻的，即，截面上各個(gè)區(qū)域內(nèi)集料面積累積之和應(yīng)該比較接近。

在計(jì)算各個(gè)不同區(qū)域內(nèi)集料面積的累積之和時(shí)，確定其控制粒徑為4.75mm，即只累積計(jì)算粒徑在4.75mm以上集料的面積。公式如下所示：

Si=∑Sn

試中：Si為第i區(qū)域內(nèi)粒徑不小于4.75mm集料面積的累積之和：Sn為第i區(qū)域內(nèi)第n個(gè)粒徑不小于4.75mm的累積面積。對(duì)比不同區(qū)域內(nèi)集料面積累積之和的差異大小，可以通過(guò)方差δ來(lái)衡量。公式如下所示。

三、實(shí)例驗(yàn)證

圖2 瀝青混合料試件水平切面

按上述方法計(jì)算，根據(jù)以上3幅瀝青路面芯樣水平切面圖片中的瀝青混合料集料面積累積之和的方差從大到小的順序?yàn)椋篈>C>B。即以上3幅瀝青混合料的離析程度順序?yàn)椋篈>C>B,與視覺(jué)觀察結(jié)果一致。

四、結(jié)論

1.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對(duì)瀝青混合料顆粒離析現(xiàn)象進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。

2.通過(guò)旋轉(zhuǎn)圖片，可以避免人為主觀的選塊，評(píng)價(jià)離析時(shí)受人的主觀因素影響較小，結(jié)果更加準(zhǔn)確。