瀝青路面芯樣圖像處理與細觀結構檢測評價

周榮 ，曾愛東

(1.廣州繼善建筑技術有限公司，廣東 廣州 510600；2.廣東建準檢測技術有限公司，廣東 廣州 514000)

骨架密實型瀝青混合料由接觸粗集料構成骨架，作為抵抗荷載應力的主要載體，是重交通道路典型的瀝青路面結構[1]。目前，混合料設計以VCAmix≤VCADRC作為骨架評價指標，難以對骨架結構進行評判[2]。瀝青路面施工和質量檢查過程中，除了關注宏觀指標外，一般通過切割獲取的芯樣，觀察圖像中集料與瀝青膠漿的分布狀態(tài)，以及空隙構成等。因此，目前對于芯樣切片圖像的評價，施工現(xiàn)場基本上采用專家觀察法。專家觀察法更多地是依靠個人的工程經(jīng)驗判斷，主觀性較強；另外，對于鉆取的芯樣，一般僅僅測量芯樣的厚度，也就是通過路面攤鋪厚度來判斷是不是符合規(guī)范要求。對于芯樣切片圖像中的其它信息未得到充分挖掘，并未獲得更多有效的數(shù)據(jù)信息。

對于瀝青混合料骨架結構設計與施工質量管控方面，石立萬等[3]針對目前瀝青混合料骨架結構判據(jù)的不足，提出了骨架結構的細觀評價指標。唐成等[4]針對不同類型瀝青混合料，研究了計算速度與精度均衡的圖像分辨率范圍，分析了不同接觸算法骨架細觀接觸的高通量計算精度。Wang等[5]制備了不同骨架形態(tài)、級配和壓實方法的瀝青混合料，利用數(shù)字圖像處理技術對骨架進行量化分析。Hassan等[6]以三種不同強度和形狀的骨料花崗巖、輝綠巖、石灰石為研究對象，利用圖像處理技術獲取顆粒之間的接觸性質、分布和取向等信息，評估骨架指數(shù)與力學性能之間的關系。吳建明等[7]對瀝青混合料的壓實特性及其影響因素進行了分析。鄭齊[8]等對路面壓實過程三維骨架結構狀態(tài)進行評價，為瀝青路面壓實質量實時調控提供基礎。劉衛(wèi)東[9]等建立了集料形態(tài)特征和溫度影響的三維瀝青路面壓實模型，分析了瀝青路面壓實過程中路面厚度、集料運動、接觸力及能量演化機制等特征。既有研究文獻對于瀝青混合料粗集料骨架細觀結構特征、瀝青路面施工壓實質量控制方面的研究，主要集中于理論研究與數(shù)值模擬方面。利用研究成果指導室內瀝青混合料設計，以及瀝青路面施工質量管控仍有欠缺。為此，本文通過智能化識別軟件提取瀝青路面芯樣細觀結構特征，根據(jù)路面施工芯樣切片的細觀指標評價路面施工質量，為提升瀝青路面設計和施工質量提供技術與經(jīng)驗支持。

1 瀝青路面芯樣圖像處理與細觀結構檢測

通過瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)，對二維切片圖像進行批處理和數(shù)據(jù)輸出，分析過程自動化處理程度高，快速方便。由于瀝青路面施工完成后需鉆取芯樣，檢測路面施工厚度、空隙率和壓實度等指標，通過瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)，可對瀝青路面施工質量進行快速評價。本方法不增加檢測工作量，還可利用圖像處理技術自動獲得芯樣切片的接觸點數(shù)量、配位數(shù)、骨架率等參數(shù)，檢測方法快速、簡單和方便，具有良好的操作性。路面施工質量快速檢測主要由現(xiàn)場與室內試驗、瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)自動處理兩部分組成。瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)軟件界面見圖1，瀝青路面施工質量快速檢測流程見圖2。

圖1 瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)

圖2 路面施工質量快速檢測流程

瀝青路面施工質量快速檢測各步驟具體工作如下。

1)鉆取瀝青路面芯樣。瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)軟件適用于不同芯樣尺寸，一般取芯機鉆取獲得的Φ50mm、Φ100mm和Φ150mm芯樣均可用于分析。

2)切割路面芯樣，獲取切片圖像。對于切片數(shù)量的要求，切片數(shù)量n=10能夠滿足保證率為95%，誤差為±5%的條件，滿足工程精度要求。所以，切割芯樣時應獲得至少10張切片圖像。切割芯樣過程中，可采用小型切割機切割5次，每次獲得2張切片圖像。

3)圖像二值化處理與集料識別。數(shù)字圖像處理首先需將圖像二值化，消除圖像中的干擾信息，然后利用分水嶺算法進行閾值分割。軟件獲取圖像中集料輪廓線，計算各集料的面積并轉換成等效直徑，獲得各集料的粒徑與圖像的級配特征。過濾切片中的細集料后，獲取粗集料二值化圖像。切片圖像二值化處理均通過軟件自動處理

4)接觸分析，獲取粗集料細觀指標。接觸分析主要步驟為：將切片圖像二值化后，基于等效直徑法計算每顆粗集料的等效直徑。然后輸入最小計算粒徑和接觸閾值，得到粗集料接觸位置坐標、接觸粗集料編號和粒徑、接觸點數(shù)量等，如圖3所示。接觸閾值的取值主要參考以往文獻[1，3]，本文最小計算粒徑為2.36mm，接觸閾值取最小粒徑的23%，即0.54mm。

(a)圖像二值化

5)輸出參數(shù)指標，包括配位數(shù)、骨架率、干涉顆粒等參數(shù)。

2 芯樣骨架細觀評價指標

為判斷芯樣細觀結構檢測結果是否符合施工質量要求，提出如下細觀評價指標，包括接觸點數(shù)量、平均配位數(shù)、骨架率和無接觸粗集料含量共四個參數(shù)。

1)接觸點數(shù)量：鉆取瀝青路面芯樣后對切片圖像進行接觸分析，獲得的粗集料接觸點數(shù)量。

2)平均配位數(shù)：配位數(shù)主要參考散體材料的評價指標。平均配位數(shù)指標定義為所有粗集料的平均接觸數(shù)目，見式(1)。

(1)

3)骨架率：骨架率定義為所有接觸粗集料總面積占芯樣切片面積的百分比，見式(2)。

(2)

其中，A1為所有接觸粗集料的總面積；A為芯樣切片面積。

4)自由粗集料含量：自由粗集料含量定義為所有無接觸粗集料總面積占芯樣切片面積的百分比，見式(3)。

(3)

其中，A2為所有無接觸粗集料總面積。

3 瀝青混合料骨架細觀結構評價

3.1 礦料配合比設計

通過實體工程對本文提出的方法進行驗證，具體試驗路為高速公路，重交通，采用瀝青路面，設計路面上面層為AC-16C。為優(yōu)選合適的配合比，選擇兩種級配組成進行對比，詳見表1。按油石比為4.5%制作馬歇爾試件，測定VMA、孔隙率和VFA指標，結果見表2。

表1 AC-16C兩組級配構成

表2 各級配體積指標

3.2 骨架結構細觀評價指標對比

為了對比分析兩種級配的細觀指標，初定瀝青用量4.5%，對兩種級配的細觀結構進行評價。室內試驗制作級配1、級配2馬歇爾試件，每組級配各成型3組，通過小型切割機切割獲取至少10張切片圖像。為保證數(shù)據(jù)精確度，本次每種級配各獲取20張切片圖像進行細觀結構分析。各級配典型切片圖像與接觸分析結果見圖4。

(a)級配1切片圖像與接觸分析結果

目前對于馬歇爾(芯樣)切片圖像的評價，施工現(xiàn)場基本上采用專家觀察法，主觀性較強且無法進行客觀評價。通過觀察圖4中級配1和級配2切片圖像，大多數(shù)人會發(fā)現(xiàn)級配1切片圖像的空隙比級配2多，但級配1粗集料含量比級配2多且粗集料分布比較均勻。通過目測觀察，確定哪種級配更好似乎難以定論。為保證分析結果的客觀性，通過瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)對獲得的所有馬歇爾切片圖像進行分析，獲得細觀定量評價指標統(tǒng)計結果平均值，如表3所示。

表3 兩種級配細觀指標檢測結果

3.3 路用性能對比驗證

為對細觀評價結果進行驗證，按級配1、級配2采用5種油石比制作馬歇爾試件，進行馬歇爾試驗，得到級配1、級配2的最佳油石比均為4.5%。根據(jù)設計的級配，以最佳油石比制作GAC-16C型瀝青混合料，按照規(guī)范要求進行浸水馬歇爾試驗、水穩(wěn)定性、低溫彎曲試驗和滲水試驗，對兩種瀝青混合料的路用性能進行對比分析，結果見表4。

表4 瀝青混合料路用性能試驗結果

通過表4可看出，對于級配1和級配2，60℃動穩(wěn)定度均大于4 500次/mm，殘留穩(wěn)定度均大于85%，滲水系數(shù)均小于120ml/min，各項技術指標均能滿足規(guī)范要求。經(jīng)綜合比較，級配1的各項技術指標均優(yōu)于級配2，確定級配1為GAC-16C上面層生產(chǎn)配合比設計推薦級配。

4 路面芯樣施工質量檢測與評價

瀝青路面施工過程中，隨機抽取部分芯樣，獲得各路面結構層部分典型芯樣切片圖片如圖5所示。

通過瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)對所有獲得的芯樣切片圖像進行分析，平均配位數(shù)、“懸浮”粗集料含量和骨架率細觀指標參數(shù)，分布見圖6。

圖6 芯樣切片細觀指標分布

5 結論

本文主要目的是提升瀝青路面設計和施工質量，具體通過智能化識別軟件提取瀝青路面芯樣細觀結構特征，根據(jù)路面施工芯樣切片的細觀指標評價路面施工質量。主要結論如下。

1)基于瀝青混合料細觀結構分析系統(tǒng)，對瀝青混合料配合比進行設計與優(yōu)化，根據(jù)路面芯樣切片細觀指標快速對路面施工質量進行評估，是快速評價瀝青混合料施工質量的一個有效手段。

2)瀝青混合料設計以及路面施工質量評價，通過獲取切片后進行圖像處理和圖像分割，識別粗集料的粒徑與級配，提取粗集料骨架特征后，獲取圖像中細觀結構指標。