基于图像分析技术的不同压实方法沥青混合料级配变化特征研究

肖　燕

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067)



基于图像分析技术的不同压实方法沥青混合料级配变化特征研究

肖燕

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067)

摘要：利用图像分析技术(IPT)计算集料针片状含量、级配降级程度以及集料排列一致性比率，并将其与实际量测和现场钻芯试件相比较，借以评估2种不同实验室压实方式的压实效果。将实验室压实试件经抽提筛分后与工地拌和级配通过图像分析技术进行比较，发现马歇尔击实法比旋转压实法(SCG)更易造成集料级配降级。因此，旋转压实方式更能模拟现场摊铺碾压的情况。

关键词：压实效果；配比设计法；图像分析技术

沥青混凝土路面的使用品质与其材料性质、配合比设计、厚度设计、施工质量、交通量和气候环境密切相关。沥青混合料设计的目的在于确定集料与沥青合适的配合比例，从而使混合料具有足够的强度、稳定性、耐久性和适当的空隙率及良好的工作性[1]。从上世纪30年代开始，沥青混合料配合比设计国内外均以马歇尔法为主，但是仍无法杜绝沥青混凝土路面提早发生破坏。此现象表明沥青混合料配合比设计采用马歇尔法有其局限性。由于马歇尔配合比设计法是根据经验关系发展而来，其试件制作过程的性状与现场实际施工性状关联性不强，所以无法预估路面在实际铺筑之后的性能[2]。对路面而言，材料配合比设计、结构设计以及路面性能应同时考虑，而不能视为各自独立。1993年，美国公路战略发展计划(SHRP)提出Superpave配合比设计系统方法。马歇尔配合比设计法与SHRP的Superpave 配合比设计法最大的差异在于压实设备和性能试验的不同。前者采用夯击方式压实，后者则采用旋转揉压方式压实。两者均试图以其采用的压实方式使试件达到与实际路面相同的状况[3]。不同压实方式所制作的试件其集料颗粒排列与性质都有所差异。马歇尔配合比设计的理念是试件夯击后其密度必须达到现场交通负载下的最终密度。若实验室夯击压实结果不能达到现场最终密度，则可能会选用过高的沥青含量来减少空隙率以增加密度。Brown等人[4]认为现场沥青混凝土密度常常会超过实验室夯击压实结果。

实验室试件压实方式是配合比设计法的关键。以往对不同配合比设计法进行比较研究时，常以试件力学性质和路面性能来间接评估何种压实方式更能模拟路面铺筑碾压与开放交通后车辆的压实[5]。压实方式不同将导致压实能量和集料颗粒排列状态不同，使试件内部空隙有所差异，也可能造成级配逐级降级填隙程度不同。以往通常以矿料间空隙率(VMA)来评估试件内部填充沥青空间的大小，但是VMA无法进一步评估集料颗粒排列情况。

近年来，数位图像分析技术已快速成为量化物体几何形状的工具。一些研究应用图像分析来揭示沥青混凝土的内部结构，如空隙率或集料方位测定[6-7]。还有一些研究则着重于描述集料的形状，如细长性、多角性、表面纹理以及表面积等几何性质。本文则研究如何应用图像分析技术来揭示和评估沥青混凝土试件内部集料颗粒排列以及级配降级填隙的程度，以比较马歇尔击实仪和SGC旋转压实仪2种压实方式与现场路面碾压的差异。

1试验材料

本试验采用广东省4条高速公路工程中实际使用的沥青混合料，结合料均为90号石油沥青，集料为各地区生产的材料。沥青和集料的基本性质分别如表1、表2所示。集料级配采用公称最大粒径19.0 mm，同时符合广东省路面设计手册及Superpave级配规范规定，如表3所示。本次混合料试验设计采用传统的马歇尔配合比设计法和Superpave Level1配合比设计体系，其中Superpave Level1配合比设计体系旋转压实圈数采用与当地重交通量相应的设计圈数，如表4所示。

2图像分析

本文采用ISODATA分类法对沥青、集料进行分类，并采用C++语言自行编译开发程序对图像进行分析，图像分析程序主要分成二值化处理和参数计算2个主要部分。二值化的功能在于辨识沥青与集料，并计算图像的像素数。参数计算主要包含计算集料针片状含量、近似圆直径和排列一致性比率等。图像二值化处理前后对比结果见图1。

图1　图像二值化处理前后对比

图像分析时单一颗粒的扁平性(Flatness)是以集料断面1组正交长轴与短轴的最大比值来表示[8]，如式(1)。首先在颗粒边缘上寻找任2点像元间最大的连线长，将其定义为长轴；然后沿长轴搜寻与长轴正交的最大颗粒边缘的连线长，将其定义为短轴。长、短轴的比值即为扁平性。将所有长轴大于4.75 mm的集料视为粗集料，则其中扁平性大于3的集料数目与所有粗集料数目的比值即为图像分析所得的长细比3∶1针片状含量F。近似圆直径Dc的计算，如式(2)，其中A为颗粒面积，可由已知的单一像元面积乘上颗粒所占总像元数求得。

(1)

表2　集料的物理性质

表3　集料级配

表4　Superpave本土化的压实圈数

(2)

集料排列评估应用向量法，采用南北向与东西向作为主轴来评估一群颗粒分布的一致性，其参数称为排列一致性比率Δ，且Δ介于0～100%之间。集料分布状态越随机，则其值就越接近于0；反之，集料分布状态方向性越相同，则其值就越接近100%[9]。本文利用先前图像分析所决定的长轴，可求出各集料长轴与水平轴的夹角θk，再代入式(3)，则可统计所有集料的分布情形。

(3)

式中：N为集料数目。

3试验结果分析

3.1配合比设计结果

对广东省4条高速公路所用集料进行了马歇尔配合比设计和Superpave配合比设计，结果比较如表5所示。从表5可以看出，除了梅大高速公路的差异不明显外，其他3条高速公路马歇尔配合比设计的最佳含油量比Superpave配合比设计的结果高出许多。2种方法最佳含油量的平均差异高达0.675%。

同样，Superpave配合比设计法设计的沥青混合料其VMA也远低于马歇尔配合比设计法设计所得的VMA。马歇尔配合比设计法高估VMA的结果将导致用较多沥青去填充VMA，使得原本配合比设计中被预估为空隙率的部分被多余的沥青占据。在开放交通一段时间后，由于沥青混凝土的再密实效应将使沥青没有足够的空隙来容纳，因此路面会产生泛油、车辙及推挤的现象。若将马歇尔配合比设计结果直接应用于工程，则沥青混凝土路面常常会出现含油量过高的现象，严重时碾压完成后就会出现片状泛油现象。因此，现场施工时一般都会通过降低设计含油量来防止这种现象发生。

表5　马歇尔设计法和Superpave设计结果比较　%

从表5还可以看出，所有的配合比设计结果均符合规范要求，除了汕揭高速公路和绕城高速公路使用马歇尔配合比设计法所得的VFA略为超出规范值。根据设计理念，若VFA过高，则沥青路面发生车辙、泛油、推挤等的风险就会增大。因此，考虑我国部分地区交通量大且气候炎热，如果适度修正马歇尔配合比设计法所确定的最佳沥青含量，则其减少的含油量将提高沥青混凝土的空隙率，进而降低VFA。假设VMA维持不变，按照目前部分路面工程减少0.2%～0.5%含油量的经验做法，汕揭高速公路和绕城高速公路使用马歇尔配合比设计法所得的VFA就都能控制在规范值范围内。

3.2集料针片状含量

马歇尔配合比设计法确定的最佳含油量、VMA和VFA高于Superpave配合比设计法确定值的原因在于级配降级填隙程度的差异与压实效果的不同。有研究显示，粗集料颗粒针片状含量会影响集料颗粒的破裂数量，针片状颗粒中长细比大于3∶1或 5∶1的百分比与集料通过4.75 mm筛百分比的变化有关[10]。粗集料颗粒长细、扁平性质试验方法极为简易，且试验结果的再现性高。虽然粗集料的针片状含量可借助如ASTM D4791所规定的卡尺模进行量测，但由于该规范中规定的具有代表性的集料最少数量偏大，故相对于图像分析而言，试验时间会较长。尤其是当需要计算不同针片状含量(长细比 3∶1或5∶1)的颗粒百分比时，使用卡尺模等于要对每颗集料重复进行2次试验，而图像分析则无重复量测的困扰。

为了便于对沥青混合料2种试验设计法的试件进行数位图像分析研究，本文利用马歇尔击实仪与SGC旋转压实仪，按4个地区集料分别在最佳含油量下各制作3个试件，且每个试件都横切出4个面进行图像分析，因此每种集料配合比共计有12个计算结果。图像分析过程中，将所有长轴大于4.75 mm的集料视为粗集料，计算扁平性大于3的集料数目与所有粗集料数目的比值，并将其作为图像分析的针片状颗粒含量。图像分析结果的平均值与采用卡尺模实际量测粗集料针片状含量的结果如表6所示。由成对母体平均数差异t检验可知，无论是使用马歇尔击实仪还是SGC旋转压实仪制作的试件，其图像分析结果均与实际量测粗集料针片状颗粒含量在统计上并无显著差别。这也意味着图像分析具有取代集料几何性质传统试验的潜能，可节省大量试验时间和人工成本。

表6　图像分析与实际量测粗集料3∶1针片状含量结果　%

3.3级配降级程度

从表6数据看，SGC旋转压实仪制作试件的图像分析结果比较接近实际量测结果，其原因之一可能是压实方式造成级配降级程度不同。笔者进一步将上述试件进行了抽提筛分试验，且利用图像分析法计算试件横切面上通过9.5 mm筛、停留于4.75 mm筛的集料占整体粗集料的百分比，以探讨2种压实方式对级配降级的程度。横切面上所有长轴大于4.75 mm的集料视为粗集料，且利用式(2)，可以计算每颗集料的近似圆直径Dc。假设该球体体积可代表颗粒的真实体积且集料比重相同，又假设切面处并非集料最大断面，因此过筛与否以长轴尺寸来判断，则停留于4.75 mm筛的集料占整体粗集料的体积百分比可与实际抽提筛分析的重量百分比进行比较。

马歇尔击实仪(MS)及SGC旋转压实仪(SGC)所制作的试件经抽提筛分的级配与原来工地现场合成级配的比较如表7所示。除了梅大高速公路以外，马歇尔击实仪造成级配降级的程度远比SGC旋转压实法严重。结合前述VMA的比较可以发现，梅大高速公路集料级配降级不明显，2种配合比设计法求得的VMA的差异不大；而其他3条高速公路集料级配降级较为明显，VMA差异也较大。因此，可以认为，SGC旋转压实仪并不会造成太大的集料级配降级，且相对于马歇尔击实仪，旋转压实方式与现场轮压机的压实效果较为相近。

表7　压实试件抽提筛分析与原来级配(JMF)比较

马歇尔击实仪及SGC旋转压实仪成型的各试件切面12组图像分析平均值与原来级配通过9.5 mm筛、停留于4.75 mm筛的集料占整体粗集料百分比的比较如表8所示。由成对母体平均数差异t检验可知，相对于工地级配，使用马歇尔击实仪或SGC旋转压实仪制作的试件图像分析结果均有显著差异。进一步比较不同压实方式的图像分析结果，发现马歇尔夯压试件造成级配降级的情况远较SGC试件明显。

表8　图像分析与工地级配4.75 mm筛余集料

4集料排列评估

考虑现场钻芯取样试件的级配和集料来源，本文选择梅大高速公路集料的图像来评估马歇尔击实仪与SGC旋转压实仪较接近的现场摊铺碾压的情况。3个现场钻芯试件同样横切4个面，共计有12个图像分析结果。利用集料排列一致性比率Δ，如式(3)，来计算集料的排列分布，以比较实验室2种不同的压实方式与现场压实效果的差异。马歇尔试件、SGC试件及现场钻芯试件切面二值化图像的典型图片如图2所示。

图2　2种实验室压实试件及现场钻芯试件的二值化图像

马歇尔试件及SGC旋转压实试件相对于现场钻芯试件集料排列一致性比率的t检验结果如表9所示。从表9可以看出，马歇尔击实试件的集料排列与现场钻芯试件有显著差异，而SGC试件的Δ值与现场钻芯试件则无明显差异。就集料排列而言，马歇尔击实试件的集料排列较具方向性，而SGC试件和钻芯试件的集料排列则较为随机。由此可知，SGC旋转压实方式明显较能模拟现场摊铺碾压的状态。

表9　集料排列一致性比率的t检验结果

5结论

沥青混合料试件的压实方式将影响其压实能量和集料颗粒的排列状态，使得试件内部容纳沥青的空间有差异，从而会造成集料级配降级程度不同。以往常以集料间空隙率VMA来评估试件内部填充沥青空间的大小，但VMA却无法评估集料颗粒排列的状况，以往要了解级配降级状况，也需进行成本高、耗时长的抽提筛分试验来实现。本文利用图像分析技术计算集料针片状含量、级配降级程度以及集料排列一致性比率，并将实际量测与现场钻芯试件进行比较，以评估马歇尔击实仪与SGC旋转压实仪的压实效果。对试验结果进行了分析，得到如下结论。

1) 除了梅大高速公路的集料级配降级差异不显著外，马歇尔配合比设计法高估了VMA的结果，导致其设计沥青含量偏高。

2) 无论是利用马歇尔击实仪还是SGC旋转压实仪制作试件，其图像分析与实际量测的粗集料针片状颗粒含量并无显著差异，说明图像分析具有取代集料几何性质传统试验的潜力。

3) 除了梅大高速公路集料外，使用马歇尔击实法造成试件集料级配降级的程度远比SGC旋转压实法严重，且比较不同压实方式的图像分析结果也得到类似的结果。相对于工地拌和料级配，实验室2种压实方式其试件图像分析结果均呈现明显差异，但就级配降级而言，旋转压实方式与现场碾压的压实效果相近。

4) 集料排列一致性比率的图像分析结果显示，马歇尔夯压试件的集料排列与现场钻芯试件具有显著差异，而SGC旋转压实试件集料排列与现场钻芯试件则无明显差异。因此，就集料排列而言，SGC旋转压实方式明显更能准确模拟现场摊铺碾压情况。

参 考 文 献

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Research on Change Features of Gradation of Asphalt Mixture in Different Compaction Methods Based on Image Processing Technique

XIAO Yan

Abstract:This paper calculates percentage of flat-elongated particles, degree of degradation of gradation and ratio of arrangement consistency of aggregate by means of image processing technique (IPT), and compares them with actual measurement and on-site core-drilling samples so as to evaluate compaction effects of 2 different compaction methods in laboratory. The paper compares compacted samples in laboratory after extraction and screening with mixing gradation on construction site via image processing technique and finds out that the Marshal compaction method is easier to cause degradation of aggregate gradation than the spin-compacted gradation method(SCG). Therefore, the revolving compaction method is better to simulate on-site pavement and compaction.

Keywords:compaction effect; ratio design method; image processing technique

文章编号：1009-6477(2016)01-0042-06

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

作者简介：肖燕(1985-)，女，安徽省安庆市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-08-12

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.010