基于图像处理的沥青混合料集料几何特性研究*

成豪杰 吕慧杰 罗 蓉

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

实验室成型试件的最终目的是为了服务于项目路面实际情况的研究与分析，而实验室成型和路面成型试件由于所处环境的差异往往在结构上不能完全吻合.二者如果相差过大，会导致实际路面使用寿命远小于实验室成型试件的寿命预测值.沥青混合料在承受车辆荷载时，受力主体是混合料内部的集料骨架，故明确室内旋转压实成型试件和现场取芯的集料骨架差异性尤为必要.

包得祥[1]从体视学理论的角度出发，由集料的平面圆分布映射推导到空间集料的分布情况，进而将路面芯样的集料分布数值化.石立方等[2]利用高清CCD数码相机对高精度双面锯切割出的旋转压实试件拍照，分析了接触点、空隙率随深度的分布，以及粗集料骨架间隙率、车辙深度的相关性.廖一平[3]利用图像处理技术对集料内部针片状颗粒和主轴排列分布进行了分析.

美国联邦公路局联合特纳公路研究中心开展的SIMAP计划主要运用工业CT，对混合料内部的集料和空隙分布和集料的离析情况进行了探究，并将三维数据导入数值模拟软件，对混合料宏观力学性能进行了分析[4].Masad等[5]对沥青混凝土内部的集料长轴的取向、颗粒分布，以及离析情况提出了一些具体的量化评价参数.

已有研究的侧重点在于指定某种沥青混合料，对沥青混合料中的三相分布进行探究，明确具体分布后通过数值模拟的手段和宏观力学性质建立起联系，而少有关于混合料内部集料特性多角度的对比评价.文中通过图像处理软件提取集料轮廓，并利用相应指标加以计算分析，评价集料的各向异性、方向性、位置性，以及分布均匀性性，体现两种成型方式试件的几何特性差异性.

1 试验原材料

1.1 沥青

沥青为湖北鄂州某公司生产的70号基质石油沥青，其性质按文献[6]的有关方法进行检验，沥青各项性能指标见表1.该沥青所检项目各项指标均满足规范中的技术要求.

1.2 集料

集料为湖北安陆某碎石厂生产石灰岩，其性质按文献[7]的有关方法进行检验，各项指标见表2.

矿粉的性质按文献[7]的有关方法进行检验,各项指标见表3.

1.3 混合料配合比

沥青混合料配合比按照文献[8]的要求进行.为保证成型试件和路面的配合比保持一致，室内旋转压实成型试件采用施工配合比，见表4.

表1 沥青各项性能指标

表2 集料各项指标

表3 矿粉各项指标

表4 施工配合比

2 试验流程

2.1 现场钻芯取样和实验室旋转压实成型试件

项目芯样取自麻竹高速大悟段试验段.对于取芯方式，若芯样取芯位置之间相隔太近，首先是前一个芯样取芯时，机具振动会对周围路面结构造成扰动，对下一个取芯质量造成干扰；其次，相隔太近无法具有代表性地反映整段下面层试验段中集料沿厚度的沿程平均分布情况，使得误差较大[9].故确定取芯方案为取芯三个直径为150 mm的芯样，取芯位置沿纵断面分布根据路线全长平均分布，在每个位置均沿道路中线取芯.

匹伐他汀对比阿托伐他汀治疗中国成人原发性高脂血症的Meta分析 ……………………………………… 徐嘏毅等（1）：106

依托武汉理工大学湖北省公路工程技术研究中心的道路实验室沥青路面试验成套设备，在室内按照目标配合比完成了旋转压实试件的制备.旋转压实试件直径150 mm、高175 mm.旋转压实成型方法相对于马歇尔成型方法具有明显的优势，其压实质量对于沥青含量的依赖程度相对较低，这是因为二者成型时的机具对混合料的物理传力方式有着显著差异.旋转压实主要是通过旋转旋转加之碾压成型，集料可以更好地在混合料内部朝着更密实的趋势错动.而马歇尔成型是在竖向击实，沥青含量较少的时候，集料的挪动更需要沥青的黏附性去带动，故旋转压实更接近现场的实际压实情况，但仍有差异[10].

2.2 试件切割和拍照

试件制备完成后需要考虑到计算机图像处理软件对于图像的识别难易程度，因为室内成型试件外表混合料呈黑色，很难分辨出集料的轮廓，故需对两种试件切割后形成边长为(70±3) mm的立方体试件，对横向四面拍照，进行图像对比度调节后利用软件开展分析工作.切割机具采用澳大利亚某公司生产的双面切割锯，切割顺序是，先切掉整个试件的四侧，将棱柱体切割出来，然后再对居中棱柱划线，确定立方体具体轮廓.

切割出来的立方体试件，由于在切割过程中需要喷水降温降噪，其表面有部分区域已经湿润.故应放置24 h后干燥后，测量其孔隙率.测量方法按照文献[6]中表干法相关要求进行.经实验，六个切割后的试件均满足规范要求.

在孔隙率测试完毕后，需等1 h后，待其表面干燥，对其横向四个截面进行拍照处理.拍照过程中，应注意将背景布置为白色，方便后续图片的增强处理和图片切割等操作.经过图片处理后的截面照片见图1.

图1 经过图片处理后的截面照片

2.3 基于Image Pro Plus软件的集料特性提取

采用的计算机图像处理软件为Image Pro Plus 7.0(以下简称IPP 7.0).可以对立方体试件截面图像实现测量、计数，以及图像标注.通过软件的测量，将集料轮廓描绘出来，等效为椭圆[11]进行分析.等效椭圆示意图见图2.

图2 等效椭圆示意图

软件操作的步骤可概括为以下四步：①定义标准长度，因为该软件识别图像是以像素为单位，所以在使用时需要提供实际长度在图像中的标尺，在干燥的试件表面，为了让长度标记对比更加清晰，使用铅笔和三角板，在每一个截面表面标记10 mm的单位长度供定义使用；②选择测量指标，考虑到后续所要分析的指标，选取长轴、短轴、长短轴之比、面积、形心X、Y坐标、平均直径作为本文的测量指标.考虑到1.18 mm以下的颗粒长短轴之比与1相差不大，对于集料骨架的受力影响几乎可以忽略[12]，故在对短轴测量范围定义时，设置下限为1.18 mm，也就意味着短轴小于1.18 mm的颗粒将不会被拾取；③修正拾取结果，在初始软件按照测量指标拾取集料后，在轮廓图中会出现很多“连体”和“残缺”的情况发生，这就需要手动进行修改，将集料颗粒的轮廓补充完整；④保存拾取数据，对于拾取的数据，输出为cnt格式，方便后期导入Excel中进行计算分析.

根据以上陈述的测量指标，关于其方向的定义有三种:①是关于倾角的定义，在IPP 7.0中，颗粒倾角定义为Y负方向旋转至等效椭圆长轴所经过的角度，取值范围为0°～180°；②是形心X、Y方向的定义.对于软件中的图片，默认左上方定点为XOY坐标系原点，水平向右为X轴正向，竖直向下为Y轴正向.具体情况见图3.

图3 软件中相关方向定义

图4 手动修正拾取结果后的最终颗粒轮廓

3 试验结果与数据处理

3.1 修正矢量幅度

修正矢量幅度是一个考虑了集料形状、大小，以及倾向的反映集料颗粒分布各向异性的指标.由修正矢量幅度计算式(1)可知，当所有集料颗粒都倾向于一个方向时，也就是θk都相同时，修正矢量幅度Δ′将等于1.而Δ′的取值范围是0～1，也就说明当修正矢量幅度Δ′越大越接近于1，集料骨架的各向异性程度越大，反之越小越接近于0，则各向异性程度越小[13].将每一个截面的数据分别导入Excel中，编辑公式计算修正矢量幅度，旋转压实和路面取芯试件修正矢量幅度计算结果见表5.

(1)

3.2 平均倾角

平均倾角是反映混合料内部集料颗粒平均倾斜程度的指标.需要说明的是，此处倾角数据，方向规定按照IPP 7.0内部的规定执行.它和计算矢量幅度时采用的倾角是互余的关系.平均倾角柱形图见图5.

表5 旋转压实修正矢量幅度计算结果

图5 平均倾角柱形图

3.3 各级配区间段平均倾角

从平均倾角的计算结果可知，两种成型方式下，整体的平均倾角非常接近，都略小于90°.故无法从这一指标体现出混合料内部集料的平均倾向程度，于是转而根据集料颗粒的级配，分别计算每一集配区间段内的集料的平均倾角.于是，将混合料内部集料的级配区间划分为1.18～2.36，>2.36～4.75，>4.75～9.5，>9.5～13.2，>13.2～16，>16～19，>19 mm.判断集料的粒径并不是根据集料本身的轮廓，而是根据等效椭圆后的短轴的长度，来进行级配区间的筛选，这与上文中在设定测量参数时忽略1.18 mm以下粒径颗粒的影响而设置软件拾取集料轮廓的短轴下限为1.18 mm是相呼应，不矛盾.具体的各级配区间段平均倾角计算原则是：对于一个试件，首先分别计算四个面上的每一区间段内的平均倾角，并统计每一区间段内集料颗粒的个数.随后对每一级配区间段内的平均倾角按照四个面上该级配区间段内集料颗粒的个数进行加权平均，确定该试件在该级配区间段内的平均倾角.然后对于两种成型方式各三个试件分别平均，确定两种成型方式下的对应各级配区间段下的平均倾角，计算结果见表6和图6.

表6 两种成型方式下各级配区间段平均倾角计算结果

图6 两种成型方式下各级配区间段平均倾角折线图

3.4 各级配区间段坐标偏移量

选取坐标偏移量作为分析指标.首先将“整体中心”定义为截面内软件所拾取集料的平均坐标位置，各级配区间段坐标偏移量定义为各级配区间内的集料平均坐标位置和整体中心的坐标之差.在计算时，对于一个试件，先分别计算四个面内各区间段内集料平均中心与整体中心的坐标偏移量，再以某一区间的四个面的坐标偏移量的平均值作为该试件在该级配区间的坐标偏移量.最终分别对两类试件取平均值，得到两类试件在各区间段内的坐标偏移量.坐标的原点以及正方向在2.3中已经介绍.每一级配区间段坐标偏移量若越接近于0，表示各级配区间段对于整体集料骨架力学性能的贡献越优良[14].各级配区间段坐标偏移量计算结果见表7.

表7 各级配区间段坐标偏移量计算结果 mm

3.5 颗粒分布情况

引入“内外分布指数NW”这一指标概念来评价沥青混合料内部颗粒分布情况.沥青混合料是按照一定集料颗粒级配掺入沥青经过搅拌而成的三相复合材料，所以受力主体集料的分布均匀性也就影响着混合料的性质.本文通过划分每个截面为内外两个区域，分别在每个试件的四个截面上比较两个区域内集料平均直径，计算每个面的内外分布指数，取平均值作为该试件的集料分布均匀情况，反映集料颗粒在截面内的分布的均匀情况.划分内外区域的原则为：内外两部分区域面积相等，内部区域为矩形，长宽比和截面矩形长宽比相等、长宽分布和截面矩形的相同.具体划分情况见图7.从内外分布指数式(2)不难看出，若大粒径颗粒越偏向于分布在外部区域，则外部区域平均直径就会比内部区域的平均直径大，内外分布指数呈现正值，反之呈现负值.内外分布指数绝对值偏离0的距离越远，表示混合料内部集料分布均匀性越差，故这项指标可以作为分析沥青混合料离析倾向的参考指标之一[15].颗粒内外分布指数计算结果见表8.

图7 截面内外部区域划分示意图

颗粒内外分布指数NW=

(2)

4 结 论

1) 在同种级配的前提下，路面取芯试样的修正矢量幅度近似为0.38，而室内旋转压实成型试件的修正矢量幅度近似为0.31，路面芯样的各向异性程度高出旋转压实成型试件的22.58%.

2) 在同级配的前提下，路面取芯芯样和旋转压实试样内部集料的整体平均倾向程度相差不大，平均倾角都接近并小于90°.

3) 在同级配的前提下，对于各级配区间内平均倾角，在粒径小于16 mm的区间内，两种成型方式未呈现出差异，均近似为90°；在大于16 mm的区间内，随着粒径的增大，平均倾角偏离90°的程度逐渐增大.且在大于16 mm的两个区间内，路面取芯平均倾角偏离90°角值大致均为对应区间内旋转压实平均倾角偏离90°角值的2倍，这可能与混合料压实功在两种成型方式下的差异有关.

4) 在同级配的前提下，各级配区间段坐标偏移量在两种成型方式下也在16 mm为分界点，小于16 mm的区间内，坐标偏移量几乎为0，而大于16 mm的两个区间内，路面取芯的两坐标偏移量和旋转压实的X方向坐标偏移量绝对值均呈现先增大后减小的变化趋势，而旋转压实的深度方向坐标偏移量则呈现出先减小后增大的相反的趋势.在四个坐标分量中，在大于16 mm的级配区间内，路面取芯深度方向的坐标偏移量的变化幅度是最大的，约为40 mm.

5) 在同种级配的前提下，旋转压实试件，大颗粒集料倾向于向外部区域分布，而路面取芯试件反之.路面取芯的集料分布均匀程度要优于室内旋转压实成型，其内外分布指数NW的绝对值只约为室内旋转压实的NW值绝对值的1/2.