基于灰度图识别技术的下封层联结效果评价*

张敏江，任东旭，吕馥宏

(沈阳建筑大学 交通工程学院，沈阳 110168)

下封层定义是为封闭表面空隙，防止水分渗入基层，增强层间联结而铺筑的沥青混合料薄层[1].下封层技术在路面结构中所起到的作用主要包括层间联结、防水抗渗和应力吸收[2].根据我国沥青路面设计规范，假设路面结构是多层弹性体系，各层之间连续形成一个整体[3].而实际工程中，由于材料以及施工状况的差异，各层之间不可能形成连续的整体.我国多采用半刚性基层沥青路面结构，由于材料差异较大，基层与面层连接处的联结效果较差[4].研究表明，此类路面结构容易产生层间滑移、反射裂缝及基层表面水损害等病害，这些病害均与层间连接效果有关[5].基层和面层层间连接效果越好，沥青路面路用性能越优，产生反射裂缝、车辙、竖向变形的概率越小[6].缺失层间联结作用将降低路面结构使用寿命，为加强基层与面层的连接强度，我国大部分干线公路在基层与面层之间设置了下封层.

目前，国内学者对下封层技术进行了相关研究.在研究下封层与半刚性基层联结效果评价方法中，平自要等[7]首先描述出芯样底部下封层材料轮廓，然后将联结面积值与芯样截面面积的比值作为联结效果的评定值.这种方式定量地评价了各种下封层技术与基层的联结效果，但也存在一定缺陷，一方面是描述出的下封层材料面积太过粗略；另一方面芯样不完全与下封层材料部分联结在面层上.

基于上评价方法存在的问题，本文对芯样外观特征进行了分类，并通过灰度图识别技术评价下封层与面层、基层的联结效果，最终确定其综合联结效果.

1 层间联结特征分类

本文研究基于辽宁省干线公路沥青路面下封层现场调研，调研方法主要是通过在辽宁省各市区对不同下封层的干线公路沥青路面进行病害统计以及钻芯取样.重点调研路线一共包括25条，其中实施橡胶沥青碎石下封层的有5条，实施稀浆下封层的有8条，实施乳化沥青碎石下封层的有9条，实施热沥青碎石下封层的有3条.

重点路线调研过程中，钻芯方式及使用设备均相同.钻芯过程中，钻头头部会对原路面产生水平的切应力，如果材料强度不足则会产生破坏面.从钻取芯样的外观特征来看，破坏面主要存在4个部位，根据破坏面所处位置进行芯样层间联结特征分类如表1所示.

表1 层间联结特征分类Tab.1 Classification of interlayer bonding features

调研路线的路面结构材料面层均为沥青混凝土，基层均为水泥稳定碎石.下封层的联结效果主要表现为其与基层的联结效果，与基层的联结效果越好，路面出现推移、车辙以及基层水损害的概率越小.

2 灰度图识别及底部图片处理

灰度图识别技术是Matlab软件图像识别功能之一，RGB图片是由红色、绿色、蓝色三原色组成的一个三维图像，通过Matlab软件计算某一范围RGB值的像素比较困难.如果将RGB图片转化为一维灰度图，通过Matlab软件识别灰度值像素较为简单.8 bit灰度图即每个像素可以由0(黑)到255(白)的亮度值表示，0～255之间表示不同的灰度级，可以避免可见的条带失真，增强封层材料与沥青混合料的色彩对比度[8-9].

将钻取的芯样按下封层类型进行整理统计，首先通过芯样破坏面位置进行芯样外观特征分类判断，其次对芯样底部进行拍照并处理照片.重点路线调研过程中，每条路线钻取芯样的外观特征基本相同，每条路线选取具有代表性的芯样进行外观特征分类判断及底部图片处理.

分别将具有代表性的橡胶沥青碎石下封层、稀浆下封层、乳化沥青碎石下封层、热沥青碎石下封层的芯样底部原图、PS处理图片、灰度图和芯样外观特征分类进行整理统计，结果如表2所示.

表2 联结处截面灰度图及联结特征分类Tab.2 Grayscale diagram of cross-section at bonding area and classification of bonding features

由统计结果可知：橡胶沥青碎石下封层与面层和基层的联结效果最好，并且钻取的芯样仍为一个整体；稀浆下封层和乳化沥青碎石下封层与基层的联结效果较好，钻取的芯样上联结在面层的封层材料比重较少；热沥青碎石下封层与面层的联结效果较好，钻取的芯样上联结在面层的封层材料比重较多.

3 灰度图识别技术评价联结效果

为了评价不同下封层的联结效果，本文提出一种定量地评价方法，通过计算联结在芯样底部下封层材料面积所占芯样底部总面积的比值来表示下封层与面层的联结率，用Ra表示；通过计算联结在基层顶部下封层材料面积所占芯样底部总面积的比值来表示下封层与基层的联结率，用Rb表示.

下封层综合联结率用R表示，其表达式为

R=k1Ra+k2Rb

(1)

式中：k1为下封层材料与面层的联结系数；k2为下封层材料与基层的联结系数.经过实地调研和专家论证，本文取k1=0.2，k2=0.8.

本文通过Matlab对下封层材料的灰度值进行识别，求出下封层材料的灰度范围后，通过程序语言对该灰度范围内的像素和芯样底部的像素进行统计，具体的Matlab程序图像识别流程图如图1所示.

图1 图像识别流程图Fig.1 Flow chart of image recognition

将稀浆下封层与乳化沥青碎石下封层的芯样灰度图分别进行处理，将得出的与面层、基层的联结率整理并取均值，最后求出综合联结率，结果如表3所示.

将橡胶沥青碎石下封层与热沥青碎石下封层的芯样灰度图分别进行处理，将得出的与面层、基层的联结率整理并取均值，最后求出综合联结率，结果如表4所示.

表4 橡胶沥青碎石下封层和热沥青碎石下封层的联结效果Tab.4 Bonding effect of rubber asphalt macadam and hot asphalt macadam under-sealed layers

由表3、4可知，下封层的综合联结率从大到小依次为：橡胶沥青碎石下封层、乳化沥青碎石下封层、稀浆下封层和热沥青碎石下封层.

表3 稀浆下封层和乳化沥青下封层的联结效果Tab.3 Bonding effect of slurry and emulsified asphalt under-sealed layers

4 下封层层间剪切试验

通过剪切试验，根据摩尔-库伦理论计算得出不同材料下封层的摩擦系数，不仅可以直观判断不同材料的下封层抗剪强度，又可以对灰度图识别技术的可行性进行验证.

4.1 剪切试件制作

首先根据调研过程中路面材料应用情况制作剪切试验试件.试件基层采用水泥稳定碎石材料，材料质量配比为水泥∶矿料∶水=5∶100∶6，上面层采用AC-16沥青混凝土，油石比为5%，填料含量为1%.剪切试验试件下封层材料的厚度为1 cm，4种下封层材料用量均为基于剪切强度下的最佳配合比.热沥青碎石下封层的碎石洒布量为12 kg/m2，热沥青最佳洒布量为1.8 kg/m2；橡胶沥青碎石下封层的碎石洒布量为12 kg/m2，橡胶沥青最佳洒布量为2.0 kg/m2；乳化沥青碎石下封层的碎石洒布量为12 kg/m2，乳化沥青最佳洒布量为3.2 kg/m2；稀浆下封层最佳质配比为集料∶乳化沥青∶水泥∶水=100∶15∶2.5∶10[10].

4.2 剪切试验原理

下封层材料的联结强度由两部分组成，一部分是封层材料的粘聚力，另一部是集料的内摩阻力，可采用摩尔-库伦理论来分析其剪切强度[11].直剪仪的结构图如图2所示.

图2 直剪仪的结构图Fig.2 Schematic structure of direct shearing equipment

计算得到下封层处的正应力σ与垂直压力P1的关系为σ=0.171P1+0.033 5；下封层处的剪应力τ与水平压力P2的关系为τ=0.171P2.

4.3 试验结果及分析

为求得各种下封层材料的联结力和内摩阻角，设置5组平行剪切试验，5组试验的正应力分别为0、0.72、1.4、2.09、2.77 MPa，每组试验进行三次并取其平均值作为最终结果，得到结果如表5所示.

表5 剪切试验结果Tab.5 Results of shear tests MPa

以正应力σ为横坐标，以剪应力τ为纵坐标，采用最小二乘法得到4种下封层材料的摩尔-库伦拟合曲线如图3所示.

图3 不同下封层技术的摩尔-库伦拟合曲线Fig.3 Mohr-Coulomb fitting curves for different under-sealed layer technologies

由图3可知，在标准轴载(接地压强为0.7 MPa)作用下，热沥青碎石下封层的抗剪强度为0.393 MPa，橡胶沥青碎石下封层的抗剪强度为0.454 MPa，乳化沥青碎石下封层的抗剪强度为0.413 MPa，稀浆下封层的抗剪强度为0.407 MPa.

5 结 论

根据上述分析可以得到如下结论：

1)由灰度图识别评价结果可知，下封层的联结效果从优到劣依次为：橡胶沥青碎石下封层、乳化沥青碎石下封层、稀浆下封层和热沥青碎石下封层.

2)由剪切试验结果可知，在标准轴载作用下，热沥青碎石下封层的抗剪强度最小，应用稀浆下封层、乳化沥青碎石下封层和橡胶沥青碎石下封层的抗剪强度可分别提高3.6%、5.1%、15.5%.

3)下封层的抗剪强度即可反映其层间联结效果，剪切试验结果与灰度图识别评价结果一致，验证了该评价方法的可靠性.