基于数字图像的排水沥青路面抗滑性能衰变研究

官志桃 李金凤 王东敏 郭剑辉 何兆益* 刘 奕

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司1) 成都 610056) (重庆交通大学土木工程学院2) 重庆 400074) (重庆市城投路桥管理有限公司3) 重庆 400074) (广西交通投资集团有限公司4) 南宁 530022)

0 引 言

排水沥青路面具有高抗滑、排水等功能,可有效降低雨天行车事故[1].但其路面抗滑性能在车辆荷载、温度、紫外,以及污染物等长期共同作用下会出现衰减,特别是近年来汽车的超重、超载更是加剧了其抗滑性能衰减.已有研究表明:沥青路面抗滑性能随着服役年限的增加逐渐出现衰减,且前期衰减幅度极大而后减缓最终趋于稳定[2].可见,对于排水沥青路面抗滑性能的研究应贯通至整个服役年限.

目前,基于数字图像技术分析沥青路面抗滑性能的研究很多且成果丰富.王端宜等[3]借助普通数码相机开发了应用数字图像技术评价和测量沥青路表面平均构造深度的方法.李智等[4]运用分形理论的盒子计算法,通过MATLAB编程实现了对试样在不同磨损状况下分形维数的计算,该方法可实现路面长期抗滑性能的预测.王端宜等[5]通过数字图像处理技术分析了路面结构断层扫描图像,建立了表征宏微观几何特性的纹理参数PL index.Ding等[6]提出了一种基于激光三维数据、截面法和数字图像处理技术相结合的沥青路面纹理深度测量方法.罗雅丹[7]通过数字图像处理技术对微表处试件表面纹理进行三维空间可视化研究,并量化了试件表面纹理参数灰度值.Miao等[8]基于激光三角测量技术,以三维纹理的熵为指标,研究了路面宏观纹理和微观纹理的衰变行为.

综上可知,已有研究多是基于数字图像处理技术对沥青路面的抗滑性能进行分析与评价,但对于全面考虑不同级配类型排水沥青路面抗滑性能衰减过程的研究仍很少.文中通过设计6种不同级配类型的排水沥青混合料,同时增加SMA-13和AC-13作为对照组,借助重庆交通大学道路实验室自主研发的小型四轮加速加载试验装置,通过3D高清数码相机并结合MATLAB编程软件,开展排水沥青路面抗滑性能衰减规律研究.

1 原材料与级配设计

沥青混合料粗、细集料分别采用玄武岩和石灰岩,矿粉采用无团粒结块石灰岩矿粉,采用SBS改性沥青,武汉某建材生产的聚酯纤维.聚酯纤维掺量为混合料总质量的0.1%,集料内掺.对HVA与SBS的配伍性进行研究,通过三大指标试验确定出PAC使用的高黏剂掺量为沥青掺量的8%.根据试验,PAC-5、PAC-10、PAC-13、PAC-16采用SBS改性沥青用量分别为5.1%、4.9%、4.8%、4.6%,SMA-13和AC-13分别为5.9%、4.6%.不同沥青混合料级配曲线见图1,3种PAC-13级配主要区别体现在两档粗集料占比上,见表1.

表1 PAC-13各档集料比例

图1 不同级配曲线图

2 基于数字图像的抗滑性能衰变试验

2.1 试验设计

经试验确定加速加载条件如下:①试验轮胎 直径25 cm、宽8.5 cm的真空轮胎,一次使用四个,一批轮胎有效使用时间为4 h;②设备转速 60 r/min;③设备配重 根据该轮胎承载能力进行配重,实测得出该轮胎配重为61 kg;④试件尺寸 30 cm×30 cm×5 cm;⑤试验温度 常温25 ℃;⑥试验时间 加速、加载时间分别0、0.5、1.5、3.5、5.5、7.5、9.5、13.5、17.5和21.5 h.

试件铺设的位置及平面效果见图2.

图2 加速加载试验试件铺设效果

孔令云等[9]通过采用内置两个摄像头的3D摄像机对混凝土桥面进行二维数字图像采集,提出2D与3D灰度值作为评价混凝土桥面粗糙度的关键指标,2D、3D灰度值分别对应摄像机普通镜头和3D镜头拍摄得到的照片.本文采用SONY 3D高清相机采集排水沥青路表面2D、3D两种模式下的二维数字图像,选择21:00以后开展二维数字图像采集工作,确保没有外界光源干扰,见图3.

图3 路表面纹理拍摄系统及试件二维图像

2.2 路表面纹理图像处理

利用光度学理论中的明暗恢复形状(shape from shading,SFS)方法对获取的排水沥青路面灰度信息进行三维重构[10].按照图像采集步骤得到排水沥青混合料试件二维图像,从中提取相关有用信息,实现试件表面三维数字图像重构.通过Matlab运算后实现其表面纹理三维重构.具体三维重构的方法见图4.

图4 试件表面纹理三维重构方法

以PAC-13①为例,其2D模式下拍摄的二维数字图像对应三维重构效果见图5.

图5 PAC-13①2D三维重构图像

2.3 加速加载试验过程

将成型好的八块试件按照图2铺设位置对应放好并在每个轮轴上安装好配重,启动加速加载试验机使得轮胎在试件上做圆周运动.按以上步骤对各试件进行加速加载试验,并按图6试验内容,获取试件二维数字图像、平均构造深度MTD及摆值BPN.

图6 加速加载试验与抗滑性能测定

3 试验结果分析

3.1 三维可视化分析

八种不同沥青混合料试件2D模式下的三维纹理重构图像见图7.由图7可知:八种沥青混合料中PAC-13①、PAC-13②、PAC-13③和PAC-16试件三维重构出来的表面纹理最突出,四者表面灰度值范围大部分集中在120～170,处于一个较高水平.其次是PAC-10,灰度值范围主要集中在100～120.PAC-5、SMA-13及AC-13对应的灰度值最小,可直观看到三者表面纹理较之其余5种排水沥青混合料试件平缓很多,灰度值大多集中在0～100.3D模式下重构出来的三维纹理图像存在着类似变化规律.

图7 8种不同级配沥青混合料试件2D三维重构图像

综上,2D、3D模式下拍摄得到的二维数字图像经三维重构后得到的三维纹理图像能较好地反映出实际路表面的纹理起伏状况.排水沥青路面的抗滑性能与其表面纹理构造息息相关,其重构出来的三维图像表面纹理能真实反映实际路表面纹理.

3.2 排水沥青路表面灰度值HMTD

经过三维重构技术处理得到的数字化灰度图像是由各个高度不同像素点组成的三维空间曲面,该空间曲面可表达为

D=φ(p,q)

(1)

式中:D为灰度值;p为曲面空间点横坐标;q为曲面空间点纵坐标.

文献[7]提出了表达三维重构图像表面纹理特征的参数HMTD并应用于表征微表处试件表面纹理参数,同时与路面平均构造深度MTD进行了相关性分析.测量所得试件表面构造深度为测量点处凸起部分与凹陷部分的高程之差,用灰度值表征就是凸起部分灰度值与凹陷部分灰度值二者平均值之差,HMTD为

(2)

通过对八种沥青混合料试件在不同加速加载作用时间下的路面灰度值HMTD进行统计,通过绘图软件Origin得到HMTD随作用时间的变化规律,见图8.

图8 8种沥青混合料2D、3D灰度值随时间变化

由图8可知:在两种模式下,8种沥青混合料试件灰度值随作用时间均呈一致的变化规律,即都经历了快速下降(0～1.5 h)、下降减缓(1.5～7.5 h)和稳定平缓(7.5～21.5 h)三个阶段.7.5 h后,各沥青混合料试件骨架基本形成,HMTD最终趋于稳定.原因分析:随着作用时间增加,PAC中集料颗粒发生重新排列,试件不断被碾压密实,胶浆也在轮载作用下被挤压到空隙中,试件表面沥青膜发生迁移,加之掉入的轮胎屑清理后仍有少许残留,使得轮碾部位表面空隙逐渐变小,进而导致HMTD变小.在轮载作用下,SMA-13逐渐被碾压密实,胶浆被迫上浮,粗集料逐渐嵌入胶浆,轮碾区域表面逐渐变得光滑平坦,HMTD值逐渐减小.AC-13在加速加载作用下逐渐变得密实,HMTD随之减小.综上,三种沥青混合料在达到一定的作用时间后,骨架均变得稳定,HMTD亦趋于恒定.将两种模式下8种不同沥青混合料初始灰度值进行绘图,见图9.

图9 8种沥青混合料2D、3D初始灰度值

由图9可知:两种模式下重构得到的数字图像HMTD,PAC试件均大于SMA-13,而SMA-13又大于AC-13,且3D模式下对应的HMTD均大于2D,表明3D模式下拍摄得到的二维数字图像进行三维形貌重构获取的表面纹理更加明显.

采用Asymptotic指数模型分析灰度值衰变规律,8种沥青混合料2D、3D模式下得到的灰度值衰变规律拟合曲线回归参数见表2～3.

表2 八种混合料2D灰度值衰变规律拟合曲线回归参数

表3 八种混合料3D灰度值衰变规律拟合曲线回归参数

由表2～3可知:8种沥青混合料两种模式下得到的灰度值与作用时间相关系数R2分别均在0.86、0.79及以上,说明二者相关性较强,因而可以采用该指数模型来评价八种沥青混合料三维重构所得两种模式下灰度值的衰变规律.同时,原材料相同条件下,2D模式下试件表面灰度值衰变幅度最大的是PAC-13②为61.68,最小的是AC-13为29.98;衰变速度最大的是PAC-10为3.47,最小的是SMA-13为0.19.3D模式下试件表面灰度值衰变幅度最大的是PAC-13②为61.34,最小的是SMA-13为27.67;衰变速度最大的是PAC-13②为2.94,最小的是SMA-13为0.20.8种沥青混合料各自的衰变幅度、衰变速度和衰变终值均存在着较大差异,说明级配对灰度初始值A+C及灰度衰变速度B有着较大影响.

3.3 排水沥青路面HMTD与抗滑性能指标相关性分析

3.3.1HMTD与试件MTD相关性分析

灰度值大小反映了路表面纹理各点的高低程度,灰度值越大,图像越黑暗,对应于路表面的点所处深度越深,由此原理就可以得出排水沥青路表面灰度值HMTD与其平均构造深度MTD成线性关系.通过建立二者的相互关系式,从而由HMTD计算得到MTD,其实现方法见图10.

图10 路表面MTD计算

实验室内按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求采用铺砂法对8种沥青混合料试件进行MTD测定,每次试验前对试件表面进行清扫从而保证测试结果准确可靠.借助绘图软件Origin对HMTD与MTD进行相关性分析,见图11.

图11 HMTD与MTD的相关性分析

由图11可知:8种沥青混合料试件在两种模式下拍摄得到的二维数字图像,其重构后得到的HMTD与试件表面实测MTD值有着较好的相关性,3D模式下得到的HMTD与MTD相关性较好.因此,可通过建立二者的相关性来获取沥青路面MTD,进而反映出路表面纹理粗糙程度并对其抗滑性能进行初步评价.

3.3.2HMTD与试件BPN的相关性分析

实验室内按照JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》的要求采用摆式摩擦仪对8种不同沥青混合料试件进行摆值BPN测定,同理HMTD与BPN的相关性分析见图12.

图12 HMTD与BPN的相关性分析

由图12可知:在两种模式下拍摄得到的二维数字图像,其重构后得到的HMTD与试件表面实测的BPN值相关性差,因而数字图像重构技术不能很好地用于推测路面BPN.原因分析:在进行摆值试验时存在人为因素导致的误差,同时图像重构过程对于一些细节信息处理存在着偏差.更重要的一点,路面灰度值反映试件表面的宏观构造凹凸起伏大小,而试件表面摆值主要由其表面微观纹理所决定,因而二者之间没有必然联系.

采用两种不同公称最大粒径的排水沥青混合料,一种为10 mm且所采用集料为玄武岩,另一种为13 mm但集料采用石灰岩,其余原材料及成型工艺保持一致.通过摆式摩擦仪测定其BPN,采用铺砂法测定其MTD,试验结果见图13.

图13 两种排水沥青混合料BPN与MTD

由图13可知:两种不同公称最大粒径的排水沥青混合料,MTD大小为:PAC-13>PAC-10,BPN大小为:PAC-10>PAC-13.这一现象说明,路面MTD与BPN没有绝对联系,集料种类、公称最大粒径、试件表面洁净程度等均会对其BPN产生影响,后续可结合其他影响因素进行综合分析,从而达到通过数字图像技术准确推测排水沥青路面BPN的目的.

3.3.3HMTD与试件DF60的相关性分析

鉴于HMTD与BPN相关性差而与MTD相关性强,MTD与路面的宏观纹理紧密相关,宏观纹理又决定了车辆在路面上以较高速车速行驶时的抗滑性能.这里按照JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》要求采用动态旋转式摩擦系数测试仪,对前面图1中八种不同级配成型的大车辙板试件进行DF测定,为了与实际路面宏观纹理紧密联系,选取车速60 km/h下对应的动摩擦系数DF60与HMTD进行相关性分析,分析灰度值与车速较高时抗滑性能的相关性.通过试验得到DF60、HMTD数据后借助Origin绘图软件对HMTD与DF60进行相关性分析,见图14.

图14 HMTD与DF60的相关性分析

由图14可知:两种模式下对应的路表面HMTD与DF60相关性强,两种模式下拍摄得到的相关性系数R2分别为0.83、0.86,与已有研究指出的车辆在较高速度下行驶其抗滑性能由路面宏观纹理提供很好地对应了起来[11].由此可见,与前面HMTD和MTD的相关性类似,数字图像重构技术可很好应用于路面宏观抗滑性能预测.

4 结 论

1) 通过3D高清数码相机拍摄得到2D、3D模式下的二维数字图像,经三维重构后得到由灰度信息表征不同高度三维曲面的纹理图像,能较好反映出实际排水沥青路表面的纹理起伏状况,因此可用来描述其路表面的三维纹理特征,也可以推广应用到其他路面类型表面纹理的表征.

2) 在2D、3D模式下,PAC-13③试件经过0.5 h加速加载作用后表面形成了较明显轮迹带,对应重构出来的三维数字图像表面纹理高度也出现了较大衰减,其余7种沥青混合料试件存在相同的变化规律,且各试件在两种模式下三维重构得到的灰度值,0.5 h后出现最大降幅.其中,两种模式下PAC-16衰减幅度均最小,分别为6.77%、5.32%;除PAC-16外的其余5种排水沥青混合料灰度值衰减幅度均大于SMA-13和AC-13,而AC-13又大于SMA-13.

3) 在2D、3D模式下,8种沥青混合料灰度值HMTD随作用时间增加均呈快速下降(0～1.5 h)、下降减缓(1.5～7.5 h)和稳定平缓(7.5～21.5 h)三个阶段的变化规律.两种模式下重构得到的三维数字图像HMTD,6种PAC试件均大于SMA-13,而SMA-13又大于AC-13,且3D模式下得到的HMTD均大于2D.各试件两种模式下得到的HMTD与作用时间整体相关性均较好,可以采用Asymptotic指数模型来评价其三维重构得到的HMTD衰减规律.

4) 数字图像重构技术可应用于获取排水沥青路面的平均构造深度MTD、动摩擦系数DF60.8种沥青混合料试件在2D、3D模式下拍摄的二维数字图像,其重构后得到的HMTD与MTD、DF60的相关性均较好,但与BPN的相关性差,且3D模式下对应的相关性更好一些.因此,可通过分别建立HMTD与MTD、DF60的关系式从而获得沥青路面的MTD、DF60,进而反映路表面粗糙程度并对其抗滑性能进行初步评价.