沥青路面芯样图像处理与细观结构检测评价

周荣 ，曾爱东

(1.广州继善建筑技术有限公司，广东 广州 510600；2.广东建准检测技术有限公司，广东 广州 514000)

骨架密实型沥青混合料由接触粗集料构成骨架，作为抵抗荷载应力的主要载体，是重交通道路典型的沥青路面结构[1]。目前，混合料设计以VCAmix≤VCADRC作为骨架评价指标，难以对骨架结构进行评判[2]。沥青路面施工和质量检查过程中，除了关注宏观指标外，一般通过切割获取的芯样，观察图像中集料与沥青胶浆的分布状态，以及空隙构成等。因此，目前对于芯样切片图像的评价，施工现场基本上采用专家观察法。专家观察法更多地是依靠个人的工程经验判断，主观性较强；另外，对于钻取的芯样，一般仅仅测量芯样的厚度，也就是通过路面摊铺厚度来判断是不是符合规范要求。对于芯样切片图像中的其它信息未得到充分挖掘，并未获得更多有效的数据信息。

对于沥青混合料骨架结构设计与施工质量管控方面，石立万等[3]针对目前沥青混合料骨架结构判据的不足，提出了骨架结构的细观评价指标。唐成等[4]针对不同类型沥青混合料，研究了计算速度与精度均衡的图像分辨率范围，分析了不同接触算法骨架细观接触的高通量计算精度。Wang等[5]制备了不同骨架形态、级配和压实方法的沥青混合料，利用数字图像处理技术对骨架进行量化分析。Hassan等[6]以三种不同强度和形状的骨料花岗岩、辉绿岩、石灰石为研究对象，利用图像处理技术获取颗粒之间的接触性质、分布和取向等信息，评估骨架指数与力学性能之间的关系。吴建明等[7]对沥青混合料的压实特性及其影响因素进行了分析。郑齐[8]等对路面压实过程三维骨架结构状态进行评价，为沥青路面压实质量实时调控提供基础。刘卫东[9]等建立了集料形态特征和温度影响的三维沥青路面压实模型，分析了沥青路面压实过程中路面厚度、集料运动、接触力及能量演化机制等特征。既有研究文献对于沥青混合料粗集料骨架细观结构特征、沥青路面施工压实质量控制方面的研究，主要集中于理论研究与数值模拟方面。利用研究成果指导室内沥青混合料设计，以及沥青路面施工质量管控仍有欠缺。为此，本文通过智能化识别软件提取沥青路面芯样细观结构特征，根据路面施工芯样切片的细观指标评价路面施工质量，为提升沥青路面设计和施工质量提供技术与经验支持。

1 沥青路面芯样图像处理与细观结构检测

通过沥青混合料细观结构分析系统，对二维切片图像进行批处理和数据输出，分析过程自动化处理程度高，快速方便。由于沥青路面施工完成后需钻取芯样，检测路面施工厚度、空隙率和压实度等指标，通过沥青混合料细观结构分析系统，可对沥青路面施工质量进行快速评价。本方法不增加检测工作量，还可利用图像处理技术自动获得芯样切片的接触点数量、配位数、骨架率等参数，检测方法快速、简单和方便，具有良好的操作性。路面施工质量快速检测主要由现场与室内试验、沥青混合料细观结构分析系统自动处理两部分组成。沥青混合料细观结构分析系统软件界面见图1，沥青路面施工质量快速检测流程见图2。

图1 沥青混合料细观结构分析系统

图2 路面施工质量快速检测流程

沥青路面施工质量快速检测各步骤具体工作如下。

1)钻取沥青路面芯样。沥青混合料细观结构分析系统软件适用于不同芯样尺寸，一般取芯机钻取获得的Φ50mm、Φ100mm和Φ150mm芯样均可用于分析。

2)切割路面芯样，获取切片图像。对于切片数量的要求，切片数量n=10能够满足保证率为95%，误差为±5%的条件，满足工程精度要求。所以，切割芯样时应获得至少10张切片图像。切割芯样过程中，可采用小型切割机切割5次，每次获得2张切片图像。

3)图像二值化处理与集料识别。数字图像处理首先需将图像二值化，消除图像中的干扰信息，然后利用分水岭算法进行阈值分割。软件获取图像中集料轮廓线，计算各集料的面积并转换成等效直径，获得各集料的粒径与图像的级配特征。过滤切片中的细集料后，获取粗集料二值化图像。切片图像二值化处理均通过软件自动处理

4)接触分析，获取粗集料细观指标。接触分析主要步骤为：将切片图像二值化后，基于等效直径法计算每颗粗集料的等效直径。然后输入最小计算粒径和接触阈值，得到粗集料接触位置坐标、接触粗集料编号和粒径、接触点数量等，如图3所示。接触阈值的取值主要参考以往文献[1，3]，本文最小计算粒径为2.36mm，接触阈值取最小粒径的23%，即0.54mm。

(a)图像二值化

5)输出参数指标，包括配位数、骨架率、干涉颗粒等参数。

2 芯样骨架细观评价指标

为判断芯样细观结构检测结果是否符合施工质量要求，提出如下细观评价指标，包括接触点数量、平均配位数、骨架率和无接触粗集料含量共四个参数。

1)接触点数量：钻取沥青路面芯样后对切片图像进行接触分析，获得的粗集料接触点数量。

2)平均配位数：配位数主要参考散体材料的评价指标。平均配位数指标定义为所有粗集料的平均接触数目，见式(1)。

(1)

3)骨架率：骨架率定义为所有接触粗集料总面积占芯样切片面积的百分比，见式(2)。

(2)

其中，A1为所有接触粗集料的总面积；A为芯样切片面积。

4)自由粗集料含量：自由粗集料含量定义为所有无接触粗集料总面积占芯样切片面积的百分比，见式(3)。

(3)

其中，A2为所有无接触粗集料总面积。

3 沥青混合料骨架细观结构评价

3.1 矿料配合比设计

通过实体工程对本文提出的方法进行验证，具体试验路为高速公路，重交通，采用沥青路面，设计路面上面层为AC-16C。为优选合适的配合比，选择两种级配组成进行对比，详见表1。按油石比为4.5%制作马歇尔试件，测定VMA、孔隙率和VFA指标，结果见表2。

表1 AC-16C两组级配构成

表2 各级配体积指标

3.2 骨架结构细观评价指标对比

为了对比分析两种级配的细观指标，初定沥青用量4.5%，对两种级配的细观结构进行评价。室内试验制作级配1、级配2马歇尔试件，每组级配各成型3组，通过小型切割机切割获取至少10张切片图像。为保证数据精确度，本次每种级配各获取20张切片图像进行细观结构分析。各级配典型切片图像与接触分析结果见图4。

(a)级配1切片图像与接触分析结果

目前对于马歇尔(芯样)切片图像的评价，施工现场基本上采用专家观察法，主观性较强且无法进行客观评价。通过观察图4中级配1和级配2切片图像，大多数人会发现级配1切片图像的空隙比级配2多，但级配1粗集料含量比级配2多且粗集料分布比较均匀。通过目测观察，确定哪种级配更好似乎难以定论。为保证分析结果的客观性，通过沥青混合料细观结构分析系统对获得的所有马歇尔切片图像进行分析，获得细观定量评价指标统计结果平均值，如表3所示。

表3 两种级配细观指标检测结果

3.3 路用性能对比验证

为对细观评价结果进行验证，按级配1、级配2采用5种油石比制作马歇尔试件，进行马歇尔试验，得到级配1、级配2的最佳油石比均为4.5%。根据设计的级配，以最佳油石比制作GAC-16C型沥青混合料，按照规范要求进行浸水马歇尔试验、水稳定性、低温弯曲试验和渗水试验，对两种沥青混合料的路用性能进行对比分析，结果见表4。

表4 沥青混合料路用性能试验结果

通过表4可看出，对于级配1和级配2，60℃动稳定度均大于4 500次/mm，残留稳定度均大于85%，渗水系数均小于120ml/min，各项技术指标均能满足规范要求。经综合比较，级配1的各项技术指标均优于级配2，确定级配1为GAC-16C上面层生产配合比设计推荐级配。

4 路面芯样施工质量检测与评价

沥青路面施工过程中，随机抽取部分芯样，获得各路面结构层部分典型芯样切片图片如图5所示。

通过沥青混合料细观结构分析系统对所有获得的芯样切片图像进行分析，平均配位数、“悬浮”粗集料含量和骨架率细观指标参数，分布见图6。

图6 芯样切片细观指标分布

5 结论

本文主要目的是提升沥青路面设计和施工质量，具体通过智能化识别软件提取沥青路面芯样细观结构特征，根据路面施工芯样切片的细观指标评价路面施工质量。主要结论如下。

1)基于沥青混合料细观结构分析系统，对沥青混合料配合比进行设计与优化，根据路面芯样切片细观指标快速对路面施工质量进行评估，是快速评价沥青混合料施工质量的一个有效手段。

2)沥青混合料设计以及路面施工质量评价，通过获取切片后进行图像处理和图像分割，识别粗集料的粒径与级配，提取粗集料骨架特征后，获取图像中细观结构指标。