基于数字图像处理技术的粗集料形状特征研究

徐娜　卢祎苗+　郭菁峰+　赵晓明

摘要：沥青混合料是一种多相复合材料，由矿料（粗集料、细集料和矿粉）和沥青结合料拌合而成。其中，沥青混合料强度的来源主要是粗集料由嵌挤形成的骨架结构，而粗集料形状特征又是影响其嵌挤方式的重要因素。因此，研究粗集料的形状特征是研究沥青混合料的关键。研究表明，粗集料越近似立方体，其沥青混合料各方面性能越好。在不同近立方体颗粒含量的粗集料与沥青混合料性能相关性分析中，轮廓形状各指标均有较强的相关性，棱角性指标相关性较差。本文利用数字图像处理技术，采集粗集料的相关数据，采用片度、球度、形状指数等技术指标，对粗集料的相关性能进行分析评价。

Abstract： Bituminous mixture belongs to multiphase composite material， consisting of mineral aggregate such as coarse aggregate， fine aggregate， mineral powder and asphalt binder. Among them， interlocked skeleton shaped by coarse aggregate is the main source in the intensity of bituminous mixture. And that the shape character of coarse aggregate is very important for the methods of interlocking. Therefore， the key of researching the bituminous mixture is studying the shape character of coarse aggregate. There is a research shown that the shapes of the coarse aggregates are closer to the cube， the nature of bituminous mixture is better. The correlation analyse between coarse aggregates（the proportion of the cube is different ）and the nature of bituminous mixture reveals that various indicators of counter shape have strong correlation but the correlation between the angularity index is poor. This article takes advantage of digital image processing technology， collecting dates about coarse aggregates， using technical indicators such as FL， SP， Shape metrics and so on， in order to analyse and evaluate the performance of coarse aggregates.

关键词：嵌挤能力；数字图像；轮廓形状；棱角性

Key words： embedded squeeze ability；digital image；profile；angularity

中圖分类号：TU528.041 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0163-04

0 引言

沥青混合料的主要组成是粗集料，它通过嵌挤形成的骨架结构对沥青混合料的强度起到至关重要的作用[1-2]。为了研究粗集料的嵌挤方式，我们首先应当对粗集料本身的形状特征进行深入的研究和分析。

粗集料的轮廓形状为颗粒外形轮廓边界的集合[3-4]。我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[5]中采用针片状颗粒含量来评价粗集料形状。美国ASTM D4791试验规程[6]中把粗集料形状分成了针状、片状、针片状，同时规定了测定比例1：2、1：3、1：5不同标准的试验方法。这些方法均工作量大，耗时长，容易受人为因素的影响，试验结果的变异性较大。

为了更精确定量表征粗集料复杂的轮廓形状，研究人员开始吸取一些新技术。数字图像处理技术是其中的一种重要方法[7-9]。通过Image-Proplus、Matlab等软件对粗集料图像的一系列处理，可以得到表征粗集料轮廓形状的指标[10-11]。

研究表明[12-13]粗集料的形状特征完全可以用以下三个指标来量化：轮廓形状、棱角性、纹理。当集料具有明显的棱角性，形状近似正方体以及表面很粗糙时，在碾压后能互相嵌挤锁结从而内部具有较大的内摩擦角，在其他条件不改变的情况下，由这种集料组成的沥青混合料通常会具有较高的抗剪强度。

因此，以不同形状特征粗集料为研究对象，探索其轮廓形状和棱角性对集料骨架结构的影响，对沥青路面的设计和病害防治具有重要的指导意义和实用价值。

1 数字图像处理

本文对粗集料进行数字图像处理采用的是现有成熟的图像处理系统Image-ProPlus（简称IPP）。IPP支持图像采集，增强，彩色图像处理，测量，分析，宏纪录等功能，为便于归档，收集和进一步的统计分析，IPP支持动态数据转换，能方便地将测量结果送到Excel或其他分析软件中，且提供了丰富的测量参数类型，例如：Area（面积）；Area （Polygon）（多边形面积）；Aspect（平面形状）等[14]。我们按照前人的标准选择了IPP中的一些测量参数，然后对图像进行分析。endprint

粗集料的形状特征包括轮廓形状和棱角性。轮廓形状是通过主要尺寸的比例来反映颗粒针片状度[15]，棱角性反映颗粒轮廓度的边缘突出程度[16]。采用IPP软件对200颗9.5mm、13.2mm、16mm、19mm四种粒径下的粗集料采集片度、扁平系数、球度值来对轮廓形状进行研究，分析其形状特征随粒径变化的规律。采集形状指数和等效椭圆周长比这两个参数来对棱角性进行研究并分析规律。

本文采用自然光环境、白色背景并辅以LED强光灯，使用高倍数码相机拍摄粗集料图像，拍摄过程中使用一角硬币参照，以此作为标尺能较准确的获得集料实际平面尺寸。其操作界面如图1所示，粗集料图像处理前与处理后的界面如图2和图3所示。

2 粗集料轮廓形状指标研究

2.1 片度FL

从图4中发现，各颗粒间的FL分布较集中，差异性较小，粗集料颗粒形状较规则；此外，随着粗集料粒径的不断增大，其FL呈现小幅度上升。

2.2 扁平系数FI

从图5中看出，粗集料在粒径较小时，扁平系数值在各区间内分布较均匀。随着粒径的增大，扁平系数值整体呈现下降趋势。扁平程度较小，颗粒形状更接近立方体。

2.3 球度SP

从图6中看出，粗集料球度值没有良好的整体特性，但随着粒径的增大，球度值整体呈现增大的趋势，粗集料的总体形状逐渐由多样性向均一性过渡。

3 不同粒径的粗集料棱角性研究

3.1 形状指数

从图7中发现，粗集料的形状指数值分布情况呈现出抛物线形。其中，9.5mm与13.2mm粒径的粗集料形状指数分布较一致，且形状指数值也较接近，说明这两个粒径下的粗集料颗粒其整体棱角性差异性较小，且棱角丰富。16mm与19mm粗集料的形状指数值则相对较小，棱角性较弱。

3.2 等效椭圆周长比

从上述表中整体数据来看，各粒径下粗集料等效椭圆周长比较接近，表现为棱角性差异性小。另外，等效椭圆周长比随粒径增加略有下降趋势，即粗集料棱角性变弱。

4 粗集料形状特征分析

采取人工干扰方式，配置五组具有不同近立方体颗粒含量的粗集料，放大粗集料间形状特征的差异性，为相关性分析提供更有利的数据支撑。具体操作方法如下：

人工挑选出9.5mm及以上粒径的近立方体粗集料作为A料。剩余粗集料作为B料。按25%为一个间断，将粗集料分成五组不同近立方体颗粒含量的粗集料：0%A+100%B，25%A+75%B，50%A+50%B，75%A+25%B，100%A+0%B，小于9.5mm粒径的集料采用同种石灰岩。实际上由于很少有粗集料各向尺寸完全一样，本研究将各向尺寸相差不大的粗集料视为近立方体粗集料，即将扁平系数小于1.6的粗集料定义为近立方体粗集料。

采用形状特征指标对人工配制的五组粗集料进行形状特征量化，结果如表1。

图9和图10分别为不同近立方体粗集料含量下的粗集料轮廓形状和棱角性变化规律。

从图9中可以看出片度、扁平系数、球度与近立方体粗集料含量存在明显的线性关系，随着近立方体粗集料含量的增加，粗集料的扁平系数下降，片度、球度增加，也即粗集料整体轮廓形状越规整、越接近立方体。

近立方体粗集料含量增加，其形状指数减小，等效椭圆周长比增大，说明以形状指数作为评价指标，粗集料棱角性是减小的；而以等效椭圆周长比作为指标，粗集料棱角性呈增大趋势，但存在上下波动，不能表征粗集料棱角性。粗集料各棱角性指标的适用性尚需结合相应沥青混合料的路用性能来评价。

5 结论

①随着粗集料粒径的不断增大，片度呈现小幅度上升；扁平系数值整体呈现下降趋势，扁平程度较小，颗粒形状更接近立方体；球度值整体呈现增大的趋势，粗集料的总体形状逐渐由多样性向均一性过渡。

②粗集料的形状指数值分布情况呈现出抛物线形。9.5mm与13.2mm这两个粒径下的粗集料颗粒其整体棱角性差异性较小，且棱角丰富。16mm与19mm粗集料的形状指数值则相对较小，棱角性较弱。各粒径下粗集料等效椭圆周长比较接近，表现为棱角性差异性小。另外，等效椭圆周长比随粒径增加略有下降趋势，即粗集料棱角性变弱。

③随着近立方体粗集料含量的增加，粗集料的扁平系数下降，片度、球度增加，也即粗集料整体轮廓形状越规整、越接近立方体。

④粗集料棱角性指标受到了粗集料轮廓形状因素的影响而不太准确，各棱角性指标的适用性尚需结合相应沥青混合料的路用性能来评价。

参考文献：

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