离散级配沥青混合料的空隙率分析

2018-06-05张建

福建建筑 2018年5期

张建

(福州市规划设计研究院福建福州 350000)

0 引言

低噪声透水沥青路面以其排水、降噪等诸多功能特点，已在北京、上海、深圳、杭州等城市得到广泛应用。这主要取决于透水沥青路面多孔特性，给交通噪声的吸收、扩散和削减路面径流提供了足够的路径。因此，排水沥青路面结构多孔特性的保证是其功能实现的重要前提。

为研究透水沥青路面结构的孔隙特性，目前国外主要采用CT技术获得试件的内部结构扫描图像，进而通过数字图像处理技术定量研究沥青混合料的内部空隙结构，并以此为基础研究空隙结构对沥青混合料各项性能的影响。

但国内对沥青混合料的孔结构研究还处于技术探索阶段[1-3]，主要集中在沥青混合料空隙分布、集料级配的研究，主要涉及到不同级配、不同成型方式下空隙的分布特征和通过图像获得沥青混合料的级配。

基于以上，本文运用Matlab与Photoshop图像处理技术，通过对不同空隙率排水沥青混合料图像进行灰度、过滤、均衡化及二值化处理后，对数字图像的表面空隙结构进行统计和分析，进而探索低噪声透水沥青混合料孔结构特征，以期为相关理论研究和工程实践提供参考。

1 排水沥青混合料表面孔结构分析

1.1 Matlab图像处理技术孔径分析方法

本试验采用成型的车辙板表面作为取样对象，来研究排水沥青混合料表面孔结构特性。首先制作3个不同空隙率(18%、20%、22%)的排水沥青混合料车辙板，然后按照以下步骤进行空隙数据采集，如图1所示。

图1 空隙数据采集步骤

(1)图像获取

为减小试验分析误差，本阶段通过在Matlab中调用(imcrop)函数对初始采集图像进行了截取，从所拍试块拍摄面中截取一个矩形部分，作为试验分析对象，进而提高试验的准确度。

(2)图像灰度化

本阶段通过在Matlab中调用rgb2gray函数将截取3种空隙率图像处理为灰度图像，来简化上一阶段获取的RGB图像，如图2所示。

图2 20%空隙率的截取图像和灰度化处理后的图像

(3)图像过滤及均衡化

本阶段主要对图像的对比度和失真进行优化，增加图像的识别度，以利于后期的数值化处理。

(4)图像扣除背景及二值化

本阶段图像的二值化处理是先设定原图像为f(x,y)，选择一个灰度值T作为阈值，将图像分割为两部分，大于T值的值设为1，小于T值的值设为0。如式(1)所示。

(1)

然后，选择自动阀值选择法，先去除图像背景色干扰，再调用graythresh函数自动识别并设定适当的阀值。

(5)数值图像气孔分割及气孔空隙率计算

采用regionprops函数获取目标空隙率特征信息，进一步调用ismenber函数拾取像素面积范围内目标图像，即消去比目标面积像素值小的对象及大的对象。最后用sum函数统计图像内目标总面积像素值，numel函数统计整个图像面积总和像素值。

(6)最大空隙率像素值的界定

本阶段通过在Matlab中使用bw2语句对最大空隙的像素值尺寸进行界定，进一步消去明显超过实际尺寸的大孔，以减少图像处理误差。

(7)空隙实际尺寸的标定

根据所拍试件像素边长，与实际相应试件实际边长，计算出单位像素所代表的实际尺寸。然后，将最后图像处理测得的像素数据，转换得到试件空隙实际尺寸数据。

1.2 数据处理及分析

根据像素换算[4]调整阀值为40时，目标空隙率为18%的混合料采用图像处理得到的空隙率与实测值接近；然后使用该阈值对20%和22%的混合料进行图像处理并得到相应的孔隙率，结果如表1所示。

表1 孔径分析结果

从表1可以看出，设计的3种目标空隙率所得到的实测空隙率与Matlab软件计算的空隙率极为接近，误差在4%以内。因此，在成像结果理想的基础上，可通过软件计算直接获得试件的空隙率，具有较高的准确性。

2 排水沥青混合料内部结构分析

2.1 排水沥青混合料内部结构获取

为了进一步了解排水沥青混合料内部孔结构，获取其内部的空隙、集料以及砂浆等的结构和分布特征，本文选用碾压成型的车辙板，对其进行竖向“十”字形切割，获得其竖向截面和横向截面如图3所示。

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图3 排水沥青混合料竖向与横向截面

从图3可以看出，排水沥青混合料大致可分为3个部分：粗集料、砂浆和空隙。粗集料接近白色，砂浆呈灰色，空隙呈黑色。粗集料表面包裹着胶浆形成一定的骨架结构，砂浆填充到骨架结构中，未被填充就形成空隙。

2.2 排水沥青混合料内部结构处理

本文重点关注的是有关空隙和粗集料的信息，因此本文通过尝试设定不同的阈值，区分粗集料、空隙和砂浆，并分别用不同的颜色进行填充标注。如图4所示，白色填充表示粗集料，深黑色表示空隙，剩余未处理的部分为砂浆，并将Photoshop图像处理技术，进行二值化处理，如图5所示。

图4 混合料图片

图5 二值化图像

3 排水沥青混合料孔结构分析

3.1 粗集料特征参数

(1)粗集料比例

排水沥青混合料中粗集料占到80%以上，粗集料比重对排水沥青混合料工程特性有重要影响，随着空隙率的增大，排水沥青混合料2.36mm筛孔通过率逐渐减小。本文对于二维图像，参考裴建中[5]有关集料几何特性的研究成果，一个集料能通过筛孔，不取决于其面积小于筛孔面积，而取决于其二维图像轮廓线上任意两点的最大轴距小于方孔对角线长，即集料最大轴距大于2.36mm方孔筛边长的倍判定为粗集料。

本文通过二值化图像统计各种空隙率不同截面上粗集料的面积占整个截面面积的百分数，空隙率20%横向截面二值图像如图6所示，并将不同孔隙率下粗集料比重统计如图7所示。

图6 空隙率20%横向截面粗集料分布

图7 粗集料所占截面百分数

由图7可以看出，随着空隙率的增大，竖向和横向截面上粗集料所占比例未表现出明显的规律性，但粗集料占截面比例大致在34%～41%的范围内波动。

(2)粗集料的棱角性

(2)

式中:P——棱角性指标；

Perimeter——集料轮廓周长；

Perimetere——等效椭圆周长。

由图8所示，不同空隙率下，粗集料的棱角性主要集中在1.28～1.37，均大于1，表明破碎后集料的棱角性较为稳定，变化范围不大，且具有较好的棱角性。

图8 粗集料棱角性

(3)粗集料的级配

传统筛分是获得集料级配的主要方法，通过测定每档的筛余质量确定，称为质量级配。在进行数字图像分析时，由于获得的混合料截面图像只是二维的，因此只能用二维图像获得的集料面积百分率表征其级配，称为面积级配。

图9 空隙率18%的面积级配与质量级配

图9～图11可知，随着空隙率的增大，质量级配通过率呈递增趋势，但变化幅度较小；面积级配未表现出明显的规律性，但呈现出相对稳定的趋势；面积级配均在质量级配的上方，表明面积级配通过率均大于质量级配的通过率。

图10 空隙率20%的面积级配与质量级配

图11 空隙率22%的面积级配与质量级配

面积级配与质量级配各档通过率上均具有较大的差距，特别是在4.75mm筛孔通过率上差距较大，为了进一步减少面积级配和质量级配的差距，将面积级配转化为质量级配。本文参考裴建中[5]提出的基于集料岩性特征与生产工艺相同和集料形状特征相同两条假设给出从面积级配转化到质量级配的公式，如式3所示。

(3)

式中:S——质量百分数，%；

p——第i档筛孔上集料的数目；

n——集料的总数目；

A—单个集料的面积；

d—集料的等效椭圆短轴长度。

图12 基于数字图像表征的质量级配

由图12可以看出，相比面积级配，基于数字图像表征的质量级配与筛分级配得到的质量级配较为接近，特别是在4.75mm这档料的通过率与筛分结果的质量级配接近，表明基于数字图像表征的质量级配是可行的。

3.2 空隙

(1)空隙比例

对于二维数字图像，无法获得其实际的空隙率，而且切割时高温导致一些细小的空隙被堵塞，使其截面上的空隙所占比例都偏小，本文通过二值图像测得空隙率均在4%～10%之间。

(2)等效直径

由于截面空隙构造极其复杂，形状呈现不规则性，为了便于研究，将复杂多变的空隙形状简化为截面为圆形的当量圆，研究空隙当量圆等效直径对排水沥青混合料渗透性能和力学性能的影响，其公式如式4所示。

(4)

式中:d——混合料的空隙等效直径，mm；

Ai——混合料截面单个空隙面积，mm2；

n——混合料截面空隙数量。

由图13可以看出，随着空隙率的增大，当量圆等效直径呈增大的趋势，且随着空隙率增大，其增大趋势较明显，当量等效圆直径变化范围在1.6mm～2.2mm之间。竖向截面的当量圆等效直径与横向截面的当量圆等效直径接近，差别较小。该结果表明当量等效圆可反映出空隙率的大小，也表明排水沥青混合料在竖向截面和横向截面上的空隙率相差较小。