基于数字图像方法的沥青混合料离析的判定及标准

2018-08-28吴洪平

筑路机械与施工机械化 2018年6期

吴洪平

（广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心，广东广州 510199）

0 引言

沥青路面的离析状况研究，通常采用有损密度检测、混合料燃烧级配筛分检测，但这些方法会对路面结构产生无法恢复的损伤，或者存在检测成本过高等问题。于是，国内外相关人员开始尝试采用表面构造深度来表征沥青路面的离析情况。但目前构造深度检测方法均存在费时费力、设备昂贵、操作复杂、结果重现性和客观性不强等问题。鉴于此，本文依托广东省龙川至怀集公路龙川至连平段沥青路面实体工程，开展采用沥青路面表面构造深度指标评价沥青路面离析程度的研究。

1 沥青路面表面构造深度

1.1 数字图形法检测表面构造深度

1.1.1 从阴影恢复形状三维重构原理

近年来高速公路沥青路面对表面抗滑性能的要求越来越高。沥青路面表面一般都具有较大的构造深度，自然光照会产生漫反射，因此通过摄像工具得到的沥青路面表面图像具有明显的明暗差异。基于这一特点，利用数字图像处理技术可以将明暗差异明显的二维图像进行三维重构，以表达实际路面表面的三维构造情况，目前较为普遍的方法是从阴影恢复形状（SFS）。

SFS的基本原理是通过分析某一物体表面图像来获得其表面构造的空间曲面或数字表面构造模型，进而恢复物体表面各点相对高度等参数值，并重构物体表面的形状［1－2］。假定反射模型为朗伯体光照反射模型，光源为平行光源，正交投影成像。二维图像中某像素点的灰度值与物体表面朗伯体光照反射灰度值相等。朗伯体光照反射模型如下。

式中：z（x，y）为沥青路面表面高度（以镜头坐标系为参照坐标），η1、η2、η3为沥青路面表面各点法向量；（p，q）为各点表面梯度；α为表面倾角；θ为表面偏角；（－ps，－qs，1）或（ηs1，ηs2，ηs3）为光源的方向；E（x，y）为归一化的图像亮度；R为反射图函数，表征图像亮度随表面方向变化而发生的变化；l为表面点法向量的模。

1.1.2 SFS方法构造深度计算原理

通过数字图像方法重构沥青路面表面构造特征，并求解构造深度的一般步骤如下。

（1）沥青表面图像采集。本文为了获得更好的路表构造深度数据，对数字图像采集的过程控制参数进行了调研，根据相关研究结果［3］和实际操作情况，选择在自然光照条件下并以15：00～17：00作为表面构造图像采集的时间，拍摄镜头高度控制在60cm。

（2）数字图像的预处理。为了消除由于摄像设备、操作手法及自然环境等因素的影响，首先对获得的原始图像进行必要的降噪处理。本文选择中值滤波方式对图片进行处理。

（3）图像三维重构。本文采取RGB图像转化为二维灰度图像的思路，将沥青路面表面构造信息转化为二维图像的灰度值分布信息（二维矩阵），如图1所示。

图1 二维灰度矩阵绘制沥青路面三维构造曲面

（4）构造深度计算。根据二维灰度图像矩阵，采用插值方法重构沥青路面表面的三维构造曲面，并计算沥青路面表面构造深度。

式中：Z 为灰度曲面函数［4－6］；x 为二维矩阵的横坐标；y为纵坐标，图像中任意一点的灰度值可表示为Zij＝Z（xi，yj）；F（x，y）为图像的灰度矩阵数据；Fmax为灰度矩阵数据最大值；V为沥青路面表面构造空间体积；D为评价区域面积（一般为相片尺寸）；SD为构造深度［7］。

1.1.3 沥青路面表面构造深度计算

本文采用数字图像方法对沥青上面层进行表面构造深度信息的采集，在1 000m范围内共进行100组构造深度检测试验，采集到100张构造深度图像。通过图像处理过程后，计算得到100张图像对应的构造深度数据，如图2所示。

图2 数字图像法构造深度统计结果

从图2可知，该路段沥青路面表面构造深度值基本上分布在0.98～1.03mm之间，构造深度值在0.93～0.97mm之间的累计频率基本可忽略，说明该段沥青路面的施工构造深度控制较为合理。

1.2 铺砂法检测表面构造深度

本文为了对图像法检测构造深度数据的准确性进行判定，在采取图像方法进行构造深度评定的同时，对沥青路面表面采取铺砂法进行构造深度检测，结果如图3所示。从图3可知，铺砂法得到的表面构造深度范围基本上分布于0.96～1.02mm之间，与采用图像法得到的构造深度范围相近，数字图像法获得的沥青路面表面构造深度略大。

铺砂法检测得到的表面构造深度与采用数字图像法计算得到的表面构造深度的关系如图4所示。

从图4可知，采用图像法得到的沥青路面表面构造深度结果与采用传统铺砂法检测得到的沥青路面表面构造深度结果具有良好的相关性。图像法操作简单、成本低廉，检测精度相对较高，结果较客观，且可永久保存表面构造的图像信息，是一种非常有前景的路面表面构造深度检测方法。

图3 铺砂法构造深度统计结果

图4 铺砂法构造深度与图像法构造深度的关系

2 沥青路面表面离析程度的确定

2.1 沥青混合料筛分级配分析

沥青路面的破坏往往首先发生在沥青路面离析的局部小范围处，并从这些小范围逐步扩大，导致更加严重的路面病害。大多数情况下，沥青路面的离析是沥青混合料在施工的全过程中发生的级配非均质性变异引起的［8－11］。本文为了准确量化沥青混合料的离析程度，进行混合料取样燃烧筛分试验，以确定沥青混合料的实际级配信息。本项目沥青路面上面层GAC－16的合成级配如表1所示。对所有100组构造深度数据对应路面表面的取样筛分结果进行统计，结果如表2所示。

表1 上面层GAC－16生产合成级配

从表2可知，该段沥青路面施工时，沥青混合料存在不同程度的级配变异；从统计结果来看，各个筛孔通过率均存在差异，其中，9.5、4.75、2.36、0.3、0.075mm筛孔通过率的变异最显著，与沥青路面上面层（GAC－16）施工关键筛孔常按9.5、4.75、2.36、0.075mm控制的经验较为吻合。

从100处现场取样混合料燃烧筛分级配的具体结果来看，相对于生产级配而言，一部分混合料的筛分级配变细，另一部分筛分级配变粗，还有部分混合料级配存在以4.75mm或2.36mm筛孔分界一半级配变粗一半级配变细的现象。从表3可知，施工时沥青混合料的级配与生产配合比验证后的级配存在一定差异，实际施工配合比出现了一定程度的变异，其中13.2mm筛孔通过率比生产级配偏小4.3%，9.5mm 筛孔通过率比生产级配小2.4%，4.75mm筛孔通过率比生产级配偏大13%，2.36 mm及0.075mm筛孔通过率均偏小。

表2 筛分级配统计结果

2.2 级配分形理论及级配分形维数计算

分形理论作为一种新兴的科学理论，被广泛应用于对几何形体复杂程度及空间填充能力的定量描述研究中。运用传统的欧氏几何方法已经无法准确地描述粗糙欠光滑、凸凹欠圆润及破碎不连续等无序性系统问题的现象或本质，分形理论方法的最大优势就是能够较好地解决这些问题。分形理论具有自相似性和分形维数2个独特的特性，其中分形维数的变化具有连续性，能够定量描述分形结构的自相似的程度、不规则的程度、破碎程度等［12－13］。

表3 筛分级配各筛孔变异幅度

针对沥青路面GAC－16混合料，其级配组成被认为是一种结构层次分明、多级相嵌的复合材料体系，组成集料经由一系列复杂的物理破碎过程，具有不同粒径，粒径大小具有较强的随机性，但其粒径的分布具有一定的自相似规律，具有较明显的分形特征［14－15］。

连续集料粒径的质量分形特征函数为

式中：P（r）为尺寸r的筛孔通过率；rmin为混合料的最小粒径尺寸；D为连续集料粒径质量分布分形维数；r为集料中某种颗粒的筛孔尺寸；rmax为最大粒径尺寸。

水泥稳定级配碎石混合料的级配分形维数计算过程如下［16］。

（1）将混合料的级配曲线描绘在（r／rmax）指标和（P（r））指标的双对数坐标图上。

（2）利用最小二乘原理，对描绘在双对数坐标图上的级配曲线进行曲线拟合，得到级配拟合曲线的斜率λ。

（3）根据分形特征函数的数学推理，得到分形维数D＝3－λ。

分别计算各个级配的分形维数，典型级配分形维数计算如图5所示。从图5（a）可知，该处级配的分形维数D＝2.460 7（λ＝0.539 3）。对于本文中生产级配，其分形维数计算如图5（b）所示，分形维数D＝2.476 3（λ＝0.523 7）。级配分形维数统计结果如图6所示。

从图6可知，沥青路面GAC－16面层混合料的级配分形维数近似正太分布。

2.3 基于分形维数的混合料离析程度

根据上述计算得到的1km内沥青路面上面层混合料的筛分级配和级配分形维数（D），以生产级配为基准级配（Dbase），并以基准级配的分形维数为参考级配，得到不同级配的离析程度

图5 典型级配分形维数

本项目研究路段沥青路面级配离析程度分布如图7所示。

从1 000m路段中路面混合料的级配情况来看，虽然与生产级配均存在差异，但各处级配均在GAC－16级配的上下限内，各个筛孔通过率相对于生产级配对应筛孔通过率的变异方向并非完全一致，级配整体粗细变异的情况往往较难准确、客观地判断。从图7可知，LX指标以级配分形维数为基础，表征级配的整体变异较为客观。

3 沥青路面表面离析标准的建立

以表面任意点实测构造深度与均匀处（未离析）构造深度的比值作为依据，评判离析程度［17－18］，其相关性结果如图8所示。

从图8可知，构造深度比小于1.06时，沥青路面表面构造深度与沥青混合料级配离析程度关系不大，但结合以往相关研究成果［19］，在构造深度比小于1.16时，混合料被认为是没有发生级配离析的，这佐证了可以用级配离析程度LX处于［－2.50%，1.00%］作为离析判定标准。因此，可以将沥青路面构造深度比值1.05作为路面有无离析的评判标准。