基于数字图像处理技术的混合料离析评价方法

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

引言

对于沥青路面来说，离析就是指在一定区域内粗细集料分布不均匀的现象。粗集料富集的区域内混合料的空隙率较大，沥青和细集料含量较少，在车轮荷载作用下对沥青路面产生较大的冲刷导致沥青剥落，最后出现坑槽等早期破坏：细集料富集的区域内混合料的空隙率较小，沥青含量较多，粗集料含量较少，使之不能形成相互咬合的骨架结构，在行车荷载和高温的作用下容易出现车辙、泛油等早期破坏[1]。2017年，熊宝林等用离散元的方法分析级配对沥青混合料离析的影响。结果表明：可以采用离散元方法模拟分析级配结构对ATB沥青混合料离析的影响[2]。2016年，张争奇等利用数字图像技术处理采集到的沥青混合料试件芯样图片，研究结果表明：随混合料离析程度的增加，宏观构造深度K值越来越大，这说明可用构造深度K 值来评价沥青路面的离析情况[3]。2014年，李智等采用X射线CT技术采集青路面芯样切面图片，提出了粗集料不均匀系数、试件颗粒竖向变异系数等指标来评价芯样位置路面结构的竖向颗粒离析。结果表明:施工质量控制较好的路段，其试件均匀性较好，竖向变异系数较小[4]。2010年，唐娴等通过建立沥青混合料的离析模型，提出沥青混合料的离析势能指标，并使用离析测定仪测量不同级配的离析势能指数，评价不同级配沥青混合料的离析程度[5]。2014年，邓德毅等基于路面渗水系数试验得到沥青路面的空隙率来定性的评价沥青路面的离析情况，研究结果表明：渗水系数试验操作简单快捷，且是非破坏性试验，可以快速反应沥青路面的质量状况，可以评价沥青混合料的离析情况[6]。

上述沥青混合料离析评价方法相对于传统的目测法来说有很大的优势，但是这些方法也存在着一定的局限性，评价结果有误差，有的方法仅能评价局部的离析情况。本文主要通过利用数字图像技术，对所采集到的沥青路面芯样水平切面图片进行特定的处理并研究沥青混合料水平切面相等面积内的集料累积面积之和的差异性，定量的评价沥青混合料的离析状况。

一、数字图像处理技术

计算机图像处理又称为数字图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。处理过方法为利用计算机对图像进行去噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理方法和技术。由于数字图像技术操作方便，图像所含的信息量大，传输效率高，所以当下数字图像技术广泛应用于农牧业、林业、工业和医学等方面。随着交通行业的蓬勃发展，数字图像技术被广泛应用到道路交通领域。

二、离析评价方法

以相等区域内集料面积的累积之和的差异性来表征沥青混合料的均匀性。由于集料颗粒是不规则的几何图形，集料颗粒的面积计算困难，本文利用椭圆来模拟集料颗粒，椭圆的长轴为集料颗粒最远两个角的直线长度，椭圆的短轴为集料颗粒最远两个角点连线中间位置的最大宽度[7]。

图1 水平截面划分与转动示意图

将试件截面划分为等大的六个区域，每个区域对应的角度为60°。以几何中心为旋转点，以6°为旋转单位，对着6块区域同时进行旋转，共旋转10次，之后分别计算每次旋转后各个区域的集料面积累积之和。通过比较分析这6个区域内集料面积累积之和的差异，评价沥青混合料的离析程度。图1为水平截面划分与旋转示意图。

若沥青混合料没有发生离析，则截面内沥青混合料集料分布是均匀的，即，截面上各个区域内集料面积累积之和应该比较接近。

在计算各个不同区域内集料面积的累积之和时，确定其控制粒径为4.75mm，即只累积计算粒径在4.75mm以上集料的面积。公式如下所示：

Si=∑Sn

试中：Si为第i区域内粒径不小于4.75mm集料面积的累积之和：Sn为第i区域内第n个粒径不小于4.75mm的累积面积。对比不同区域内集料面积累积之和的差异大小，可以通过方差δ来衡量。公式如下所示。

三、实例验证

图2 沥青混合料试件水平切面

按上述方法计算，根据以上3幅沥青路面芯样水平切面图片中的沥青混合料集料面积累积之和的方差从大到小的顺序为：A>C>B。即以上3幅沥青混合料的离析程度顺序为：A>C>B,与视觉观察结果一致。

四、结论

1.基于数字图像处理技术可以对沥青混合料颗粒离析现象进行定量的评价。

2.通过旋转图片，可以避免人为主观的选块，评价离析时受人的主观因素影响较小，结果更加准确。