用數(shù)字圖像處理技術(shù)評價瀝青混合料均勻性

1、第39卷第4期2009年7月吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition)Vol.39No.4July2009用數(shù)字圖像處理技術(shù)評價瀝青混合料均勻性吳文亮,李智,張肖寧(華南理工大學(xué)道路工程研究所,廣州510640)摘要:用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得試件截面圖像,通過集料的分布狀態(tài)研究了瀝青混合料的均勻性。研究結(jié)果表明,使用彩色石料區(qū)分粗、細集料,并利用彩色閾值直接分割圖像,可以消除在試件截面剖分過程中顆粒位置的隨機分布造成的影響;選取5種典型的瀝青混合料級配,采用顆粒面積比的變異系數(shù)作為均勻性評價指標(biāo),能夠定

2、量評價瀝青混合料的均勻性;對各級配的均勻性指標(biāo)與各檔粗集料分計篩余百分率進行線性回歸,其復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.976。關(guān)鍵詞:道路工程;均勻性;數(shù)字圖像處理;瀝青混合料;顆粒面積比中圖分類號:U414.1文獻標(biāo)識碼:A文章編號:167125497(2009)04209212EvaluationofwithtechniqueWen2liang,LIZhi,ZHANGXiao2ning(RoadEngineerInstitute,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Thesectionimagesofasphal

3、tmixturespecimenswereacquiredbythedigitalimageprocessingtechnique,andtheasphaltmixturehomogeneitywasstudiedfromtheaggregatedistributiondirectly.Theresultsindicatethattheeffectoftherandomdistributionoftheaggregateparticleoverthesectionofcutspecimenmaybeeliminatedwhenthecoloredaggregatesareusedtodisti

4、nguishthecoarseandthefineaggregates,andthecolorthresholdisusedtosegmenttheimage.thehomogeneityoftheasphaltmixturecanbeevaluatedquantitativelychoosing5typicalasphaltmixturegradationsandusingthevariabilityofparticlearearatioashomogeneityevaluationindex.Thelinearregressionwasmadebetweenthehomogeneityin

5、dexesofeachgradationandthesubtotaltriageofthecoarseaggregate,anditscomplexcorrelationcoefficientreaches0.976.Keywords:roadengineering;homogeneity;digitalimageprocessing;asphaltmixture;particlearearatio瀝青混合料的均勻性是瀝青路面長期使用性能的重要保證。瀝青路面出現(xiàn)的許多早期破壞,如水損害、車轍、泛油等,都與瀝青混合料的均勻程度有很大關(guān)系。當(dāng)瀝青混合料的級配發(fā)生變收稿日期:2008203224.基

6、金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50808087).化,集料顆粒分布不均勻,粗集料集中的部位空隙率偏大,瀝青含量偏小時,易造成滲水,加劇路面水損害,產(chǎn)生坑槽、松散等病害;而細集料集中的地方,空隙率偏小,瀝青含量偏高,會造成高溫穩(wěn)作者簡介:吳文亮(19812),男,博士研究生.研究方向:道路路面.E2mail:wenliang_wu81通信作者:張肖寧(19512),男,教授,博士生導(dǎo)師.研究方向:道路工程.E2mail:prozxn922吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第39卷定性差,易出現(xiàn)車轍、泛油、推移等病害1。對國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的檢索與分析發(fā)現(xiàn),目前關(guān)于瀝青混合料均勻性的定性分析及控制措施方面的研

7、究居多,而對瀝青混合料均勻性的定量評價,尤其是直接通過集料顆粒的分布狀態(tài)來評價瀝青混合料均勻性的研究還很少2;而且傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性檢測方法,如目測法和鋪砂法,以及新興的熱成像和激光表面構(gòu)造度量等無損檢測方法,雖然各有其優(yōu)點,但大多只能評價路表面的均勻性狀況。近年來,已有研究者應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù),通過集料的分布狀態(tài)來評價瀝青混合料的均勻性3,4,但這些方法在提取集料顆粒時,沒有考慮在截面剖分過程中顆粒位置的隨機分布,即在對集料分檔時有可能出現(xiàn)將大顆粒誤判為小顆粒,將粗集料誤判為細集料的問題。為解決這一問題,作者使用紅色石料作為粗集料,普通石料作為細集料,采用顆粒面積比這一指標(biāo)來消除上述誤

8、差,進而評價瀝青混合料的內(nèi)部均勻性。圖像處理技術(shù)具有使用方便、經(jīng)濟性好、可利用信息量大和形象化儲存等優(yōu)點,其在道路領(lǐng)域的工程應(yīng)用已成為國際上的研究熱點。數(shù)字圖像處理由兩部分組成:物理圖像轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字圖像和通過各種運算法則從數(shù)字圖像中提取的有用信息。一個典型的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)見圖15。圖1數(shù)字圖像處理系統(tǒng)Fig.1Digitalimagesystem2,(4.75mm)采,細集料采用花崗巖,采用石灰?guī)r礦粉,瀝青為中油70#基質(zhì)瀝青,使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)成型瀝青混合料試件,由于受所選紅色石料最大粒徑的限制,試驗時僅選取了最大公稱粒徑為16mm的級配,5種瀝青混合料級配如表

9、1所示。1)技離散化為計算機可以處理的信息,并對此信息進行各種處理,以達到某一效果的過程。由于數(shù)字表1瀝青混合料級配Table1Gradationofasphaltmixture級配類型19.0AC216IAC216IIAM216AK216SMA216100.0100.0100.0100.0100.016.097.595.095.095.095.013.282.575.072.571.075.09.568.060.056.557.555.04.7552.540.030.035.026.02.3641.026.515.525.019.51.1829.519.010.517.518.00.622.

10、013.07.513.015.00.316.09.05.09.512.50.1511.06.04.07.011.50.0756.03.52.55.010.05.05.04.05.06.0不同篩孔孔徑(mm)下的通過率/%油石比%使用雙面鋸切割試件,見圖2,每個試件可獲得8個圓形截面。采用CCD數(shù)碼相機拍攝試件截面,SMA216試件某截面如圖3(a)所示。由于采用紅色石料作為粗集料,導(dǎo)致紅色灰度直方圖呈明顯的雙峰,可直接根據(jù)紅色灰度直方圖選定合適的閾值6,對圖3(a)進行二值化處理,完成粗集料顆粒的提取,結(jié)果如圖3(b)所示。粒細小、數(shù)量眾多,基本不存在離析問題,而粗集料的分布狀態(tài)對瀝青混合料的

11、均勻性則有重要影響,因為混合料中其他組成成分的分布狀態(tài)都是由它所決定的。文獻7,8指出,通過對試件截面的掃描(如圓環(huán)掃描、橫縱向掃描、扇形掃描、矩形掃描等)所獲取的信息可以評價瀝青混合料內(nèi)部的顆粒分布規(guī)律,顆粒的密實程度,壓實過程中的運動規(guī)律等特征。參考文獻7中的方法并考慮到本研究為圓形截面,采用扇形掃描較為合適,如圖4所示。以3應(yīng)用研究實例3.1瀝青混合料均勻性指標(biāo)在瀝青混合料均勻性研究中,細集料由于顆第4期吳文亮,等:用數(shù)字圖像處理技術(shù)評價瀝青混合料均勻性923合料的均勻性。上述掃描過程可通過MATLAB軟件編程實現(xiàn)9。SMA216試件的各截面掃描結(jié)果見表2。圖2試件切割方法Fig.2Sp

12、ecimencuttingmethod圖4of表2scanresult截面編號12(a)SMA216試件某截面345678顆粒面積比樣本容量最大值最小值平均值標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)24242424242424240.7420.6060.6900.6640.6500.6650.6340.6510.4250.4590.5030.4430.4450.4540.3530.3810.5750.5550.610.5350.5680.5570.5230.5490.0710.0520.0490.0420.0520.0660.0630.0680.1240.0930.080.0790.0920.1180.120.1233

13、.2顆粒面積比與試件深度的關(guān)系從表2中可以看出,顆粒面積比平均值由試件頂部到底部沒有呈現(xiàn)明顯的變化趨勢,很難找到它們之間的關(guān)系。實際上,瀝青混合料均勻性的好壞不能通過顆粒面積比的大小來反映,應(yīng)該通過顆粒面積比(b)試件截面二值化的變異性來反映。若瀝青混合料均勻性好,則試件的顆粒面積比變異性小;反之,則變異性大。從表2中可以看出,沿試件深度方向,由試件兩端到中央位置顆粒面積比變異系數(shù)逐漸減小,即該試件的內(nèi)部均勻性要好于兩端。通過對AC216I、AC216II、AM216、AK216各試件的分析,都可以得出上述結(jié)論。可見,就最大公稱粒徑為16mm的級配來說,旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件內(nèi)部均勻性好于兩端。圖

14、3試件截面二值化處理Fig.3BinaryofSMA216samplesection試件截面Y軸正向為起點,以圓心為轉(zhuǎn)軸,沿順時針方向15°為掃描角度,得到一系列扇形斷面,將掃描斷面內(nèi)累計粗集料顆粒面積之和與扇形面積的比值定義為顆粒面積比7,分別計算每次掃描區(qū)域內(nèi)的顆粒面積比(共24個區(qū)域的顆粒面積比),通過對顆粒面積比的統(tǒng)計分析來評價瀝青混9243.3顆粒面積比正態(tài)分布判定吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第39卷從表3中可以看出,各級配顆粒面積比的平均值與變異系數(shù)無顯著關(guān)系,保證率為95%時的最大值與變異系數(shù)也沒有顯著關(guān)系。SMA216的顆粒面積比變異性最小,均勻性最好;AC216I與AC2

15、16II的顆粒面積比變異性最大,均勻性較差;AM216與AK216的均勻性居中,AK216的均勻在統(tǒng)計中,如果已知總體分布,需要檢驗樣本的分布是否與總體分布相同,或者對于取自未知總體的樣本,希望驗證是否服從正態(tài)分布,可以使2用擬合優(yōu)度的檢驗。對任一試件做扇形掃描時,可以得到24×8=192個截面(亦即192個顆粒面積比數(shù)據(jù))。以SMA216試件為例,根據(jù)顆粒面積比的取值范圍,性稍好。表35種級配顆粒面積比計算結(jié)果Table3Resultofparticlearearatioof5gradations級配類型AC216IAC216IIAM216AK2162160.4110.4860.5

16、160.501確定組限、組中值和頻數(shù)繪制直方圖如圖5所示。顆粒面積比平均值標(biāo)準(zhǔn)差0.1160.1030.08250.0.max30.6020.6550.652變異系數(shù)0.2820.2110.1600.1580.112395圖5Fig.5,以顆粒面積比的變異系數(shù)為因變量,進行線性回歸分析,得到各檔粗集料分計篩余百分率的顯著性檢驗結(jié)果(=0.01)如下:篩孔分別為16、13.2、4.75mm時變異系數(shù)顯著,只有篩孔為9.5mm時變異系數(shù)不顯著。合。=0.05下,檢驗假設(shè)22H0:F(x)N(,);H1:F(x)N(,)和使用極大似然估計法估計樣本的=x=s=nn其線性相關(guān)關(guān)系式為y=0.4911-

17、0.0067P16-0.0032P13.2-ni=1xii3vi=0.55920.0093P4.75ni=1(x3-x)vi=0.063原假設(shè)H0改寫成F(x)是正態(tài)N(0.559,0.0632)。2計算得的觀測值為2.18,計算過程從略。2在顯著性水平=0.05下,查分布表得221-(k-r-1)=1-0.05(7-2-1)=21-0.05(4)=9.488該式復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.976;P16、P13.2、P4.75分別為對應(yīng)篩孔粗集料的分計篩余(%)。上式說明:粗集料中的4.75mm這檔集料比其他幾檔集料對瀝青混合料均勻性的影響要顯著的多,故在瀝青混合料生產(chǎn)過程中要嚴格控制4.75mm這檔

18、集料。此時=2.18<9.488=(k-r-1)。所以在顯著性水平0=0.05下,接受H0,即認為SMA216試件顆粒面積比服從正態(tài)分布。同理,可證明AC216I、AC216II、AM216、AK2221-4結(jié)論(1)使用彩色石料作為粗集料,普通石料為細集料,可以消除在剖分截面時顆粒截面位置的隨機分布造成的影響,從而能準(zhǔn)確地提取出粗集料。(2)采用顆粒面積比及其變異系數(shù)作為指標(biāo),可以定量評價瀝青混合料內(nèi)部的均勻性。(3)本文方法基于平面二維剖分技術(shù),其結(jié)果具有一定的局限性,但該方法可為三維斷層掃描(CT)技術(shù)在處理瀝青混合料內(nèi)部均勻性問題方面提供參考。16試件的顆粒面積比都服從正態(tài)分布。

19、3.4不同級配類型均勻性評價既然試件的顆粒面積比服從正態(tài)分布,可以使用變異系數(shù)作為指標(biāo)定量評價均勻性10。計算AC216I、AC216II、AM216、AK216、SMA216幾種級配的顆粒面積比,結(jié)果如表3所示。第4期參考文獻:吳文亮,等:用數(shù)字圖像處理技術(shù)評價瀝青混合料均勻性925VCAmix量測方法J.公路,2005(11):1512154.XuKe,ZhangXiao2ning,WangDuan2yi.Ameas2urementmethodofpercentvoidsincoarsemineralaggregatesinasphaltmixturesbasedondigitalimag

20、eprocessingtechniqueJ.Highway,2005(11):1512154.7李智.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青混合料體積組1沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防M.北京:人民交通出版社,2001.2彭勇,孫立軍.瀝青混合料路面離析原因研究J.公路交通科技,2007,24(5):67270.PengYong,SunLi2jun.Segregationcausesforas2phaltpavementsJ.JournalofHighwayandTrans2portationResearchandDevelopment,2007,24(5):67270.3彭勇,孫立軍,王元清

21、,等.數(shù)字圖像處理在瀝青混成特性分析D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.LiZhi.Analysisofvolumeconstituentcharacteris2ticsforasphaltmixturebasedondigitalimagepro2cessingD.Harbin:HarbinInstituteofTechnolo2gy,2002.8張肖寧,李智,虞將苗.瀝青混合料的體積組成及其合料均勻性評價中的應(yīng)用J.吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2007,37(2):3342337.PengYong,SunLi2jun,WangYuan2qing,etal.ApplicationofdigitalimageprocessinginevaluatinghomogeneityofasphaltmixtureJ.JournalofJilinU