張 建

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

0 引言

低噪聲透水瀝青路面以其排水、降噪等諸多功能特點(diǎn)，已在北京、上海、深圳、杭州等城市得到廣泛應(yīng)用。這主要取決于透水瀝青路面多孔特性，給交通噪聲的吸收、擴(kuò)散和削減路面徑流提供了足夠的路徑。因此，排水瀝青路面結(jié)構(gòu)多孔特性的保證是其功能實(shí)現(xiàn)的重要前提。

為研究透水瀝青路面結(jié)構(gòu)的孔隙特性，目前國(guó)外主要采用CT技術(shù)獲得試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃描圖像，進(jìn)而通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)定量研究瀝青混合料的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)研究空隙結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料各項(xiàng)性能的影響。

但國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青混合料的孔結(jié)構(gòu)研究還處于技術(shù)探索階段[1-3]，主要集中在瀝青混合料空隙分布、集料級(jí)配的研究，主要涉及到不同級(jí)配、不同成型方式下空隙的分布特征和通過(guò)圖像獲得瀝青混合料的級(jí)配。

基于以上，本文運(yùn)用Matlab與Photoshop圖像處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)不同空隙率排水瀝青混合料圖像進(jìn)行灰度、過(guò)濾、均衡化及二值化處理后，對(duì)數(shù)字圖像的表面空隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)而探索低噪聲透水瀝青混合料孔結(jié)構(gòu)特征，以期為相關(guān)理論研究和工程實(shí)踐提供參考。

1 排水瀝青混合料表面孔結(jié)構(gòu)分析

1.1 Matlab圖像處理技術(shù)孔徑分析方法

本試驗(yàn)采用成型的車(chē)轍板表面作為取樣對(duì)象，來(lái)研究排水瀝青混合料表面孔結(jié)構(gòu)特性。首先制作3個(gè)不同空隙率(18%、20%、22%)的排水瀝青混合料車(chē)轍板，然后按照以下步驟進(jìn)行空隙數(shù)據(jù)采集，如圖1所示。

圖1 空隙數(shù)據(jù)采集步驟

(1)圖像獲取

為減小試驗(yàn)分析誤差，本階段通過(guò)在Matlab中調(diào)用(imcrop)函數(shù)對(duì)初始采集圖像進(jìn)行了截取，從所拍試塊拍攝面中截取一個(gè)矩形部分，作為試驗(yàn)分析對(duì)象，進(jìn)而提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

(2)圖像灰度化

本階段通過(guò)在Matlab中調(diào)用rgb2gray函數(shù)將截取3種空隙率圖像處理為灰度圖像，來(lái)簡(jiǎn)化上一階段獲取的RGB圖像，如圖2所示。

圖2 20%空隙率的截取圖像和灰度化處理后的圖像

(3)圖像過(guò)濾及均衡化

本階段主要對(duì)圖像的對(duì)比度和失真進(jìn)行優(yōu)化，增加圖像的識(shí)別度，以利于后期的數(shù)值化處理。

(4)圖像扣除背景及二值化

本階段圖像的二值化處理是先設(shè)定原圖像為f(x,y)，選擇一個(gè)灰度值T作為閾值，將圖像分割為兩部分，大于T值的值設(shè)為1，小于T值的值設(shè)為0。如式(1)所示。

(1)

然后，選擇自動(dòng)閥值選擇法，先去除圖像背景色干擾，再調(diào)用graythresh函數(shù)自動(dòng)識(shí)別并設(shè)定適當(dāng)?shù)拈y值。

(5)數(shù)值圖像氣孔分割及氣孔空隙率計(jì)算

采用regionprops函數(shù)獲取目標(biāo)空隙率特征信息，進(jìn)一步調(diào)用ismenber函數(shù)拾取像素面積范圍內(nèi)目標(biāo)圖像，即消去比目標(biāo)面積像素值小的對(duì)象及大的對(duì)象。最后用sum函數(shù)統(tǒng)計(jì)圖像內(nèi)目標(biāo)總面積像素值，numel函數(shù)統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖像面積總和像素值。

(6)最大空隙率像素值的界定

本階段通過(guò)在Matlab中使用bw2語(yǔ)句對(duì)最大空隙的像素值尺寸進(jìn)行界定，進(jìn)一步消去明顯超過(guò)實(shí)際尺寸的大孔，以減少圖像處理誤差。

(7)空隙實(shí)際尺寸的標(biāo)定

根據(jù)所拍試件像素邊長(zhǎng)，與實(shí)際相應(yīng)試件實(shí)際邊長(zhǎng)，計(jì)算出單位像素所代表的實(shí)際尺寸。然后，將最后圖像處理測(cè)得的像素?cái)?shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換得到試件空隙實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)像素?fù)Q算[4]調(diào)整閥值為40時(shí)，目標(biāo)空隙率為18%的混合料采用圖像處理得到的空隙率與實(shí)測(cè)值接近；然后使用該閾值對(duì)20%和22%的混合料進(jìn)行圖像處理并得到相應(yīng)的孔隙率，結(jié)果如表1所示。

表1 孔徑分析結(jié)果

從表1可以看出，設(shè)計(jì)的3種目標(biāo)空隙率所得到的實(shí)測(cè)空隙率與Matlab軟件計(jì)算的空隙率極為接近，誤差在4%以?xún)?nèi)。因此，在成像結(jié)果理想的基礎(chǔ)上，可通過(guò)軟件計(jì)算直接獲得試件的空隙率，具有較高的準(zhǔn)確性。

2 排水瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

2.1 排水瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲取

為了進(jìn)一步了解排水瀝青混合料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，獲取其內(nèi)部的空隙、集料以及砂漿等的結(jié)構(gòu)和分布特征，本文選用碾壓成型的車(chē)轍板，對(duì)其進(jìn)行豎向“十”字形切割，獲得其豎向截面和橫向截面如圖3所示。

企業(yè)管理要以人的全面發(fā)展為核心,要做到知人善用。一個(gè)好的企業(yè)應(yīng)該要尊重員工、信任員工、理解員工、關(guān)懷員工和激勵(lì)員工。同時(shí)也要做到用其所長(zhǎng)、用其所愿、用其所思、用當(dāng)其時(shí)、用當(dāng)其位。

圖3 排水瀝青混合料豎向與橫向截面

從圖3可以看出，排水瀝青混合料大致可分為3個(gè)部分：粗集料、砂漿和空隙。粗集料接近白色，砂漿呈灰色，空隙呈黑色。粗集料表面包裹著膠漿形成一定的骨架結(jié)構(gòu)，砂漿填充到骨架結(jié)構(gòu)中，未被填充就形成空隙。

2.2 排水瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)處理

本文重點(diǎn)關(guān)注的是有關(guān)空隙和粗集料的信息，因此本文通過(guò)嘗試設(shè)定不同的閾值，區(qū)分粗集料、空隙和砂漿，并分別用不同的顏色進(jìn)行填充標(biāo)注。如圖4所示，白色填充表示粗集料，深黑色表示空隙，剩余未處理的部分為砂漿，并將Photoshop圖像處理技術(shù)，進(jìn)行二值化處理，如圖5所示。

圖4 混合料圖片

圖5 二值化圖像

3 排水瀝青混合料孔結(jié)構(gòu)分析

3.1 粗集料特征參數(shù)

(1)粗集料比例

排水瀝青混合料中粗集料占到80%以上，粗集料比重對(duì)排水瀝青混合料工程特性有重要影響，隨著空隙率的增大，排水瀝青混合料2.36mm篩孔通過(guò)率逐漸減小。本文對(duì)于二維圖像，參考裴建中[5]有關(guān)集料幾何特性的研究成果，一個(gè)集料能通過(guò)篩孔，不取決于其面積小于篩孔面積，而取決于其二維圖像輪廓線上任意兩點(diǎn)的最大軸距小于方孔對(duì)角線長(zhǎng)，即集料最大軸距大于2.36mm方孔篩邊長(zhǎng)的倍判定為粗集料。

本文通過(guò)二值化圖像統(tǒng)計(jì)各種空隙率不同截面上粗集料的面積占整個(gè)截面面積的百分?jǐn)?shù)，空隙率20%橫向截面二值圖像如圖6所示，并將不同孔隙率下粗集料比重統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖6 空隙率20%橫向截面粗集料分布

圖7 粗集料所占截面百分?jǐn)?shù)

由圖7可以看出，隨著空隙率的增大，豎向和橫向截面上粗集料所占比例未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但粗集料占截面比例大致在34%～41%的范圍內(nèi)波動(dòng)。

(2)粗集料的棱角性

(2)

式中:P——棱角性指標(biāo)；

Perimeter——集料輪廓周長(zhǎng)；

Perimetere——等效橢圓周長(zhǎng)。

由圖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較為穩(wěn)定，變化范圍不大，且具有較好的棱角性。

圖8 粗集料棱角性

(3)粗集料的級(jí)配

傳統(tǒng)篩分是獲得集料級(jí)配的主要方法，通過(guò)測(cè)定每檔的篩余質(zhì)量確定，稱(chēng)為質(zhì)量級(jí)配。在進(jìn)行數(shù)字圖像分析時(shí)，由于獲得的混合料截面圖像只是二維的，因此只能用二維圖像獲得的集料面積百分率表征其級(jí)配，稱(chēng)為面積級(jí)配。

圖9 空隙率18%的面積級(jí)配與質(zhì)量級(jí)配

圖9～圖11可知，隨著空隙率的增大，質(zhì)量級(jí)配通過(guò)率呈遞增趨勢(shì)，但變化幅度較?。幻娣e級(jí)配未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)；面積級(jí)配均在質(zhì)量級(jí)配的上方，表明面積級(jí)配通過(guò)率均大于質(zhì)量級(jí)配的通過(guò)率。

圖10 空隙率20%的面積級(jí)配與質(zhì)量級(jí)配

圖11 空隙率22%的面積級(jí)配與質(zhì)量級(jí)配

面積級(jí)配與質(zhì)量級(jí)配各檔通過(guò)率上均具有較大的差距，特別是在4.75mm篩孔通過(guò)率上差距較大，為了進(jìn)一步減少面積級(jí)配和質(zhì)量級(jí)配的差距，將面積級(jí)配轉(zhuǎn)化為質(zhì)量級(jí)配。本文參考裴建中[5]提出的基于集料巖性特征與生產(chǎn)工藝相同和集料形狀特征相同兩條假設(shè)給出從面積級(jí)配轉(zhuǎn)化到質(zhì)量級(jí)配的公式，如式3所示。

(3)

式中:S——質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；

p——第i檔篩孔上集料的數(shù)目；

n——集料的總數(shù)目；

A—單個(gè)集料的面積；

d—集料的等效橢圓短軸長(zhǎng)度。

圖12 基于數(shù)字圖像表征的質(zhì)量級(jí)配

由圖12可以看出，相比面積級(jí)配，基于數(shù)字圖像表征的質(zhì)量級(jí)配與篩分級(jí)配得到的質(zhì)量級(jí)配較為接近，特別是在4.75mm這檔料的通過(guò)率與篩分結(jié)果的質(zhì)量級(jí)配接近，表明基于數(shù)字圖像表征的質(zhì)量級(jí)配是可行的。

3.2 空隙

(1)空隙比例

對(duì)于二維數(shù)字圖像，無(wú)法獲得其實(shí)際的空隙率，而且切割時(shí)高溫導(dǎo)致一些細(xì)小的空隙被堵塞，使其截面上的空隙所占比例都偏小，本文通過(guò)二值圖像測(cè)得空隙率均在4%～10%之間。

(2)等效直徑

由于截面空隙構(gòu)造極其復(fù)雜，形狀呈現(xiàn)不規(guī)則性，為了便于研究，將復(fù)雜多變的空隙形狀簡(jiǎn)化為截面為圓形的當(dāng)量圓，研究空隙當(dāng)量圓等效直徑對(duì)排水瀝青混合料滲透性能和力學(xué)性能的影響，其公式如式4所示。

(4)

式中:d——混合料的空隙等效直徑，mm；

Ai——混合料截面單個(gè)空隙面積，mm2；

n——混合料截面空隙數(shù)量。

由圖13可以看出，隨著空隙率的增大，當(dāng)量圓等效直徑呈增大的趨勢(shì)，且隨著空隙率增大，其增大趨勢(shì)較明顯，當(dāng)量等效圓直徑變化范圍在1.6mm～2.2mm之間。豎向截面的當(dāng)量圓等效直徑與橫向截面的當(dāng)量圓等效直徑接近，差別較小。該結(jié)果表明當(dāng)量等效圓可反映出空隙率的大小，也表明排水瀝青混合料在豎向截面和橫向截面上的空隙率相差較小。

圖13 不同空隙率當(dāng)量圓等效直徑

4 結(jié)語(yǔ)

(1)可通過(guò)Matlab圖像處理程序代碼對(duì)多孔瀝青混合料表面孔隙率進(jìn)行較為精確的計(jì)算，與實(shí)際測(cè)量孔隙率的誤差在4%以?xún)?nèi)，可作為測(cè)量排水瀝青混合料空隙率的新途徑。

(2)在相同空隙率下，豎向截面與橫向截面粗集料的面積占有率較為接近，說(shuō)明粗集料分布較為均勻。隨著空隙率的增大，兩個(gè)方向截面上粗集料所占比例未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，粗集料占截面比例大致在34%～41%的范圍內(nèi)波動(dòng)。

(3)對(duì)比面積級(jí)配和基于數(shù)字圖像表征的質(zhì)量級(jí)配，結(jié)果表明基于數(shù)字圖像特征的質(zhì)量級(jí)配與篩分級(jí)配的結(jié)果更接近。其原因是由于基于數(shù)字圖像表征的質(zhì)量級(jí)配考慮集料的厚度影響，結(jié)果更為可靠，但是兩者仍存在一定差距。

(4)當(dāng)量等效圓可以間接反映出排水瀝青混合料的空隙特性，豎向截面的當(dāng)量圓等效直徑與橫向截面的當(dāng)量圓等效直徑接近。隨著空隙率的增大，當(dāng)量等效圓直徑呈增大的趨勢(shì)，且隨著空隙率增大，其增大趨勢(shì)較明顯，當(dāng)量等效圓直徑變化范圍在1.6mm～2.2mm之間。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 曹東偉,劉清泉.排水瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,2010.

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[3] 倪富健,徐皓,冷真,等.瀝青性質(zhì)對(duì)排水性瀝青混合料性能的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003(04): 1-4.

[4] 梁原.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2008.

[5] 裴建中.瀝青路面細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性與衰變行為[M].北京: 科學(xué)出版社,2010.