楊光昊 張?zhí)K龍

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0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和公路事業(yè)的快速發(fā)展，瀝青混合料已成為我國(guó)路面常用的鋪筑材料，其中粗集料作為瀝青混合料的重要組成部分，占混合料總質(zhì)量的50%～80%。近年來，國(guó)內(nèi)外大量研究表明，粗集料針片狀含量的增加會(huì)導(dǎo)致混合料最佳油石比和空隙率增加，進(jìn)而降低混合料的路用性能；提高粗集料棱角性會(huì)增強(qiáng)瀝青混合料的高溫抗變形能力；提高粗集料表面的紋理指標(biāo)也可改善混合料的高溫穩(wěn)定度、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性[1]。因此，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)粗集料的形態(tài)特征對(duì)瀝青路面原材料指標(biāo)篩選和級(jí)配設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前對(duì)粗集料形態(tài)特征的測(cè)量方法有傳統(tǒng)法和圖像法，常規(guī)的傳統(tǒng)法一般依靠間隙率法和流動(dòng)時(shí)間對(duì)集料進(jìn)行間接表征，而隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用[2]。雖然傳統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果更準(zhǔn)，實(shí)用性更強(qiáng)，但數(shù)據(jù)離散型較大，需大量數(shù)據(jù)樣本作為支撐。而數(shù)字圖像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)粗集料形態(tài)特征的直接測(cè)量和定量分析，測(cè)試效果更好，同時(shí)還能消除人為主觀因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，粗集料的形態(tài)特征評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多，有軸向系數(shù)、凸度、粗糙度、棱角參數(shù)、圓度和分形維數(shù)等，但目前國(guó)內(nèi)外還未形成統(tǒng)一的粗集料形態(tài)特征評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3]。因此，本文采用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)玄武巖和石灰?guī)r兩種粗集料進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)與現(xiàn)有針片狀含量指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而篩選最佳的粗集料形態(tài)特征定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 現(xiàn)有圖像采集方法對(duì)比

目前集料圖像測(cè)量方法包含CCD處理技術(shù)、X-ray斷層掃描技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，其中CCD處理技術(shù)有AIMSII系統(tǒng)以及MASCA。AIMSII系統(tǒng)是第二代集料圖像采集技術(shù)，相較于第一代增加了對(duì)多個(gè)粒徑的集料圖像測(cè)量，且在獲取集料三維尺寸基礎(chǔ)上，還可以測(cè)試集料的表面紋理。X-ray斷層掃描技術(shù)（簡(jiǎn)稱X-CT技術(shù)）能夠在不破壞材料整體結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部連續(xù)斷層的掃描，獲取材料的三維空間信息。相較于CCD和X-ray斷層掃描技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)還可以輸出集料的形狀、棱角和紋理參數(shù)。幾種圖像掃描技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。

表1 常見的集料圖像掃描技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)匯總

三維激光掃描技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)水平在不斷提升，已經(jīng)從最初的接觸式測(cè)量逐漸發(fā)展到當(dāng)前使用的手持式測(cè)量，設(shè)備發(fā)射出的激光到物體表面，經(jīng)反射后被掃描儀接收，從而獲取到物體的三維空間相對(duì)位置，得到物體的三維參數(shù)坐標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)處理技術(shù)可以重組物體的三維形貌，并通過分析得出物體的三維形態(tài)特征[4]。手持式三維激光掃描儀具有操作方便、采集數(shù)據(jù)精度高、掃描分辨率高、使用難度低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑材料、航空、自動(dòng)駕駛、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)。

1.2 測(cè)量原理

三維激光掃描技術(shù)的測(cè)試主要依據(jù)三角法原理，通過發(fā)射一束有角度且呈直線的激光到物體表面后，物體表面會(huì)吸收光束并產(chǎn)生漫反射，掃描儀上的傳感器會(huì)接收到漫反射的像點(diǎn)，并利用自身的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，進(jìn)而重組了被測(cè)物體的三維形貌特征[5]。由于激光發(fā)射器、物體和傳感器三者之間的光線反射呈三角形，因此，激光掃描儀的測(cè)試原理又被稱為激光三角法。由于激光發(fā)射器發(fā)射的激光束與被測(cè)物體表面會(huì)呈一定角度，于是根據(jù)激光束與被測(cè)物體表面法線夾角的大小，將激光三角法分為直射式和斜射式。圖1所示即為斜射式激光三角法測(cè)試原理。

圖1 斜射式激光三角法測(cè)試原理

1.3 測(cè)試方法

首先采用四分法對(duì)粗集料進(jìn)行取樣，取樣后采用水洗法洗凈表面的灰塵、雜質(zhì)，并放置于105±5℃的烘箱中烘干至恒重。然后將干凈的粗集料放置在激光掃描臺(tái)上，正常情況下可以獲得粗集料的第一、三維圖像；然后還需將粗集料反轉(zhuǎn)，對(duì)另一側(cè)未被測(cè)試的部分進(jìn)行掃描，即可獲得粗集料的第二、三維圖像。將第一、三維圖像和第二、三維圖像拼接后，獲得粗集料的三維圖像，利用計(jì)算機(jī)對(duì)三維圖像加以處理，可獲得粗集料顆粒的形狀參數(shù)。此方法和過程較為繁瑣，為簡(jiǎn)化測(cè)試過程，提高掃描效率，開發(fā)了圖2所示的輔助裝置，通過將三根螺桿將粗集料進(jìn)行固定，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒三維圖像的掃描。

圖2 輔助掃描工具

1.4 數(shù)據(jù)處理

由于在粗集料測(cè)試過程中因設(shè)備原因、外部環(huán)境干擾和顆粒本身等多種因素影響，會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲，若不加以處理，則重組的粗集料三維模型曲線會(huì)凹凸不平、精度降低，最終獲取的顆粒表面形狀參數(shù)就會(huì)出現(xiàn)誤差。因此，在對(duì)粗集料進(jìn)行三維激光掃描后，還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布形式分為掃描式、陣列式、網(wǎng)格式、散亂式四種，針對(duì)不同的分布形式，需要采取特定的處理手段，如對(duì)于掃描式、陣列式等有規(guī)律的數(shù)據(jù)，可以采用平滑濾波的方法進(jìn)行降噪處理；而對(duì)于散亂式的數(shù)據(jù)，通常使用網(wǎng)格模型進(jìn)行處理。

為了獲取更加清晰的粗集料圖像，一般會(huì)采集較多的數(shù)據(jù)，但龐大的數(shù)據(jù)量也會(huì)給設(shè)備的存儲(chǔ)和傳輸帶來不良影響。因此，為了提高測(cè)試效率，避免浪費(fèi)，可以采用降低分辨率或利用算法這兩種方法來適當(dāng)縮減數(shù)據(jù)樣本。但需要注意的是，不能刪除具有反饋粗集料主要特征的數(shù)據(jù)，且不可隨意刪除，避免影響最終的測(cè)試結(jié)果。

2 原材料及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原材料

本文選用兩種類型的粗集料，第一種粗集料為玄武巖、第二種粗集料為石灰?guī)r，各集料的來源和種類如表2所示。對(duì)上述兩種集料的針片狀含量進(jìn)行試驗(yàn)，每種類型集料測(cè)試100次，結(jié)果如表3所示。

表2 粗集料試驗(yàn)來源和種類

表3 粗集料針片狀含量測(cè)試結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 粒群掃描

采用三維激光掃描儀對(duì)不同粒徑的玄武巖和石灰?guī)r進(jìn)行批量掃描，每種集料測(cè)試50次，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果，獲取顆粒長(zhǎng)軸、中軸和短軸數(shù)據(jù)，玄武巖和石灰?guī)r粗集料掃描測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 京滬高速粗集料顆粒軸長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果

由圖3 分析可知，玄武巖的短軸在8.13～9.44mm 之間，中軸在11.04～12.24mm之間，長(zhǎng)軸在14.64～15.99mm之間；石灰?guī)r的短軸在9.37～11.75mm 之間，中軸在12.34～15.40mm之間，長(zhǎng)軸在16.50～21.38mm之間。

為進(jìn)一步對(duì)粗集料的長(zhǎng)軸、中軸和短軸大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算短軸與中軸、中軸與長(zhǎng)軸的比值，根據(jù)比值大小將粗集料形態(tài)分為板狀、柱狀、餅狀、立方體四種（如圖4所示）。本文對(duì)粗集料的短軸/中軸和中軸/長(zhǎng)軸計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果均大于2/3，由此推斷出玄武巖和石灰?guī)r粗集料呈立方體結(jié)構(gòu)。

圖4 粗集料形態(tài)分布

通過對(duì)玄武巖、石灰?guī)r顆粒樣品的長(zhǎng)短軸之比分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5、圖6所示，發(fā)現(xiàn)玄武巖與石灰?guī)r粗集料的長(zhǎng)短軸之比主要分布在1.75～2.0和1.5～1.75之間，表明集料顆?？傮w上近似于立方體結(jié)構(gòu)，從側(cè)面也反映出集料的顆粒形狀比較均勻。

圖5 玄武巖粗集料的長(zhǎng)短軸之比分布情況

圖6 石灰?guī)r粗集料的長(zhǎng)短軸之比分布情況

2.2.2 單粒掃描

分別對(duì)玄武巖和石灰?guī)r進(jìn)行單顆三維激光掃描，每次掃描的樣本數(shù)量為10顆，并取其平均值作為一個(gè)編號(hào)的測(cè)試結(jié)果，采用矩體度、球度和形狀因子三個(gè)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)其三維形狀，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 玄武巖粗集料三維形態(tài)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

圖8 石灰?guī)r粗集料三維形態(tài)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由圖7、圖8分析可知，玄武巖的矩體度在0.36～0.51之間，球度在0.52～0.85之間，形狀因子在0.77～1.51之間；石灰?guī)r的矩體度在0.35～0.50 之間，球度在0.62～0.82 之間，形狀因子在0.69～1.09之間。玄武巖與石灰?guī)r集料的矩體度幾乎相同，玄武巖集料的球度分布范圍更廣，且球度值更大，球度值越接近于1說明集料的形狀越近似于立方體，與上述長(zhǎng)短軸之比結(jié)論一致。從形狀因子指標(biāo)分析，玄武巖集料的形狀因子高于石灰?guī)r集料，根據(jù)粗集料顆粒形狀指數(shù)范圍，形狀因子在0.98～1.10之間的集料屬于蛋圓形；在1.10～1.15之間的集料屬于棱角形；在1.15～1.20之間的集料屬于針狀；在1.20～1.39之間的集料屬于片狀。因此，得出結(jié)論：玄武巖粗集料從蛋圓形到片狀各種形狀均有，石灰?guī)r粗集料主要以蛋圓形為主。

由于集料本身巖性和加工方式的區(qū)別，導(dǎo)致集料形態(tài)各異，其中針片狀含量指標(biāo)主要受到巖石破碎設(shè)備的影響。本文基于上述對(duì)玄武巖和石灰?guī)r兩種集料的針片狀含量、三維形態(tài)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，分析兩者之間的相關(guān)性，如圖9、圖10所示。

圖9 玄武巖粗集料的針片狀含量與形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

由圖9、圖10分析可知，粗集料的針片狀含量與矩體度指標(biāo)之間沒有相關(guān)性，而與球度和形狀因子指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，其中針片狀含量與球度指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.70以上，高于針片狀含量與形狀因子間的相關(guān)系數(shù)。說明三維激光掃描技術(shù)測(cè)試的粗集料球度指標(biāo)與按規(guī)范測(cè)得的針片狀含量均可反映粗集料的形態(tài)特征。

圖10 石灰?guī)r粗集料的針片狀含量與形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于三維激光掃描技術(shù)，對(duì)兩種不同粒徑的玄武巖和石灰?guī)r粗集料的形態(tài)特征進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：

（1）粒群掃描試驗(yàn)中，采用短軸/中軸和中軸/長(zhǎng)軸指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)對(duì)粗集料形態(tài)特征的初步評(píng)價(jià)，從長(zhǎng)短軸之比的分布情況也進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論具有一致性。

（2）單粒掃描試驗(yàn)中，球度與針片狀含量的相關(guān)性最高，形狀因子次之，說明采用球度指標(biāo)對(duì)粗集料的三維形態(tài)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)較準(zhǔn)確。