（道路与铁道工程专业论文）基于矿料颗粒量化指标的沥青混合料优化设计.pdf

摘要 随着我国高速公路网的不断完善，市际、市域、市内交通的可达性、高效性、便 捷性及安全性都得到了很大的提升。但是各种病害不断侵蚀着原有道路，尤其是车辙 病害在全国范围内都普遍存在，严重损害了沥青路面的使用性能，路面服务水平的降 低，大大增加了道路运营者的成本和道路使用者的出行费用。实践证明，造成路面损 坏的原因除了超载、自然老化等这些外因，最关键的是混合料级配这一内在因素。因 此，级配优化研究工作势在必行。 级配设计依赖于设计经验，已有的优化方法多从调整级配入手，侧重于对宏观因 素如粒径大小的调控。但是实践表明，矿料级配性能不仅与其粒径大小有关，也与颗 粒形状、规格和质地有很大的关系，现行级配设计方法仅考虑粒径大小，不能取得最 优的设计结果。所以多尺度分析级配影响因素，研究级配设计方法具有重要意义。 本文从矿料微观尺度展开研究，借助于图像处理技术，对矿料颗粒的形状特征深 入研究，提出表征矿料颗粒形状特征的参数。并在预先设定不同形状颗粒的不同含量 下，进行混合料高温性能试验，探求各参数的变化规律；并采用分形理论研究级配曲 线量化方法。论文还利用s p s s 分析软件分析得到混合料性能与矿料颗粒形状特征参数 和级配参数的数学关系，且相关性较高。 论文所提模型反映了矿料级配与颗粒对沥青混合料性能的综合影响，为级配优化 设计提供了理论基础。若矿料一定，级配一定，可根据模型计算出混合料性能，从而 可对矿料级配组成的初步设计进行调整，大大提高了沥青混合料设计效率，是一种对 级配设计的“事前 优化方法。成果用于混合料设计，对提高沥青混合料路用性能， 减少路面病害有重要意义。 关键词：沥青混合料；级配；数字图像处理；集料形状特性；高温性能 a b s t r a c t w i t ht h ep e r f e c t i o no ft h en a t i o n a le x p r e s s w a yn e t w o r k ，t h ea c c e s s i b i l i t y , h i g h e m c i e n c y ，c o n v e n i e n c ea n ds a f e t yo ft r a n s p o r t a t i o nh a v eb e e np r o m o t e dd r a m a t i c a l l y b u t v a r i o u sd a m a g eh a sb e e nd e s t r o y i n gc o n s t r u c t e dp a v e m e n t e s p e c i a l l yr u t t i n gc o u l db ef o u n d o nan a t i o n a ls c a l e ，a f f e c t e dp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n ts e r i o u s l y , r e d u c e d t h el e v e lo f s e r v i c es h a r p l y ，a n di n c r e a s e dt h ec o s to fo p e r a t i n ga n du s i n g i th a sb e e np r o v e ni np r a c t i c e t h a tb e s i d e so fo v e rl o a d i n ga n dn a t u r a la g i n g ，t h em a i nf a c t o r sw h i c hc a u s e dp a v e m e n t d a m a g ew a sg r a d a t i o no fa g g r e g a t em i x t u r e t h e r e f o r e ，t h es t u d y o fo p t i m i z i n gm i xd e s i g n m u s tb ee n f o r e e d t h em i xd e s i g nd e p e n d e dh e a v i l yo nt h ed e s i g ne x p e r i e n c e e x i s t i n go p t i m i z a t i o n m e t h o d s ，f r o ma d j u s t m e n t ，e m p h a s i z e do nm a c r o s c o p i cf a c t o r s ，s u c ha st h es i z eo fa g g r e g a t e b u ti th a sb e e np r o v e nt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fa g g r e g a t em i x t u r eh a dr e l a t i o nn o to n l yw i t h t h es i z eo fa g g r e g a t eb u ta l s ow i t ht h es h a p e ，s t a n d a r d ，a n dt e x t u r eo fa g g r e g a t e b u te x i s t i n g m i xd e s i g nm e t h o do n l yc o n s i d e r e dt h es i z eo fa g g r e g a t e ，a n dc a n n o tm a k eo u tt h e b e s t r e s u i t s oi th a si m p o r t a n tm e a n i n gt h a ta n a l y z et h ef a c t o r s o fm i x t u r em u l t i s c a l ea n d s t u d y i n gt h em e t h o do f m i xd e s i g n t h i sp a p e rl a u n c h e dr e s e a r c ho nt h em i c r o s c o p eo fa g g r e g a t e ，u s i n g t h ei m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，s t u d i e dd e e p l yt h ec h a r a c t e r so fa g g r e g a t e ，a n dp r o p o s e dp a r a m e t e r s c h a r a c t e r i z i n gt h es h a p eo fa g g r e g a t e o nt h ec o n d i t i o nt h a td i f f e r e n ta g g r e g a t eh a d d i f f e r e n t c o m e n d s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t e dp e r f o r m a n c et e s t s ，s e a r c h e dt h ep r i n c i p l eo fp a r a m e t e r s ， s t u d i e dt h eq u a n t i f i c a t i o nm e t h o do fg r a d a t i o nc u r v eo n t h eb a s i so ff r a c t a lt h e o r y t h i sp a p e r a l s ou t i l i z e ds p s st oa n a l y z e da n dw o r k e do u tt h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r a m e t e r so fa g g r e g a t es h a p ea n dt h ep e r f o r m a n c eo fm i x t u r e ，a n da m e n d e dt h em o d e l t h r o u g h t e s t t h em o d e lp r o p o s e db yt h i sp a p e rr e f l e c t e dt h ec o m b i n e di n f l u e n c eo fg r a d a t i o na n d a g g r e g a t e ，w h i c ho f f e r e dt h e o r yb a s i sf o ro p t i m i z i n gm i xd e s i g n i ft h ea g g r e g a t e a n d g r a d a t i o nw e r eg i v e n ，t h em i x t u r ep e r f o r m a n c e c a nb ec a l c u l a t e db yt h em o d e l t h e r e f o r et h e p r i m i t i v ed e s i g n c a nb ea d j u s t e d ，w h i c hp r o m o t e dt h ee f f i c i e n c yo fm i xd e s i g n t h e c o n c l u s i o nc a nb eu s e di nm i xd e s i g n ，a n dh a dg r e a tm e a n i n go nr e d u c i n gp a v e m e n td a m a g e k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；g r a d a t i o n ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；a g g r e g a t e g e o m e t r i cp r o p e r t i e s ；h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e n 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出和意义 近年来，我国公路建设迎来了又一次建设新高潮，尤其是高速公路建设以前所未 有的速度飞速发展，将我国的公路建设事业代入了高速发展的新时期。路网的不断完 善不仅方便了人们的出行，更是大大节约了各地区之间物资运输、客流运输的费用和 成本，从而带动了沿新建道路一带或一区的经济发展，具有可观的社会效益和经济效 益。 但是在这种公路建设蓬勃发展的背景下，因为大修或抢修某段道路使整条道路出 现排队堵塞，从而影响整个路网畅通性的现象屡见不鲜。路面早期损坏的速度随着路 网建设速度的增加而加快，导致这种不良现象的因素主要包括设计环节( 集料级配、 路面结构) 、施工环节( 施工技术水平) 、外在因素( 交通环境、自然条件) 等。只有 从问题的本质入手才能从根本上解决问题，而设计环节中的混合料设计决定了路面的 各项路用性能，是路面使用寿命的决定性因素。 从微观结构上考虑，沥青混合料主要由矿质集料、沥青粘结料和空隙三大部分组 成。其中矿质集料在混合料的组成中，无论是体积还是质量都占主要部分，也是沥青 混合料强度的主要来源，因此对沥青混合料宏观性能的影响举足轻重。矿料特征具有 个体特征( 矿料的形状、规格、级配) 、堆积特征( 骨架结构) 和组合特征( 级配) 。 矿料级配是影响沥青混合料性能的主要因素，是平衡与协调各项性能的重要手段。目 前的级配设计方法无论基于何种理论，在实际操作中都是设计者先按照规范推荐的级 配范围，根据经验提出初选级配，再经过试验进行级配调整。显然，这种沿用已久的 设计方法与基层设计人员的技术素质有关，而更重要的是与规范中没有一个完整的级 配设计体系和调整方法有关。因此研究级配优化方法具有非常重要的意义。研究矿料 级配不是不同粒径的矿料颗粒在不同含量下的简单搭配，而应该从两个层面分别研究， 即宏观层面的级配( 颗粒按照一定规则组合搭配的特性) 和微观层面的矿料颗粒个体 的特性。而目前大量的级配优化方法都是基于宏观层面展开研究，通过调整某一种或 多种粒径颗粒的含量，改变级配走向，从而改善混合料性能。忽略了集料颗粒微观特 性诸如颗粒形状、棱角性、表面纹理等的影响，对不同的颗粒采用相同的级配，这必 然会导致后期施工和使用中会出现问题。沥青混合料的微观结构组成和微观结构分布 对宏观性能的影响导致沥青混合料性能的变异性很大。因此，深入微观了解集料形状 第一章绪论 对混合料路用性能的影响对于混合料设计有很好的指导作用。 目前规范在材料选择阶段对集料的质量具有一定的控制和要求。所采用的集料必 须经过一系列力学、化学及物理试验，以确保集料的性质能满足规范的要求。力学试 验包括集料磨耗试验、耐久性试验、磨光值试验等，化学试验包括集料坚固性试验、 有机物含量试验等，物理试验包括集料筛分试验、形状特征及表面纹理的测赳1 1 。显然 这些试验属于检测性质的，所得结果仅能用于判定集料质量的好坏，难以与混合料性 能建立联系。此外，每种试验实际上都是用间接指标来反应粗集料的某些特性，无法 抽取单个集料的特性信息，且实验操作复杂人为因素大。因此，有必要采用一种快捷、 准确的试验方法来探索集料颗粒微观结构特性。数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，经过几年的发展目前己成为一种成熟的技术，其应用范围越来越广泛，成为大 多数学科领域的学习和研究工具，并都取得了巨大的成就和显著的经济效益。数字图 像处理技术在路面研究中的应用更是颠覆了传统方法对集料颗粒形状特性的测量，同 时也向研究者们展现出了混合料在工作状态下的内部结构特性，是实现混合料微观研 究的有效手段和有力工具，更是建立混合料微观特性与宏观性能的桥梁和纽带。 综上所述，从颗粒级着手研究混合料性能，分析集料几何特征及结构对沥青混合 料性能的影响，在量化集料形状特征与级配走向特性的基础上，深入研究集料微观特 性对沥青混合料宏观性能的影响规律，为优化现有沥青混合料结构组成设计方法提供 了一定的理论基础，从而使沥青混合料能获得理想的路用性能，可有效避免路面早期 损坏的现象。 1 2 国内外研究概况 沥青混合料级配设计是沥青路面获得良好使用性能的基础。长期以来，各个国家 的道路工作者对级配设计的研究在不同时期都取得了阶段性的成果，使得级配设计理 论、检验和评价方法都得到了长足的发展。近几年，国内外学者更是将各个领域的新 兴科学引入道路研究中，采用新理论、新方法、新视角对集料级配设计理论进行优化， 不断完善级配设计方法和理论，使其更准确、更方便地设计出具有理想路用性能的沥 青混合料。 ( 1 ) 级配理论 我国目前规范推荐的级配范围是由富勒的最大密实理论发展而来，虽然对我国沥 青路面的发展作了重要的贡献，但是随着现代交通的发展，现行规范所列级配在实际 2 长安大学硕七学位论文 使用中逐渐暴露出缺点与不足。实际现象与理想状态相差甚远，这一系列问题驱使我 们有必要结合其他学科探索一种理论性更强、更精确的级配设计方法。 常用的级配理论主要有最大密度曲线理论( t h et h e o r yo fm a x i m u md e n s i t y c u r v e ) 、粒子干涉理论( t h et h e o r yo f i n t e r f e r e n c e ) 和分形理论( t h ef r a c t a lt h e o r y ) 。 这三大理论奠定了级配理论发展的基础，分别衍生出不同的级配计算方法。其中以最 大密度曲线理论发展起来的级配算法有：泰波( t a l b 0 1 ) 改进的n 法、我国同济大学林 秀贤的i 法、前苏联的k 法，以及后来在上述计算方法上衍生出来的变k 法、折断级配 算法和变i 法等i 2 。 最具影响力的是美国提出的s u p e r p a v e 体积设计法，初步提出了级配优化设计的思 想，而由美国伊利诺州交通部的罗伯特贝雷( r o b e r tb a i l e y ) 发明的贝雷法和国内张 肖宁教授提出的c a v f 法【3 】，则为级配评价和调整提供了很好的依据。李国强和邓学钧 闱提出了对级配曲线量化的研究思想，将分形理论引入对集料级配的研究中，并根据分 形几何学推导出了级配集料粒径分布函数，进而得到集料的分形级配公式和表征级配 曲线特征的分形维数d 。国内外学者在以上理论的基础上从不同的角度纷纷展开级配 优化研究。 法国公路管理局在总结一系列研究成果的基础上，于2 0 世纪9 0 年代初制定了一 套与性能相关的沥青混合料设计规范体系【5 】，根据不同情况将混合料设计分为4 个水 平，水平l 是应用s g c 进行体积设计，后3 个水平的设计分别依据交通量、混合料所 应用的路面结构层及道路的重要程度等进行选择。澳大利亚也开发了一种基于使用性 能的沥青混合料设计方法【6 】，由于车辙是澳大利亚路面的主要破坏方式，该法利用车辙 试验和抗辙密度试验来评价沥青混合料高温性能。 国内的主要有王林【刀提出多级嵌挤密级配级配设计方法，沙庆林【8 】提出的s a c 和 其他粗集料断级配的矿料级配设计方法级配计算方法等。长安大学周卫掣9 】提出以提高 沥青混合料高温抗车辙能力及抗水损害能力为目标，以g t m 为成型方法、g s i 即抗变 形能力变化的突变点为g t m 新的设计指标，以路用性能取代体积参数作为判据对连续 级配沥青混合料的特定级配进行优化设计研究。并在散体强度理论的基础上提出沥青 混合料配合比设计计算方法，通过路用性能试验验证其可行性。虽然该研究在散体强 度理论的基础上提出了新的g t m 设计指标，但是没有对沥青混合料进行微观结构分 析，缺乏能够指导沥青混合料组成设计的理论基础。再者，基于强度理论的沥青混合 料配合比设计计算方法中的各参数取值及范围是否合理还有待于商榷。长安大学钱华 第一章绪论 【1 0 】借鉴日本k o i c h i 等人的研究成果提出了一种以a m 、a p 为指标与路用性能相关的 s m a 配合比设计方法且通过课题证明了该方法的实用性和可行性。并根据影响a m 、 a p 指标的不同因素进行相应的指标调整。虽然该方法改善了s m a 级配选择和沥青用 量确定方法，通过变化设计过程中的一些参数就可以完成相应的级配设计，很大程度 上简化了级配设计，但是该级配设计方法仅适用于s a m 混合料，缺乏普遍适用性。高 丹盈等【l l 】借鉴s a c 矿料级配的计算和检验方法，探讨了骨架密实型沥青混合料矿料级 配的设计与优化方法。提出了矿料级配计算时描述粗集料级配曲线的幂函数应具有较 大的幂值，描述细集料矿料级配的幂函数应具有较小的幂值。由这两段曲线组成的中 断级配曲线即为一条经过初步检验的级配曲线。借助各种数值计算软件采用数值法取 代传统的矿质原材料组成设计方法进行配比设计。通过对设计和检验方法的优化达到 级配优化的目的。赵战利【1 2 】引入分形概念，对原材料形状、各组分构成、表面特征和 抗滑性能的描述与评价的不规则性从一个全新的角度来描述和解释，并确定其相应的 指标。其中采用分形维数d 对级配特征进行量化，通过对比矿料级配的分形特征及相 应马歇尔试验结果，分析级配走向与潜在性能之间的关系。在矿料级配走向特征和稳 定性研究的基础上，提出适用于不同环境下的基于分形特征的矿料级配选取方法、矿 料级配稳定性的s g c 评价方法。李平【1 3 】使用级配形状和关键筛孔通过率对级配特征进 行了评价，证实了幂指数回归参数能有效评价级配特征，并与混合料性能建立良好关 系。 ( 2 ) 集料颗粒分析 s u p e r p a v e 设计指南中采用a s t md 5 8 2 1 ( p e r c e n to ff r a c t u r e dp a r t i c l e si nc o a r s e a g g r e g a t e ) 和a s t md 4 7 9 1 作为粗集料形状特征的试验方法。该方法通过目测，逐颗判 断挑出粗集料中一个或两个破碎面( 破碎面积大于颗粒最大横截面积的1 4 者定义为破 碎面) 的颗粒，然后分别计算一个破碎面颗粒的质量百分数及两个破碎面颗粒的质量百 分数。针片状颗粒含量和破碎面颗粒含量试验分别对单个颗粒形状特征做了定量、直 接的测量，由于是面向颗粒级的试验，工作费时费力，且结果人为因素大，并不准确。 我国规范对沥青混合料用粗集料还没有相应的试验方法和技术指标。欧洲除了测定破 碎面积外，更习惯采用另一个试验方法作为专门的棱角性试验，即法国的n f1 8 5 6 4 ： 将一漏斗放在一个频率5 0 h z 、振幅0 5 m m 的振动台上，将一定体积的各种规格的粗集 料放入漏斗中，在打开开关的同时开始计时，在振动条件下由斜槽全部漏出粗集料的 秒数作为该粗集料的粗糙度指标。这一方法实际是用时间间接反映粗集料形状和表面 4 长安大学硕士学位论文 纹理的共同作用。 粗集料形状特征除了上述试验方法外，还有三种常用于研究目的方法：a n g u l a r i t y n u m b e r ( b s 8 1 2 ：p a r t1 ) 、i n d e xo f a g g r e g a t e p a r t i c l es h a p ea n dt e x t u r e ( a s t md 3 3 9 8 ) 、 u n c o m p a c t e dv o i d si nc o a r s ea g g r e g a t e ( a a s h t ot p 5 6 ) 。这三种试验方法都是通过粗集 料的堆积特性来综合评价粗集料的形状特征和表面纹理，具有定量、准确的特点，但 也只能间接反映粗集料的形状特征。 随着数字图像技术不断的发展和完善，加上现有方法的局限性，国内外学者纷纷 采用该技术深入研究集料颗粒的微观特征，并将微观特征与宏观性能相联系。z h o n g q i y u e 、c em o r a 、e y a d m a s a d 等学者采用图像处理技术( d i p ) 技术研究沥青混合料 中集料的尺寸、分布、形状等特征，张肖宁等【1 4 j 采用d i p 技术研究了不同成型方法对 沥青混合料的体积特性与粗集料分布特征的影响。由于图像测试方法的限制，通过数 码拍照或c t 扫描方式获得的二维截面信息并不能全面地体现集料的三维特征。在近十 年的国内外研究中已经开发了很多用于图像处理技术的图像采集设备和应用软件。这 些图像处理应用软件主要包括两个部分，图像获取和图像处理分析。通过图象处理分 析的计算模块来提取图像中的需求信息：集料的尺寸、形状特征、纹理以及级配等。 其中较为典型的图象处理系统是华盛顿州立大学与美国陆军工程师共同开发的“a i m s ( a g g r e g a t ei m a g i n gs y s t e m ) 和美国伊利诺依州大学( uo f i ) 的“图象分析器 。 u i a i a 调整的校准因数为1 = 1 5 8 6p i x e l s 或1p i x e l = 0 0 0 6 3 0 5 。由于同一产地的集料 比重是一个常量，体积比等效于质量比。这就是说，满足给定试验标准的颗粒质量百分 数等效于在准确计算体积条件下满足相同标准的体积百分数。u i a i a 利用颗粒的体积百 分比得到级配、扁平状和针片状颗粒的比例。 b u t t o n & l y t t o n 在研究集料形状和表面纹理时给出了一个“分数维 的概念。其研 究假定纯平面的是二维，立方体的是三维，那么客观上所有集料的维数都应该是2 3 之间的某个数。该值越大，说明集料的角粒性越好。应用摄影、摄像技术及灰度、对 比色理论，测定出一般粗的河砾石维数n = 2 3 4 ，压碎的石灰石石料n - - 2 4 6 。 沈卫国【l5 】等以散粒体分形模型为基础，推导了沥青混合料矿料分布函数。认为沥青 混合料的矿料分形维数主要由0 0 7 5 m m 以下颗粒的多少决定。0 0 7 5 m m 以下颗粒越多维 数越高，反之越少。通过对最大工程粒径为1 9 的几种沥青混合料的级配组成进行比较。 发现分形维数的相关性越高，集料级配越连续。分形维数越高，集料越细。分形维数和 相关性可以作为集料级配评价的量化指标。唐明，巴恒静【1 6 】认为沥青混凝土具有复杂的 第一章绪论 微观结构，是一种多级多层次的复合材料体系，尤其是其骨料的级配具有突出的自相似 性。 杜少文【1 。7 】等编译的，使用三维成像系统伊利诺伊大学集料图像分析仪( u 认i a ) ， 根据已建立的u i a i a 试验方法，由粗集料颗粒图像分别定义出基于成像技术的集料三维 形状、尺寸、棱角性和表面构造指数。应用统计学方法，结合图像分析确定了4 类常用的 粗集料形状特性数据。指出了粗集料基于成像的棱角性和表面构造指数之间存在的确定 性关系，并且将它们联系到实验室和现场沥青混合料的使用性能。p a n 等研究表明n c a t 环道的4 6 个断面的沥青混合料使用性能数据与u i a i a 定义的f & e 比率、a i 和s t 指数有密 切关系。n c a t 环道断面车辙深度与粗集料的3 种形状指数都具有较高的相关系数。p a n 等认为统计学上表面构造指数s t 与n c a t 环道的车辙数据相关性最好。 肖源杰，倪富健等【l8 】利用图像分析技术和所建立的一系列基于图像的指标对粗集料 形态进行了量化，进而分析了其对s a c 1 6 型沥青面层混合料抗剪性能的影响，结果表明： 图像分析技术是直接、客观地测量集料形状特征的强有力工具，粗集料自身的物理特性 如外观几何形状、棱角性、表面粗糙度和纹理性是沥青混合料抗剪性能的直接影响因素， 必须控制粗集料的轮廓形状、棱角性和表面纹理指标于适当的范围，以控制混合料中扁 平、棱角性尖锐和表面粗糙颗粒的含量。 长安大学，谢兆星【1 9 】选用a c - 1 3 f 、a c - 1 3 c 和s m a - 1 3 等三种典型的沥青混合料， 在保持细集料、矿粉、沥青品种、油石比和矿料级配不变的条件下，采用不同针片状含 量的粗集料，研究针片状颗粒对沥青混合料的体积性质、水稳定性、高温稳定性、抗疲 劳性和集料破碎率的影响规律。在研究天然砂含量对混合料的影响时，首先选用细集料 未压实空隙率、流动时间和c a r ( c o m p a c t e da g g r e g a t er e s i s t a n c e ) 三种方法，对细集 料棱角性评价标准进行研究；其次，选用沥青混合料a c 一1 3 f ，在保持粗集料、矿粉、 沥青品种、油石比和矿料级配不变的条件下，采用不同棱角性的天然砂，研究细集料特 性对沥青混合料的体积性质、水温度性、高温稳定性和抗疲劳性的影响。 综上所述，国内外对集料几何特性对混合料性能影响的研究已取得了一定的成果， 也为本论文提供了必要的理论基础和经验指导，但是这些研究成果没有具体地针对集料 几何特征，量化几何特征对混合料高温性能的影响作用及规律，同时也没有将级配与集 料几何特征综合考虑进行混合料设计优化，缺乏全面性和系统性。所以在此基础上全面、 系统地开展集料几何特性对沥青混合料性能影响的研究十分必要。 6 长安大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容与思路 本文借助数字图像处理技术研究沥青混合料的集料形状特征，提出具体的集料颗 粒图像处理方法和技术，建立微观指标的量化体系。研究现有的级配量化理论，推荐 出既表征级配走向又能反映混合料性能的量化指标。通过混合料性能试验，建立量化 的微观指标与宏观性能的联系。从而寻找不同的集料颗粒形状、不同级配对混合料路 用性能的影响规律。对级配设计、调整和施工选材具有指导性意义。具体研究内容如 下： ( 1 ) 集料颗粒图像获取 本文在华盛顿州立大学与美国陆军工程师共同开发的“a i m s ( a g g r e g a t ei m a g i n g m e a s u r e m e n ts y s t e m ) ”和美国伊利诺依州大学的集料图像分析仪( u i a i a ) 的基础上， 在保证光源均匀的条件下，结合课题需要自主开发了图像采集仪。该仪器可实现批量 采集集料颗粒的图像，可获得理想的集料颗粒图像。 ( 2 ) 集料颗粒形状特征量化 简单介绍图像处理的一般常用方法及原理，采用i p p 和p h o t o s h o p 图像处理软件， 提出表征集料形状特征的指标，包括单个集料颗粒形状特征的个体指标和集料群体形 状特征的总体指标。 ( 3 ) 级配曲线量化方法研究 在研究现有级配理论的基础上，分析各种级配理论下表征级配特征的指标对曲线 走势变化的敏感度，及其与混合料宏观性能指标的相关性。通过对比论证提出能够较 好地反映级配曲线本身特性及其混合料特性的级配曲线的量化指标。 ( 4 ) 集料形状特征与沥青混合料高温性能指标的联系 本文在级配类型一定的前提下，对不同针片状颗粒含量下的沥青混合料进行汉堡 车辙试验，研究每种集料颗粒形状特征对沥青混合料高温性能的影响作用及规律。 ( 5 ) 沥青混合料内部结构特征研究 采用c t 断层扫描技术对沥青混合料试件内部结构进行研究，分析不同针片状含量 下沥青混合料试件内部结构特征的差异。主要分析沥青混合料试件中粗集料颗粒及空 隙率的分布情况。在体视学原理的基础上，从二维截面信息得到粗集料级配。 ( 6 ) 基于混合料性能评价模型的级配优化方法 集料颗粒形状特征和级配特性是混合料集料组成的宏观和微观两个层面的主要因 素。结合上述各部分研究结果，分别从集料与级配两方面提出混合料设计具体的优化 措施。 7 第二章基于数字图像处理技术的沥青混合料矿料颗粒的量化 第二章基于数字图像处理技术的沥青混合料矿料颗粒的量化 如何量化矿料颗粒几何特性，是研究集料形状特性对沥青混合料性能影响的前提。 通过对目前规范中粗集料形状特征试验方法的分析可知，针片状颗粒含量和破碎面颗 粒含量试验分别对单个颗粒形状特征做了定量、直接的测量，由于是面向颗粒级的试 验，工作费时费力，它们的实质都是用间接指标来反映粗集料的形状特征，无法抽取 单个特征的信息。现有方法的局限性，促使人们考虑吸取一些新的研究技术用于粗集 料的形状特征的量化，这其中就包括数字图像处理技术。数字图像处理技术作为本文 研究的主要工具，首先简单介绍数字图像的获取、处理方法，重点介绍本研究自主研 究开发的图像采集仪。在此基础上对集料几何特性( 主要指粒形、粒径及表面纹理等) 进行定性、定量描述，提出能够表征颗粒几何特性的数值指标。 2 1 数字图像处理技术概述 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) ，是指将图像信号转换成数字信号并利用 计算机对图像进行去除噪音、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。计 算机和其它各有关领域的迅速发展，如在图像表现、科学计算可视化、多媒体计算技 术等方面的发展，以及各学科的相互补充和相互渗透，促使数字图像处理技术迅猛发 展，使其应用范围更加广泛，从一个专门的研究领域变成了科学研究和人机界面中的 一种普通应用的工具。 数字图像的处理技术主要包括以下内容：图像复原、图像增强、图像重建、图像 编码和压缩、图像识别、几何处理、算数处理等。早期图像处理的目的是改善图像质 量，提高人的视觉效果。图像增强、复原、编码、压缩等是常用的图像处理方法。数 字图像处理技术获得的另一个巨大成就是在医学领域。x 射线计算机断层摄影装置， 即c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h ) 根据人的头部截面的投影，经计算机处理重建截面图像， 称为图像重建。近年来，c t 技术己被广泛应用于土体、岩石及沥青混合料的内部结构 分析中。并结合a b a q u s 、a n s y s 、f r a c e 2 d 等有限元分析软件，不仅可以有效地 再现沥青混合料的微观结构，分析集料形状、分布特征和级配，同时可以采用有限元 软件固有的材料本构关系根据沥青胶浆的力学特性推导材料的本构关系，将沥青混合 料的微观结构和粘弹性力学行为建立联系。但是，由于在研究中多采用扫描仪或数码 相机等光学仪器作为成像手段，使得在图像中无法从颜色上区分空隙率和沥青胶浆， 导致对沥青混合料性能影响较大的空隙率及其分布研究较少。随着计算机技术的不断 8 长安大学硕士学位论文 发展和相关软件的开发完善，数字图像处理技术成为沥青混合料微观研究的重要工具 和手段。 数字图像处理技术具有诸多优点，再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高、 信息压缩的潜力大等。但是其发展的过程中也存在一些限制因素。数字图像处理的信 息多是二维信息且信息量大，因此对计算速度和存储容量要求较高。而图像是三维景 物的二维投影，其本身不具备重现三维景物全部几何信息的能力，物体的空间几何信 息在二维图像上是反映不出来的。因此，利用二维图像模拟重现三维景物时必须要作 一定的假设或附加新的测量方法。 2 2 沥青混合料矿料颗粒的数字图像的获取与处理 对图像中的目标进行研究时，采用何种设备可获得便于处理的数字图像，通过何 种技术可消除图像中的干扰因素而突出感兴趣的目标，是提取图像信息的前提。本文 在此介绍研究中所用的数字图像的获取过程与处理方法。 2 2 1 矿料颗粒数字图像的采集设备 目前常用的数字图像的获取设备有：扫描仪、c c d 相机、c m o s 相机等，其中c c d 相机的技术已经很成熟，且具有使用方便灵活及性价比较高等优点，因此本文采用索 尼数码相机。但是采用c c d 相机时，要考虑到光照的影响，不均匀的光照和阴影会造 成后期基于图像灰度分割时界限模糊，进而产生较大的误差。为了克服不均匀光照和 阴影的影响，有必要采用多个线光源的照明设备，并将相机固定在相机架上拍摄以增 强拍摄的效果。 数字图像获取过程的关键是保证图像的均一性，所有需要进行对比分析的不同截 面图像的获取都要保证相同的分辨率、表面的光照亮度均匀。显然采用普通的照相方 式很难保证每次拍照的光照和图片的分辨率都相同，因此需要采用一定的仪器设备满 足以下要求： a 光线均匀，不产生阴影： b 背景颜色与集料颜色差别显著，且不反光； c 设置标准尺寸，统一测量单位； d 能够获得集料至少两个面的尺寸，平面和立面。( 可以获得集料l 、w 、t ，即集 料颗粒的最长尺寸、次长尺寸和最短尺寸) 国内外学者根据以上条件，结合自身的研究内容，纷纷研发了构造形式不同，但 9 第二章基于数字图像处理技术的沥青混合料矿料颗粒的量化 原理基本相似的图像采集设备。该设备主要由获取数字图像的相机、提供均匀光线的 光源、放置被拍摄物体的平台和计算机存储设备及相关分析软件四大部分构成。其中 较成功且颇具影响力的设备有： ( 1 ) a i m s ( a g g r e g a t ei m a g i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m ) 图2 1 集料图像测量系统 a i m s 是由华盛顿州立大学与美国陆军工程师共同研制开发出的，如图2 1 所示。 该系统可实现自动跟踪获取每个颗粒的图像信息，并直接存储在计算机内。计算机内 置的图像分析软件可按照拍摄顺序逐一分析颗粒的数字图像。a i m s 主要具有以下功 能： 集料形状特征分析 该系统可自动获取每个颗粒的数字图像并分析其形状特征，主要包括棱角性、扁 平率和表面构造特征。 棱角性和表面构造特征的分布图 a i m s 可输出集料的棱角性和表面构造特征的分布图，可更形象更直观地表示出不 同产地、不同质地集料颗粒棱角性和表面构造特征的分布规律，如图2 2 和图2 3 所示。 扁平率分布图 a i m s 可获得集料颗粒的形状比例，并以分布图的形式清晰地表示出。如图2 4 、 2 5 所示。 1 0 长安大学硕士学位论文 瞪 图2 2 棱角性分布图图2 3 表面构造特征分布图 图2 4 扁平率分布图 图2 5a i m s 图像采集平台 ( 2 ) 美国伊利诺伊大学的集料图像分析仪( u i a n ) 图2 6 集料图像分析仪 u i a i a ( u n i v e r s i t yo f i l l i n o i sa g g r e g a t ei m a g ea n a l y z e r ) 是用于测量粗集料尺寸和 形状特征的一种集成的三维系统，从三个相互垂直的视角对一个集料颗粒成像，可得到 集料颗粒的扁平率、棱角性指数和表面构造指数。由伊利诺伊大学主持的研究项目表明， 这些指标与实验室测得的沥青混合料强度数据和室外车辙性能数据之间有较好的相关 1 l 第二章基于数字图像处理技术的沥青混合料矿料颗粒的量化 性。 国内相关的设备有长安大学的汪海年【2 0 1 自行研制的粗集料形态特征研究系统 ( m a s c a ) ，如图2 7 ，和湖南大学林辉【2 1 1 设计的逆光箱”，装置示意图2 8 。 电脑及图像 处理系统 i 粗集料 数码相机 逆光箱 图2 9 图像采集仪器 该仪器由框架、试样台、照明系统和相机四部分组成，可实现平面和立面同时拍 照，具有如下优点。 ( 1 ) 保证光源的均匀性。在仪器底座对角线位置安装了两个点光源，光源投射位 置和角度可根据拍摄物体的大小和位置自己调节，随时保证被拍摄物体上的光线均匀， 且不产生投影。 ( 2 ) 可同时获得颗粒的两个投影面图像。在仪器的两个不同位置分别设计了相机 架，用于拍摄不同角度的颗粒投影图。用于平面拍照的相机位于横梁上，通过调整横 1 2 长安大学硕士学位论文 梁的高度可实现相机的上下移动，而相机在横梁的卡槽内可左右移动。拍照时可根据 需要调整。用于立面拍照的相机架位于与试样台同一水平面上，拍摄方向与横梁垂直。 通过调节试样台下面的伸缩杆可以调节相机与物体的距离。此相机架也可上下移动， 根据拍摄物体的大小、规模和相机的参数调整相机的高度和距离。两个不同位置的相 机可分别得到集料颗粒的立面、正面投影图，更全面地展示了集料的形状特征。 ( 3 ) 操作简便、灵活。该设备轻巧灵活，可方便移动。操作时只需调节好相机和 灯光的位置即可。 ( 4 ) 实用性广。除了获取集料颗粒图像外，该设备还可对s g c 试件截面和路面 芯样截面进行拍照，适用性广。 2 2 2 数字图像处理方法 数字图像处理，即用计算机对图像进行处理，定义为：对一个物体的数字表示施 加一系列的操作，以得到所需要的结果。数字图像处理是将图像转换成数据矩阵存放 于计算机中并对其进行滤波、增强、删除等处理，包括图像输入输出技术、图像分析、 变换与处理技术及图像识别与特征提取等方面。 计算机图象处理采用空域法和变换域法两大类方法。前者着重在图像空间中对图像 进行各种处理；后者则是把空间图像经过正交变换，如经过傅立叶变换，变到频率域， 在频率域进行各种处理，然后再变回到图像空间，形成处理后的图像。 数字图像处理的基本流程如下图： 乳q e dc a n 帅 f ml e 嵋e ) 铆1 2 甜 。毗c 甜- 帅r o m t t 固 广厂l j l 一 t 田 o p e ：霜 t 口m o e 图2 1 0 图像处理的流程 数字图像处理的基本步骤： 数码图像的获取。要保证光照均匀，使整个目标图像的明暗度一致。这样才能 保证在后续的二值化过程中对一幅图像采用同一个阈值。 j 3 冀偿圆嚣瑶一 第二章基于数字图像处理技术的沥青混合料矿料颗粒的量化 图像的灰化。将获得的彩色数码图像转化为由“黑 到“白 只有从0 - 2 5 5 这 2 5 6 个整数的灰度级的黑白图象，便于进行二值化( 二值分割) 。沥青背景由于较“黑”， 灰度多集中在靠近o 的数值，而石灰石集料则反之。 图像二值化。将步骤2 获得的灰度图像划分为仅仅有o 和2 5 5 这两个级别的黑 白图象。而阈值则为编程过程中划分的依据，当某个象素点的灰度小于阈值时就判别 为沥青背景，反之则判为集料。 图像分析。采用适当的算法提取感兴趣的参数。 虽然现在市面上推出了各种操作简单、功能多样、使用面广的数字图像处理软件， 但是没有专门用于沥青混合料和矿料颗粒的图像处理软件，大部分研究者都是利用现 有软件的某些功能，或在已有图像处理软件的基础上利用计算语言根据课题的需求进 行二次开发。本文采用p h o t o s h o pc s 和i p p 软件的某些功能对数字图像进行处理，在 i p p 提供的某些测量和计算功能下对所得数据进行二次运算，得到本研究期望的数据结 果。在此对论文中所用的主要的图像处理方法进行简单介绍。 ( 1 ) 图像增强 图像增强主要是为了改善图像的视觉效果提高图像的清晰度和突出图像中研究者 感兴趣的信息特征，便于计算机处理。该技术主要解决集料颗粒数字图像中存在的下 列问题：由于本研究开发的图像采集设备采用两个角度的点光源，无论拍摄时如何 调节灯光位置，仍避免不了图像光照不均匀的问题。拍摄过程中引入的人为噪音以 及在传输、处理中引入的噪音也难以避免，所以需要特殊处理对其进行减弱或消除。 2 号相机采集矿料颗粒立面图像时，会在颗粒侧后方产生阴影，因此需要进行图像预 处理消除阴影的影响。图像增强处理方法主要采用直方图修正、图像平滑和图像锐化。 ( 2 ) 图像分割 将数字图像划分成互不相交( 不重叠) 的区域，把物体从背景中检测、分离出来 的过程称为图像分割。对本研究而言，图像分割主要是以集料颗粒为目标，将其从图 像中提取出来，便于被测量和分类。图像分割技术主要基于区域法、边界法和边缘法 这三种原理来实现。 ( 3 ) 图像特征提取 图像分割后要对集料颗粒进行度量，以实现对物体的一些重要特征进行定量估计 的目的。图像处理软件中的测量功能都以像素为单位进行度量。有些特征可以直接测 量得到，而有些特征需要经过形态学变换突出需要的信息才可提取。本文