（计算机应用技术专业论文）基于数字图像的沥青混合料级配检测技术研究.pdf

摘要 沥青路面是我国高等级公路的主要型式，沥青混合料的级配是影响沥青路面使用性 能的主要因素，是沥青路面施工质量过程控制中的重要检测内容。传统的检测方法操作 程序复杂、费力费时，并且检测结果受人为因素的影响较大。因此，实现沥青混合料的 级配的快速、智能检测，具有重要的现实意义。 本文将数字图像处理技术应用到沥青混合料级配的自动检测中，对沥青混合料数字 图像变换、增强、复原、分割，以及沥青混合料数字图像的特征描述与分析、数学形态 学在沥青混合料二值图像中的应用做了深入的研究。 本文设计了用于采集沥青混合料数字图像的硬件装置，并且在应用m a t l a b 7 0 对沥 青混合料数字图像处理的基础上，对沥青混合料级配自动检测系统进行了编程实现。 文中对沥青混合料集料颗粒区域的面积、灰度均值、标准差、最小灰度、最大灰度、 质心、周长、最小外接矩形、拟和椭圆( 长轴长度、短轴长度、倾斜角) 、圆形度等特 征进行了提取，然后依据集料颗粒的面积、复原球体体积和复原椭球体体积分别计算了 沥青混合料各粒级集料颗粒的通过率，并自动绘制出了沥青混合料的级配曲线。 文中针对检测的细集料颗粒的比例与设计值相比偏小，粗集料颗粒的比例与设计值 相比偏大的情况，将细集料和粗集料的级配检测结果分别与设计级配进行分析，得出细 集料级配与设计值相比偏小、粗集料颗粒级配与设计值相差不大。对于检测误差的来源 以及误差补偿的方法，也进行了分析与描述。 关键词：沥青混合料，级配，数字图像处理，图像分割，图像复原，数学形态学， 图像增强，最小外接矩形 a b s t r a c t t h ea s p h a l tp a v e m e n ti sm a i np a t t e r no ft h eh i g h w a yi no u rc o u n t r y t h eg r a d a t i o no f a s p h a l tm i x t u r ei st h ep r i m a r yf a c t o rt h a ta f f e c t st h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l t p a v e m e n t ，a n dt h u si st h ei m p o r t a n tt e s tc o n t e n ti nt h eq u a l i t yp r o c e s sc o n t r o lo fa s p h a l t p a v e m e n tc o n s t r u c t i o n t h et r a d i t i o n a lt e s tm e t h o di so p e r a t i o n c o m p l e x ，t i m e - c o n s u m i n g ， a n dt h et e s tr e s u l ti s o b j e c tt ot h eh u m a ne r r o r s t h e r e f o r e ，t h er e a l i z a t i o no ff a s t a n d i n t e l l i g e n t t e s tf o r t h e g r a d a t i o n o ft h ea s p h a l tm i x t u r eh a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra p p l i e st h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h eg r a d a t i o na u t o m a t i c d e t e c t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r ea n dm a k e st h o r o u g hr e s e a r c ht ot h ea s p h a l tm i x t u r ed i g i t a l i m a g et r a n s f o r m a t i o n ，e n h a n c e m e n t ，r e s t o r a t i o n ，s e g m e n t a t i o n ，a sw e l la st h ea s p h a l tm i x t u r e d i g i t a li m a g ec h a r a c t e r i s t i cd e s c r i p t i o na n da n a l y s i sa n dt h ea p p l i c a t i o no fm a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g yi nt h eb i n a r yi m a g eo fa s p h a l tm i x t u r e t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h eh a r d w a r ee q u i p m e n tt oo b t a i na s p h a l tm i x t u r ed i g i t a li m a g e ， a n do nt h eb a s i so fs o m ei m a g ep r o c e s s i n gb yu s i n gm a t l a b 7 0 ，i tc a r r i e so nt h ep r o g r a m m i n g r e a l i z a t i o nt ot h eg r a d a t i o na u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e mo ft h ea s p h a l tm i x t u r e i nt h ep a p e r , i te x t r a c t ss u c hc h a r a c t e r i s t i ca st h ea r e a ，m e a ng r a yv a l u e ，s t a n d a r dd e v i a t i o n ， m i na n dm a xg r a yv a l u e ，c e n t r o i d ，p e r i m e t e r , m i n i m u me n c l o s i n gr e c t a n g l e ，f i t t i n ge l l i p s e ( m a j o r a x i sl e n g t h ，m i n o ra x i sl e n g t h ，a n g l e ) ，c i r c u l a r i t yo ft h ea s p h a l tm i x t u r ea g g r e g a t ep a r t i c l e r e g i o n ，t h e na c c o r d i n gt ot h ea g g r e g a t ep a r t i c l ea r e a , r e s t o r e db a l lv o l u m ea n d r e s t o r e de l l i p s e s p h e r o i dv o l u m e ，i ts e p a r a t e l yc a l c u l a t e st h ep a s s i n gr a t eo ft h ea g g r e g a t ep a r t i c l e so ft h e a s p h a l tm i x t u r e i ne a c hg r a d ，a n dd r a w su pt h eg r a d i n gc u r v eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e a u t o m a t i c a l l y c o n s i d e r i n gt h a tt h ep r o p o r t i o no ff i n ea g g r e g a t ep a r t i c l e s i sal i t t l es m a l l e rt h a nt h ed e s i g n v a l u ew h i l et h ep r o p o r t i o no fc o a r s ea g g r e g a t ep a r t i c l e si ss l i g h t l yb i g g e rt h a nt h ed e s i g n v a l u e ，t h ep a p e rc a r r i e so nt h ea n a l y s i so fd e t e c t e dg r a d a t i o no ff r e ea g g r e g a t ea n dc o a r s e a g g r e g a t es e p a r a t e l yw i t ht h ed e s i g nv a l u e ，a n do b t a i n st h a tt h ed e t e c t e dg r a d a t i o no ff i n e a g g r e g a t ei ss m a l l e rt h a nt h ed e s i g nv a l u et oc o m p a r e ，b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e t e c t e d g r a d a t i o no fc o a r s ea g g r e g a t ea n dt h ed e s i g nv a l u ei sn o tb i g f u r t h e rm o r e ，i tc a r r i e so nt h e a n a l y s i sa n dt h ed e s c r i p t i o nt ot h ee r r o rr e s o u r c ea n d e r r o rc o m p e n s a t em e t h o d s 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 ；i m a g es e g m e n t a t i o n ； i m a g er e s t o r a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ；i m a g ee n h a n c e m e n t ；m i n i m u me n c l o s i n g r e c t a n g l e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：孑肌 7 年6 月7 e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弓超凡 导师签名： 孙珲j 8 汤 2 0 0 7 年6 月7 日 7 。7 年6 月oe l 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 沥青路面及沥青混合料的级配 沥青路面是由以沥青材料作为结合料粘结矿料而修筑的面层与各类基层和垫层所 组成的路面结构。沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨性好、振动小、噪 声低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点，获得了越来越广泛的应用。 沥青路面是我国高速公路的主要路面型式【1 1 。随着我国国民经济和现代化道路交通运输 的需要，沥青路面必将得到更大的发展。 沥青路面混合料的矿料组成称为沥青混合料的级配。沥青混合料主要是指未经摊 铺、压实的沥青混凝土混合料和沥青碎石混合料。沥青混凝土混合料是由适当比例的粗 集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料与沥青拌合而制成的符合技术标准的沥 青混合料。 沥青混合料可因矿料级配的不同而构成不同的结构，不同的结构将会影响到沥青混 合料的路用性能。一个良好的矿料级配组成，应该是在热稳定性容许的条件下矿料空隙 率为最小，以及为保证有足够的裹覆沥青所需的结构比表面积，以保证矿料之间处于最 紧密的状态，并为矿料与沥青之间相互作用创造良好条件，使沥青混合料最大限度的发 挥其结构强度的效应，从而获得最好的使用品质【1 1 。 沥青混合料的级配组成决定了沥青路面的路用性能，包括高温稳定性、低温开裂性， 等等。由于沥青混合料级配的决定性作用，沥青路面的施工过程中为了控制施工质量， 一个常规的试验检测项目就是所使用的沥青混合料的级配。 1 1 2 传统的沥青混合料级配检测方法及其缺陷 现行的沥青混合料的级配检测，主要包括沥青含量的测定、各档集料的分离与质量 的测定。 沥青含量是沥青质量在沥青混合料总质量中的比例，当采用油石比计算时，它表示 沥青质量与沥青混合料中的矿料总质量的比例，均以质量百分比表示。对于路面已使用 的沥青混合料中沥青含量的检测经常采用抽提法( 离心式抽提仪和回流式抽提仪) 和燃 烧法。 离心式抽提仪，既适用于沥青厂的新拌沥青混合料，也适用于旧路采取的混合料试 1 第1 章绪论 样，是现行规范规定的标准实验方法。离心式抽提仪近年来国内已有较多引进，其构造 大体相同。用离心法抽提的沥青溶液中，不可避免的会混入少量能通过滤纸的细矿粉成 分。为精确测定沥青用量，一般试验中规定了用压力过滤器回收沥青抽提液中矿粉的方 法，当无压力过滤器时，可用燃烧法测定。在实际使用时，同一种混合料用同一台仪器 测定的矿粉泄漏情况大体上变化不大时，也可以不必每一次都进行此项试验，只需参考 已有数据作少量修正。 回流式抽提仪是前些年我国使用最为普遍的沥青含量实验方法，但是由于其耗时 长，准确性也差，不能很好的指导生产，近年来已有许多新方法代替。但该方法目前不 可能全部取消。该方法适用于测定使用煤沥青的沥青混合料中的沥青含量。用回流式抽 提仪测定沥青含量时，泄露入抽提液中的矿粉数量较之离心法的更多。这也是以往测量 误差较大的原因。 燃烧法是近年来国内开始采用测定沥青含量的方法，但尚未正式定为标准。国内引 进已有多台，也有厂商开始生产这种仪器，但对其使用效果反应不，有的认为简单方 便，有的认为根本不行，并发现有的石料经燃烧后有崩解破裂等情况，已搁置不用。 另外使用的沥青测量的方法还有脂肪抽提仪法( 即国外的s n o x h l e t 抽提仪) 和抽提 筒法。 沥青混合料中各档集料的分离与测定主要是用摇筛机对沥青抽取后的集料摇筛后 测得【3 5 1 。沥青混合料中的矿料组成试验是沥青路面施工时重要的质量检查项目。它用于 沥青混合料抽提沥青含量后的回收矿料的筛分试验，以检验其组成是否符合设计要求。 国外在评定沥青路面施工时的矿料级配时，般在质量要求中并不规定对全部筛孔进行 筛分、检验，而注重于关键筛孔的质量检验，以减少工作量。所以近年来我国引进的沥 青抽提一矿料筛分一溶剂回收自动化联合测定装置中，摇筛机上只能装5 个标准筛。在 近几年修筑的高速公路指标条件质量要求中，最重要的是3 个孔筛，一个是o 0 7 5 m m 控 制矿粉含量，一个是2 3 6 m m 控制细集料含量，一个是4 7 5 m m 控制粗集料含量。另两 个筛孔则无明确规定，一般试验为统一起见规定了必须有o 0 7 5 m m 、2 3 6 m m 、4 7 5 m m 及集料最大粒径等筛孔，另外再根据混合料类型选用一个适应的筛孔。只要这些筛孔的 通过量控制合格，则沥青混合料的各个矿料级配筛孔就不会有大的出入，其余筛孔可不 必再行筛分。当然根据要求也可以将全部筛孔过筛筛分，因此这些筛孔规定为至少应选 择的筛孔。筛分的具体步骤与一般的集料筛分实验方法相同，特别要注意不能忽略在抽 提过程中泄漏的矿粉。 2 长安人学硕上学位论文 以上方法存在的缺点是操作复杂、花费时间长、所获取的数据精度不高并且试验数 据严重依赖于操作者的试验水平。对于沥青混合料的矿料集料颗粒的有些参数，如棱角 性和针片状颗粒等，仅仅依靠筛分还不能确定，需要额外的试验。此外在测定沥青含量 采用抽提时由于是使用有机物，容易对人体产生伤害，而采用燃烧法时会污染环境。 1 1 3 数字图像处理技术 图像是自然生物或人造物理的观测系统对世界的记录，是以物理能量为载体，以物 质为记录介质的信息形式【4 1 。 数字图像处理亦称为计算机图像处理，指使用计算机加工处理图像以获得所需要的 信息或信息形式。数字图像处理具有精度高、具有可再现性、处理内容丰富、可进行复 杂的非线性处理等优点。数字图像处理大体上包括5 个方面的内容：图像信息获取、图 像信息存储、图像信息传输、图像信息处理、图像输出与显示3 1 。图像处理技术广泛应 用于众多的科学与工程领域，如：遥感、工业检测、医学、气象、侦查、通信和智能机 器人等。 1 1 4 基于数字图像的级配检测方法的提出 由于传统的级配检测方法所存在的固有缺陷，提出了将图像处理技术应用于沥青道 路材料的测试过程，从而实现沥青混合料级配的自动检测。 1 2 国内外研究现状及存在问题 基于数字图像处理技术的沥青混合料级配检测技术的研究，主要包括单个集料特征 的检测技术，多个集料的级配检测技术以及利用沥青胶结后的混合料级配检测。 1 2 1 国内研究现状 基于数字图像处理的沥青混合料级配检测技术研究在国内还处于刚刚起步阶段，仅 有少数的几家单位正在对其进行研究探索。 华南理工大学的张肖宁教授针对目前沥青混合料设计与生产领域的技术现状，在分 析s u p e rp a v e 沥青混合料体积组成设计特点及存在问题的基础上，提出采用数字图像处 理技术研究沥青混合料的体积组成特性【2 2 1 。重点研究了采用c c d 技术获取沥青混合料 体积组成二维图像并进行数字图像处理的研究结果与应用实例，指出了数字图像处理技 术对于促进沥青混合料设计与生产技术进步的可行性与重要性，并对这一技术的发展做 了预测。 3 第1 章绪论 哈尔滨工业大学的李智，重点研究了采用数字图像处理技术评价沥青混合料组成结 构的可行性，根据混合料的自身特点探索了有效的图像处理技术，包括沥青混合料图像 的获取、初步分析、增强处理、颗粒分析等技术，在此基础上提出利用参数颗粒主轴方 向评价压实后的混合料结构稳定状态【1 0 】。以采用数字图像处理技术分析沥青混合料体积 组成特性为主线，探索了沥青混合料数字图像技术的可行性，并采用该技术对沥青混合 料压实特性进行分析，探索有效的评价方法和参数，进而对不同压实成型的沥青混合料 之间的联系以及与实际路面的差异进行了研究。 同济大学的彭勇首次对沥青混合料中集料的分布状态，即沥青混合料均匀性进行了 直接研究。其研究结果表明：从沥青混合料中集料的分布位置和分布数量两个方面综合 考虑，沥青混合料的均匀性能够定量的进行评价【2 4 1 。 长安大学的孙朝云教授与其学生姚秋玲、张惠玲相继对数字图像处理技术在沥青混 合料组成结构方面的应用进行了系统的研究，建立了一套可行的获取沥青混合料组成特 性的方法，并用d e l p h i 编程语言进行了应用系统的开发与实现。以沥青混合料特征识别 与评价系统为研究课题，研究了沥青混合料的使用以及现行的检测技术，并阐述了各种 检测技术的特点。在对数字图像的一些概念和处理方法阐述的基础上，引出了数字图像 处理技术在沥青混合料组成检测中的应用、小波降噪和图像复原技术中维纳滤波在沥青 混合料图像处理中的应用 8 , 9 , 1 4 - 1 8 】。另外，对图像数据库、数据拟合也作了初步的阐述与 分析。 1 2 2 国外研究现状 1 9 9 8 年，美国联邦公路局研究中心( f h w r c ) 成立s i m a p ( s i m u l a t i o n ，i m a g i n g a n dm e c h a n i c s a s p h a l tp a v e m e n t s ) 项目小组，计划调动大批专家，投入巨额经费，花费 相当长时间，以三维图像处理技术为核心，全面研究沥青混合料的体积组成特性，并以 此为基础完成沥青混合料力学响应和沥青路面长期性能的预测理论及应用技术研究。 h y o u n gk w a nk i m ，基于激光断面图像处理的集料特征的自动识别技术研究，利用 小波变换和多分辨分析技术，研究了沥青混合料集料颗粒的形态学特性，主要包括大小、 形状、棱角性以及纹理特征，提出了沥青混合料集料颗粒的三维描述子【l2 1 。 c h e t a n ab r a o 应用集料图像的分析系统u 认从，采用3 个摄像机从3 个正交的方 向获取集料图像，对每个颗粒的三维形状进行了准确的重建。这一系统辅以相应软件能 够得到每一集料颗粒的体积( 从而得到质量) 、最小最大及中间维度，进一步得到扁平 4 长安大学硕 ：学位论文 细长颗粒的含量，提出了基于图像处理原则的集料棱角性指标，实现了对集料形状和尺 寸特征的检测【l l 】。 1 2 3 存在问题 对于s i m a p 项目小组的基于三维图像技术的研究，由于将数字图像技术应用于沥 青混合料体积特性分析是全新的课题，缺少可有效借鉴的经验，而且采用三维图像数字 处理技术所需要的技术设备十分复杂，致使该小组目前研究工作进展并不i l i o n ，不仅表 现在前期研究成果较少，而且更重要的是，以直接进入沥青混合料的三维状态的研究思 路遇到了极大的挑战。主要体现为，采用x 射线轴向断层扫描技术( c a r ) 获取沥青混合 三维图像时，首先，能够很好的识别空隙比例和精确位置等空间信息，即v v 得到了很 好描述，然而，在提取沥青砂胶和集料颗粒时却遇到了麻烦，很难将它们精确地分离开 来。进一步的研究不难发现其原因，其三维图像的成像原理是利用x 射线透射物体时的 衰减特性来实现的，期间，要确保清晰成像的一个重要的前提是两种物体间的密度差不 能过小，否则将视之为同一物体。从纯技术的角度来看，能够实现碎石与沥青砂胶的分 离提取，但从实用角度看，至少目前是不可行的，因为要想实现这样的扫描精度，对设 备的要求和投入将是巨大的。 国内所做的研究都是基于室内试验所做的马歇尔试件( 基于室内试验中所制作的马 歇尔试件的剖面图像) ，并且所取得的数据精度不高，真正的应用到工程中还有很多缺 陷。要做到真正应用到路面施工过程中还需要更多的工作要做，本课题正式基于以上的 思想，开展了沥青混合料二维数字图像处理技术的研究工作。 1 3 研究意义 现行的沥青混合料级配检验方法是一种经验性的方法，其理论基础不完善，评价和 检测技术落后，致使其检测过程复杂、效率低、易出问题，这必然导致人力物力的严重 浪费。采用数字图像处理技术，利用计算机仿真代替经验检测方法，能够极大地提高检 测效率，降低成本。 现行的沥青混合料级配检测方法需要对沥青进行抽提或者燃烧，这必然对环境或者 试验者造成健康上的影响，采用基于数字图像的沥青混合料级配检测技术，可以避免对 环境的污染和对人体的伤害。 现行的沥青混合料级配检测方法是单目标的检测方法，仅仅是将沥青混合料的矿料 5 第1 章绪论 级配组成测定出来，不能将沥青混合料的针片状含量和集料颗粒的棱角性能测定出来。 采用基于数字图像处理的沥青混合料的级配检测方法可以实现多目标的检测。 有利于促进我国道路测试新技术的快速发展，使我国的交通事业实现跨越式发展。 1 4 本课题主要研究内容及技术路线 本课题基于数字图像处理技术，对沥青混合料级配的自动检测技术做了详细的研 究，主要包括以下内容。 1 4 1 沥青混合料组成结构特征及其2 d 模型的建立 沥青混合料的组成结构以及沥青混合料组成材料的组成性质，单个集料颗粒的几何 特征描述包括集料颗粒的圆形度、长轴长度、短轴长度、棱角性、扁平细长颗粒( 即针 片状颗粒) ，以及沥青混合料的级配和级配曲线绘制。 1 4 2 沥青混合料数字图像处理技术 由于所采集的沥青混合料数字图像不可避免的会存在噪声等，为了去除噪声并突出 所需要的信息，需要对沥青混合料数字图像进行一系列的图像处理操作。沥青混合料数 字图像处理技术，主要包括沥青混合料图像的变换技术、增强技术、复原技术、图像分 割技术等。 1 4 3 沥青混合料数字图像分析技术 为了得到沥青混合料的级配，需要对集料颗粒的一系列特征进行描述，这就是所要 研究的沥青混合料数字图像的描述。在研究中主要对集料颗粒的颗粒面积、颗粒区域的 灰度均值、标准差、最小灰度、最大灰度、质心、周长、最小外接矩形、拟和椭圆( 长 轴长度、短轴长度、倾斜角) 、圆形度等特征进行了检测与描述。对于各粒级集料的分 类，主要应用了颗粒的面积以及最小外接矩形等特征参数。此外对于数学形态学在沥青 混合料二值图像中的应用也作了深入的研究。 1 4 4 沥青混合料数字图像处理系统的软硬件实现 对于沥青混合料数字图像处理系统，设计了硬件平台并对其进行了软件实现。硬件 部分主要包括沥青混合料数字图像采集装置的设计与构建，软件部分为图像处理的各种 算法以及对检测的结果进行各种分析。此外对于图像数据库技术，也作了比较深入的分 析研究。 6 长安大学硕士学位论文 1 4 5 检测结果分析以及本方法的有效性验证 在得到沥青混合料数字图像中各个集料颗粒的一系列特征描述，而后依据其中的某 些特征计算各粒级集料颗粒的通过率，得到其筛分通过率表，而后再绘制级配曲线。 此外，还将基于数字图像处理技术得到的沥青混合料的级配检测结果，与现行的试 验检测结果加以比较，从而验证图像处理方法的有效性及优点。 结合检测结果，对沥青混合料数字图像处理系统的误差来源进行了必要的阐述，并 就减小误差的方法进行了研究与尝试。 1 4 6 技术路线 首先对获取的图像在m a t l a b 7 0 环境下进行了各种处理，并对各种处理效果进行了 比较分析，以确定所采用的图像处理的最优算法，最终在d e l p h i 7 0 环境下进行了编程 实现。所采用的技术路线如图1 - 1 所示。 资料整理分析与研究方案的制定 0 沥青混合料集料特征的观察 j r 厂 沥青混合料数字图像技术、 图 图图图图图 数像 像像像像像 获增恢分特 学数 取强复割征 形据 技技技技提 态库 学技 术术术术取 术 l 0 沥青混合料集料一维特征提取 上 沥青混合料集料伪= 维特征的重建 上 沥青路面级配曲线的还原 0 所得曲线与设计级配曲线的相关性分析 检测结果与传统方法的相关性分析 0 结论与建议 图1 - 1 本研究的技术路线 7 鞯2 章青馄h 组成结构发缓配h 论 第2 章沥青混合料组成结构及级配理论 2 1 沥青混合料概述 沥青混合料是一种复杂的多种成分的材料，它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以 及外加剂所组成，其结构特点表现为：矿物颗粒的大小及其不同粒径的分夼；颗粒的相 互位置：扁平细长颗粒的含量；沥青在沥青混合料中的分布特征和矿物颗粒上沥青层的 性质；空隙量及其分布；闭台空隙量与连通空隙的比值等“。沥青混合料断面图像如图 2 - 1 所示。 图2 - 1 沥青混合料断面图像( 部分) 2 11 定义 沥青混合料是沥青混凝上混合料和沥青碎石混合料的总称。主要包括： 1 ) 沥青混凝土混合料( a s p h a l t c o n e r c t c m i x t u r e 简称a c ) ，由适当比例的粗集料、 细集料及填料与沥青在，“格控制条件下拌和的沥青混合料。 2 ) 沥青碎石混合料( a s p h a l tm a c a d a mm i x t u r e 简称a m ) 由适当比例的孝 l 集料、 细集料及填料( 或不加填料) 与沥青拌台的沥青混合料。 2 l2 沥青混合料分类 沥青混合料按结合料的不同可以分为石油沥青混合料( 以石油沥青为结合料的沥青 混合料一包括粘稠石油沥青、乳化石油沥青及液体石油沥青) 和煤沥青混台料( 以煤沥 青为结合料的沥青混台料) ；按施工温度( 拌制和摊铺温度) 可以分为热拌沥青混合料 长安大学硕十学位论文 ( 沥青与矿料在热态拌合、热态铺筑的混合料) 和常温沥青混合料( 以乳化沥青或稀释 沥青与矿料在常温状态下拌制、铺筑的混合料) ；按照矿质集料级配类型可以分为连续 级配沥青混合料( 沥青混合料中的矿料是按级配原则，从大n d , 各粒径集料都有，按比 例相互搭配组成的混合料) 和间断级配沥青混合料( 连续级配沥青混合料矿料中缺少一 个或两个档次粒径的沥青混合料) ；按照混合料密实度可以分为密实级配沥青混合料( 按 密实级配原则设计的连续性密实级配沥青混合料，但其粒径递减系数较小，剩余空隙率 小于1 0 ) 和开级配沥青混凝土混合料( 按级配原则设计的连续性级配混合料，但其粒 径递减系数较大，剩余空隙率大于1 5 ) ；按最大粒径可以分为：特粗式沥青碎石混合 料一集料最大粒径3 7 5 m m ( 圆孔筛4 0 m m ) 以上、粗粒式沥青混合料一集料最大粒径 等于或大于2 6 5 m m ( 圆孔筛3 0 m m ) 的沥青混合料、中粒式沥青混合料一集料最大粒 径为1 6 m m 或1 9 m m ( 圆孔筛2 0 或2 5 m m ) 的沥青混合料、细粒式沥青混合料一集料最 大粒径为9 5 m m 或1 3 2 m m ( 圆孔筛1 0 或1 5 m m ) 的沥青混合料、砂粒式沥青混合料一 集料最大粒径等于或小于4 7 5 m m ( 圆孔筛5 r a m ) 的沥青混合料【2 】。 2 2 沥青混合料组成结构 2 2 1 沥青混合料组成结构的现代理论 随着对沥青混合料组成结构研究的深入，目前对传统的理论提出不同看法。因此， 对沥青混合料的组成结构有下列两种互相对立的理论【1 捌。 1 ) 表面理论( s u r f a c et h e o r y ) 按传统的理解，沥青混合料是由粗集料、细集料和 填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表 面，而将它们胶结成为一个具有强度的整体。这种理论可图解如下： 沥青混合料 矿质骨架 薹蓑藉 结合料一沥青 2 ) 胶浆理论( m o r t a rt h e o r y ) 近代某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是 一种多级空间网状结构的分散系。它是以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的 一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥青胶浆介质中的一种细分散 系；而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种为分散系。这种理 论认识可图解如下： 9 第2 章沥青混 4 成结构世擐6 u q 论 f 分散相一粗集料 澌青混台料 分散介质一砂浆c 细分散系 ：! ：胶结物。微分散系， ；：二：青 这3 级分散系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定沥青混台料的高温稳定性和 低温变形能力。 2 22 沥青混台料的组成结构分类 通常沥青一集料混合料按其组成结构可以分为咀下3 类【m i ： i ) 悬浮密实结构( s u s p e n d e d d e n s es t r u c t u r e ) 当采用连续型密级配矿质混台料与 沥青组成的沥青混合料刚，按粒子干涉理论，为避免次级集料对前级集料密排的干涉， 前级集料之间必须留出比次级集料粒径稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混 合料，经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均为次级集料所隔开， 不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮十次缴集料及沥青胶浆之问，其结构组成示意如图 2 ) 骨架一空隙结构( v o i df r a m e w o r ks t r u c t u r e ) 当采用连续型开缴配矿质混合料与 沥青组成的沥青混合料时由于这种矿质混合料递减系数较大( 即n 幂公式中n 值较大) ， 粗集料所占的比例较高，细集料则很少，甚至没有。按此组成的沥青混合料，粗集料町 以互相靠拢形成一目架；但由于细集料数量过少，不足以填满粗集料之间的空隙因此形 成“汁架空隙”结构，其结构组成示意如图2 2 b 。 3 ) 密实一骨架结构( d e n s e f r a m e w o r ks t r u c t u r e ) 当采用间断型密级配矿质混合料与 沥青组成的沥青混合料时，由于这种矿质混合料断去了中问尺寸粒径的集料，既有较多 数量的丰r 集料一叮形成空m 骨架，l 司时又有干h 当数量的细集料可填密骨架的空隙，因此形 成“骨架密实”结构，其结构示意如图2 - 2 c 。 a ) 悬浮密实b ) 骨架空障 c ) 骨架密实 图2 - 2 三种类型沥青混合料结构组成示意图 】0 * 安人学碗l 。学位论文 2 3 沥青混合料组成材料的特征及描述 2 3 1 沥青 沥青是一种胶结材料，其在沥青混合料q ，呈现淡黑色。因此沥青混合料灰度图像中 - 以依据其灰度对沥青进行区分。 232 集料 集料依据其粒径的不同分为粗集料和细集料两类，其中粗集料主要是人工轧制的碎 石和天然止l 化而成的卵在其粒径人于47 5 m m 。i 町细集料是粒径小于47 5 r a m 的集料 颗粒。 研究证州：集料的特性和质量是影响混台料性能的重要因素，集料的特征，包括形 状、棱角性以及纹理等特征，对沥青混合料的性能影响较大。如集料的粒径分布( 级配) ， 对混合料的耐久性、强度以及工作件等性能有较大影响。而具有良好棱角以及粗糙纹理 的集料更易于互相嵌挤形成目架结构，从而提高混合料的力学性能。由于对集料的形状 特征进行精确测定非常困难，虽然工程上已经认识到集料的形状特征在决定给定结构材 料的性能方面起着主要的作用，但至今还不能对这砦影响进行客观的量化。n c h a p 计 划中对集料的形状特征没有做客观的量化，仅给出了相关的粗略捕述对于集料的棱角 件特征，粗集料和细集料分别进行不同的定义：粗集料是按破碎面的个数米定义：细集 料则按空隙率来间接描述。 因此，对集料颗粒所提取的特征主要包括颗粒周长、面积、长轴长度、短轴长度、 最小外接矩形。针片状颗粒定义为塌小外接矩形的k 让k 度与短边长度的比值丈于等于 3 的颗粒，即m a x ( w i d t h ，h e i g h t ) ! m i n ( w i d t h ，h e i g h t ) 3 的颗粒。针片状颗粒定义如图 2 3 所不。 h 一i ：d + h - 叫 图2 - 3 针片状颗粒定义 对集料级配的检测是模拟公路工程中的筛分过程，对检测i _ j 柬的集料颗粒的短轴长 度依据关键筛孔的尺寸对集料颗粒进行分类最终得到集料的级配组成。 第2 章沥青混合料组成结构及级配理论 2 3 3 矿粉 对于矿粉在沥青混合料中的存在形式，一般认为是均匀分布于沥青中，对于混合料 中矿粉含量的测定，在本研究中暂不涉及。 2 3 4 空隙 空隙虽然不是沥青混合料的组成材料，但它是沥青混合料的重要组成部分，主要包 括开口空隙，闭口孔隙等。本文依据沥青混合料图像中空隙的灰度对空隙进行区分。空 隙与沥青的颜色相近，但由于灰度图像中空隙为深黑色，有着固定的灰度值范围，因此 可以与沥青相区分。具体实现时，可根据经验值，将灰度值小于某阈值的部分，划归为 空隙的部分。 2 4 沥青混合料的矿料级配理论 沥青混合料的矿料级配，即矿料中不同粒径的粒料相互之间的比例关系，通常以不 同粒径粒料的重量比来表示。在实际应用中常用级配曲线来描述沥青混合料的矿料级 配。 2 4 1 级配曲线 各种不同粒径的集料，按照一定的比例搭配起来，以达到较高的密实度( 和或较大 的摩擦力) ，可以采用下列两种级配组成。 1 ) 连续级配( c o n t i n u o u sg r a d a t i o n ) 连续级配是某一矿质混合料在标准孔配成的套 筛中进行筛析时，所得的级配曲线平顺圆滑，具有连续的性质，相邻粒径的粒料之间， 在质量上有一定的比例关系。这种由大到小，逐级粒径均有，并按比例互相搭配组成的 矿质混合料，称为连续级配矿质混合料。 2 ) 间断级配( g a pg r a d a t i o n ) 间断级配是在矿质混合料中剔出其中一个( 或几个) 分级，形成一种不连续的混合料，称为间断级配矿质混合料。这种混合料不仅有足够数 量的粗集料可以形成空间骨架，而且又有必要数量的细料填充于骨架间的空隙，使混合 料有较高的密实度而形成为一种骨架密实结构，故其内容阻力和粘结力都较高。 级配曲线是根据各级集料在矿质混合料的通过百分率，以通过百分率为纵坐标轴， 以粒径( m m ) 为横坐标轴，绘制而成的曲线。 连续级配曲线和间断级配曲线如图2 4 所示。 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 - 4 连续级配曲线和间断级配曲线 2 4 2 级配理论 目前常用的级配理论，主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论【1 捌。前一理论，主 要描述了连续级配的粒径分布，可以用于计算连续级配。后一理论，不仅可以用于计算 连续级配，而且可以用于计算间断级配。 1 ) 最大密度曲线理论( t h e o r yo f m a x i m u md e n s i t yc u r v e ) 最大密度曲线是通过试验提出一种理想曲线。w b 富勒( f u l l e r ) 和他的同事研究 认为：固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙 最小的混合料。初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配位椭圆曲线，粗集料为 与椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以达到最大的密度。这种曲线 的计算比较复杂，后来经过许多研究改进，提出简化的“抛物线最大理想曲线。该理 论认为：“矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则其密度越大。” ( 1 ) 最大密度曲线公式根据上述理论，当矿质混合料的级配曲线为抛物线时，最 大密度理想曲线可用颗粒粒径( d ) 与通过量( p ) 表示为p 2 = k d ( 2 ) 最大密度曲线的n 幂公式最大密度曲线是一种理论的级配曲线。在实际应用 中，许多研究认为：这一公式的指数不应固定为o 5 。有的研究认为在沥青混合料中应 用，当刀= 0 4 5 时密度最大；有的研究认为在水泥混凝土中应用，当刀= o 2 5 0 4 5 时工 作性较好。通常使用的矿质混合料的级配范围( 包括密级配相开级配如幂常在0 3 o 7 之 间。因此在实际应用时，矿质混合料的级配曲线应该允许在一定范围内波动，所以目前 1 3 第2 章沥青混合料组成结构及级配理论 多采用n 次幂的通式表达公式p = 1 0 0 ( d d ) “ 2 ) 粒子干涉理论( t h e o r yo f p a r t i c l ei n t e r f e r e n c e ) 粒子干涉理论根据c a g 魏矛斯 的研究认为：为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙，应由次一级颗粒所填充；其所 余空隙再次由小颗粒所填充，但填充空隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离，否则大小 颗粒之间势必发生干涉现象，为避免干涉起见，大小粒子之间应按一定数量分配，并从 临界干涉的情况下可导出前一级颗粒间的距离为： h ( 耖- 1 】。 当处于干涉状态时t = d ，公式可以表示为 l = 茄啬 其中f 为前粒级的间隙距离( 即等于次粒级的粒径d ) ，d 为前粒级的粒径，k 为 次粒级的理论实积率( 实积率即堆积密度与表观密度之比) ，l 为次粒级的实用实积率。 2 5 小结 本章主要探讨了沥青混合料的定义及分类、组成结构理论及结构分类、材料组成及 对各种材料所要检测的特征、最后对沥青混合料的集料级配理论、级配曲线及其绘制原 理进行了描述，从而对研究对象有了进一步的认识，做到有的放矢。 1 4 长安大学硕j ：学位论文 第3 章沥青混合料数字图像处理技术 数字图像处理是指使用计算机加工处理图像以获得所需要的信息或信息形式。数字 图像处理的研究内容主要包括图像数字化、图像变换、图像增强、图像恢复、图像分割 3 , 4 , 1 9 , 2 9 ，3 0 1 。在本研究中由于所采集的沥青混合料图像已经为数字图像，所以研究中不再 涉及图像的数字化。 3 1 沥青混合料数字图像变换技术 沥青混合料数字图像有不同的表示域，既可以在空间域中表示，又可以在频率域中 表示。在本研究中用于表示沥青混合料数字图像的坐标约定如图3 1 所示。对沥青混合 料数字图像在适当的表示域中进行不同的处理，可以给处理工作带来极大的方便。这就 需要使用图像变换技术。在图像处理与分析中广泛应用着正交变换和酉变换，它们是图 像处理与分析的重要工具之一。正交变换主要有离散傅里叶变换、离散余弦变换、哈达 玛变换、离散k l 变换奇异值分解、哈尔变换、斜变换等。在这里主要对离散傅里叶变 换作详细描述。 图3 - 1 沥青混合料数字图像所用的坐标约定 离散傅里叶变换的定义：阵列 t o n ，z ) l 。的- f i r 离散傅里叶变换所得阵列 ，i=jn-i一，2 ，r l m k + 兰1 p ( 七，) 】l ，。的阵元为，( 尼，) = f ( m ，玎弦”“i m j ；离散傅里叶逆变换的定义：阵列 旷( 七，0 1 。的二维离散傅里叶逆变换所得阵列l 厂( 聊，行) l 。的阵元为 1 5 蝌3 章青混台抖数宁幽像处理技$ ，仲，。) ：芝艺f ( k ，1 ) e j 2 ,