（道路与铁道工程专业论文）基于数字图像处理技术沥青混合料均匀性指标研究.pdf

摘要 摘要 沥青混合料均匀性程度直接影响着沥青路面的力学性能和使用寿命，是引起沥青路面 早期破坏最主要的因素。目前国内外对沥青混合料均匀性的研究，大部分是间接的、定性 的，而并非是直接的、定量的。基于数字图像处理技术，本文直接针对沥青混合料中集料 的分布状态，对沥青混合料均匀性展开定量的研究。 首先，论文对数字图像处理技术做出一般性的介绍，对沥青混合料图像的处理与识别 做出较为详细的阐述。后者主要包括沥青混合料图像的获取、图像的处理、图像的增强以 及图像的分割和识别。 其次，基于数字图像处理技术，论文对沥青混合料均匀性的评价方法进行探讨并做出 论证，提出沥青混合料均匀性指标。论文从沥青混合料中集料的位置分布和数目分布、转 动惯量、累积面积以及质量级配分形等角度来对沥青混合料均匀性进行定量评价，并提出 沥青混合料均匀性指标d i f f e r e n t i a 的界定与分类。 再次，论文对沥青混合料均匀性指标影响因素展开研究。以室内试验为主，结合现场 取样分析，重点研究集料的粒径、级配和类型以及混合料的含油量、成型方法、压实功、 成型温度等对沥青混合料均匀性指标的影响。 最后，论文对沥青混合料均匀性与其力学性能变异性进行研究。 研究结果表明： ( 1 ) 基丁数字图像处理技术，可以对沥青混合料均匀性展开定量地研究。 ( 2 ) 通过沥青混合料均匀性指标d i f f e r e n t i a ，可以对沥青混合料均匀性进行定量地评 价。 ( 3 ) 集料公称最大粒径对沥青混合料均匀性指标影响显著，随着集料公称最大粒径的 增大，沥青混合料均匀性逐渐变差：集料的级配对沥青混合料均匀性指标影响很大，集料 中4 7 5 m m 这档集料比2 3 6 m m 这档集料对沥青混合料均匀性指标影响要显著的多：不同类 型的集料，对沥青混合料均匀性指标有着不同程度的影响，相同的集料类型，不同的集料 产地，在其它条件都基本相同的情况下，其对应的沥青混合料均匀性指标基本相同：含油 量和压实功对沥青混合料均匀性指标也有一定的影响；不同的成型方法，对沥青混合料均 匀性指标的影响会有所不同；成型温度对沥青混合料均匀性指标的影响，不是主要体现在 混合料中集料的分布状态上，而是表现在混合料的空隙率变化上。 ( 4 ) 一般来说，均匀性较差的沥青混合料，其性能的变异性较大；而均匀性较好的沥 青混合料，其性能的变异性稍小。 关键词：沥青混合料，均匀性指标，数字图像处理，影响冈素 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e g r e eo fh o m o g e n e i t yo fh o t m i xa s p h a l ti n f l u e n c e sd i r e c t l ym e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e a n df a t i g u e ( u s a g e ) l i f eo fa s p h a l tp a v e m e n t s ，i ti sa l s ot h eu p p e r m o s tf a c t o ri n d u c i n gp r e m a t u r e d a m a g e so na s p h a l tp a v e m e n t s a m o n gt h ep r e s e n tr e s e a r c h e so nh o m o g e n e i t yo f h o t - m i xa s p h a l t ， m o s ta r en o td i r e c ta n d q u a n t i t a t i v e ，b u ti n d i r e c t a n dq u a l i t a t i v e b a s e do nd i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t h ea g g r e g a t ed i s t r i b u t i o ni nh o t - m i xa s p h a l t ，i e h o m o g e n e i t yw a ss t u d i e d d i r e c t l ya n dq u a n t i t a t i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , i nt h i sd i s s e r t a t i o nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi si n t r o d u c e dt e r s e l y , a n dh o t - m i xa s p h a l t d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dm e a s u r e m e n ti si l l u s t r a t e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e sh o t m i xa s p h a l t d i g i t a li m a g eo b t a i n m e n t ，p r o c e s s i n g ，e n h a n c e m e n t ，s e g m e n t a t i o na n do b j e c tm e a s u r e m e n t s e c o n d l y , b a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t h e m e t h o d sf o r e v a l u a t i n g h o m o g e n e i t yo f h o t - m i xa s p h a l ta r ed i s c u s s e da n dt e s t i f i e d ，t h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo fh o t m i x a s p h a l ti st h e np u tf o r w a r d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，h o m o g e n e i t yo fh o t - m i xa s p h a l ti sa p p r a i s e d q u a n t i t a t i v e l yf r o mt h ed i f f e r e n ta n g l e so fs u c h 邪a g g r e g a t ed i s t r i b u t e ds i t u a t i o na n dd i s t r i b u t e d n u m b e r , m o m e n t so fi n e r t i a , c u m u l a t i v ea g g r e g a t ea r e a , m a s sg r a d a t i o nf r a c t a ie r e ，a n dt h e c r i t e r i o no fc l a s s i f i c a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo fh o t - m i x a s p h a l t t h i r d l y , t h ei n f lu e n c ef a c t o r sa r es t u d i e do ft h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo fh o t m i xa s p h a l t t h e r e s e a r c h e sa tl a b o r a t o r yb e i n gp r i m a r yw h i l eh o m o g e n e i t ya n a l y s i so fc o r e st a k e ni ns i t ub e i n g a c c e s s o r i a l i nt h i sd i s s e r t a t i o ns o m em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r es t u d i e d ，s u c h 笛a g g r e g a t e d i a m e t e lg r a d a t i o n ，a s p h a l tc o n t e n t ，e x p e r i m e n tm e t h o d ，c o m p a c t i o ne f f o r ta n de x p e r i m e n t t e m p e r a t u r e f i n a l l y , i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h er e l a t i o n s h i pi ss t u d i e db e t w e e nt h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo f h o t m i xa s p h a l ta n di t sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c hr e s u l t sa r e 鹕f o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，h o m o g e n e i t yo fh o t - m i xa s p h a l tc a nb e s t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y ( 2 ) b yt h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo f h o t - m i xa s p h a l to fd i f f e r e n t i a ，h o m o g e n e i t yo f h o t - m i x a s p h a l tc a nb ee v a l u a t e dq u a n t i t a t i v e l y ( 3 ) a g g r e g a t en o m i n a lm a x i m u ms i z ei n f l u e n c e se v i d e n t l yt h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo f h o t m i xa s p h a l t ，a n dh o m o g e n e i t yo fh o t - m i xa s p h a l tw i l lb e c o m ew o r s ew i t ht h ei n c r e a s eo f a g g r e g a t en o m i n a lm a x i m u ms i z e ；a g g r e g a t eg r a d a t i o ni n f l u e n c e sr e m a r k a b l yt h ei n d e xo f h o m o g e n e i t yo fh o t m i xa s p h a l t , a n di ti sm o r eo b v i o u st h a tt h ea g g r e g a t e sr e t a i n e do nt h e4 7 5 m ms i e v es i z ei n f l u e n c et h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo fh o t m i xa s p h a l tt h a nt h ea g g r e g a t e sr e t a i n e d o nt h e2 3 6m ms i e v es i z e ；d i f f e r e n ta g g r e g a t et y p e sa l s oi n f l u e n c et h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo f h o t m i xa s p h a l tt od i f f e r e n te x t e n t s ，a n du n d e rt h es a m eo t h e rc o n d i t i o n s ，t h es a m ea g g r e g a t et y p e i i a b s t r a c t b u td i f f e r e n ta g g r e g a t er e s o u r c e si n f l u e n c et h ei n d e xo fh o m o g e n e i t yo fh o t m i x a s p h a l tt o a n e a r l y s a m ee x t e n t ；b o t h a s p h a l t c o n t e n ta n dc o m p a c t i o ne f f o r ti n f l u e n c et h ei n d e xo f h o m o g e n e i t y o fh o t m i x a s p h a l t ；d i f f e r e n te x p e r i m e n tm e t h o d si n f l u e n c et h ei n d e xo f h o m o g e n e i t yo fh o t m i xa s p h a l tt od i f f e r e n te x t e n t s ；t e s tt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h ei n d e xo f h o m o g e n e i t yo fh o t m i xa s p h a l t ，w h i c hi sm a n i f e s t e dm a i n l yi nt h ec h a n g eo fp o r o s i t yi nh o t m i x a s p h a l t ，n o tt h ec h a n g eo ft h ea g g r e g a t es i t u a t i o n ( 4 ) g e n e r a l l y ，t h ev a r i a n c eo fp e r f o r m a n c eo fh o t - m i xa s p h a l tw i t hw o r s eh o m o g e n e i t yi s g r e a t e r , a n dt h a tw i t hb e t t e rh o m o g e n e i t yi ss m a l l e r k e yw o r d s ：h o t - m i xa s p h a l t ，i n d e xo fh o m o g e n e i t y , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，i n f l u e n c ef a c t o r i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：馥自 幼艿年6 月哆日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：勃，鸟 ) 硼眸6 月么e l 第l 章绪论 第1 章绪论 幽i1 路面不均匀引起的松散幽12 路面不均匀引起的t o p d o w n 裂缝 沥青税台科是由沥青、粗细集科，添加剂和空隙四成分组成。沥青混台料的不均匀性 是泐青混合料中组成成分不均匀性的综合反映，其中最主要表现在沥青棍台料中集料分布 的不均匀性上表现为一些地方局部地粗集料或细集料囊中”】。相对丁正常沥青路面一般 来说不均匀的路面粗集料相对集中的地方空隙率太，沥青含量少，陌水易于渗透而容 易造成剥落和坑糟；反之。细集料相对集中的地方空隙率小，沥青含量多易遗成局部的 承久变形和泛油阿。 传统上人们没有把沥青混合料腑均匀性当作一个严重的阎题来看持，没有采取严格的 措旋予以控制，只是要求施工时认真就可以了。而随着交通量的增大均匀性已经成为伙 定路面质量的主要因素之一应该引起充分拄意。将路面早期水损坏的土要原闻归结r 路 面空隙率过太又将空隙率过九归结于压实度不够。压实不足，这确实是早期路面空陬翠 过火的主要原因但却比较弈易解挑：实际上沥青混台料的不均匀性不仅是造成局部空 隙率过人的另一个主要原闶而且是比较难咀解块的技术问题。口澌青泄科i j l 现= _ = 均 第1 章绪论 匀性，一切关于材料设计的努力都变得徒劳无功了。路面压实度的不足，有时也是混合料 不均匀性引起的，仅检测路面的平均压实度，往往不能客观地反映问题，还应考虑其变异 性。当沥青混合料不均匀发生时，仅仅依靠提高压实度难以达到减少空隙率的目的，甚至 会造成集料破碎而实得其反。 查找现有的研究成果和文献资料，令人遗憾的是，目前，国内外对沥青混合料均匀性 定餐的研究还不是很多。究其原由，除了上述传统的认识外。可能还有以下2 方面因素：1 沥青混合料均匀性研究是一项复杂的课题，它的涉及面很，“，系统地研究起来比较凼难。 2 虽然，目前世界上很多国家逐步意识到沥青混合料均匀性的重要性，但在高纬度的一些国 家，如英国、比利时、荷兰、法国等，在沥青混合料设计时，习惯采 j 较细的集料和连续 级配( s m a 除外) ，公称最大粒径不大于2 0 r a m ，沥青混合料的非均匀性在这些国家不是主 要问题，故对混合料均匀性展开研究的积极性不太高。同时，国内外对沥青混合料均匀性 研究的方法也并非是直接针对沥青混合料中集料的分布状态，而是先通过研究沥青混合料 的其它特性间接地来研究沥青混合料的均匀性。如：先通过研究沥青混合料中孔隙的分布 来研究路面的离析状况等。此法相对于直接研究集料的分布状态，虽然在方法上较为简单， 但误筹较人，只能在一定程度上反映一些实际情况。 1 2 国内外研究现状 沥青混合料均匀性的研究，传统的识别( d e t e c t i o n ) 方法，即有视觉识别( v i s u a l i d e n t i f i c a t i o n ) 、铺砂试验( s a n dp a t c ht e s t i n g ) 、核子密度仪洲u c l e a rd e n s i t yg a u g e s ) 等三种。 视觉识别一直戍用了二混合料非均匀性( 离析) 的定位【l0 1 。其是个主观的方法，通常铍 刚作其它定量识别方法的基线。c r o s s 等人1 3 j 于1 9 9 7 年研究了四条堪萨斯 ) + l ( k a n s a s ) 被怀疑 有离析问题的现场工程，他们得出的结论是：视觉识别能够较好地识别较大粒径集料和较 粗级配的混合料的离析，但对于较小粒径集料和较细级配的混合料的离析，识别凼难。 铺砂法用于量化视觉识别中路面表面宏观构造的差异【】【1 2 l 。美国标准试验手册 ( a s t m ) e 9 6 5 试验方法表明这种试验方法的精度大约是被测深度( 以毫米记) 的百分之一。 通过铺砂法可以评定路面的宏观粗糙度、路表面的排水性能及抗滑性能。对丁一般沥青混 合料的1 卜均匀表面区域，视觉识别和铺砂试验结果间有着很好的一致性，但对特殊的沥青 混合料，如s m a ，其有局限性。c r o s s 和b r o w n l 9 j 用铺砂法试验结果作为一个量度标准，评 价由交通和离析共同造成的路面松散的情况。最终的回归方程为： p - - - 0 0 3 4 6 + 0 0 718 ( t ) + 0 0 0 2 6 5 ( p 47 5 ) 2 ( 1 1 ) 式中，卜离析与非离析区域里构造深度的差异： 卜交通簧( 百万) ： 尸47 5 通过4 7 5 m m 筛孔的集料质量百分率的差异。 铺砂法极其耗时。 核子密度仪是通过测量密度间接地来识别路面非均匀性区域，此法的基本前提假设就 是路面非均匀区域的密度小。1 9 9 7 年密歇根州立大学研究者完成了用离散的核子密度仪测 量的方法判别线状非均匀性的研究，并建议密歇根州交通运输部( m i c h i g a nd o t ) 采纳其 作为质量控制的程序l l 引。期间，堪萨斯州交通运输部( k a n s a sd o t ) 也采用核子密度仪测 2 第1 章绪论 量方法来判别路面的非均匀性1 1 4 j 。然而文献指出此法取得成功仅是有限的。冈为f 1 5 】：( 1 ) 使用这些仪器的一般前提假设是混合料的密度随着粗集料不均匀的加重而降低。这一假设 没有考虑到级配和最大密实曲线的关系。若现场配合比公式( j m f ) 始于最大密实曲线之上， 当级配曲线向最大密实曲线移动时，同类沥青混合料中粗集料的分散可以产生更高的密实 度。( 2 ) 不同类别的不均匀对测量结果的变异性有着不一样的影响。常用的石灰彳i 显著增 加试验的变异性；而碎石对此却没有多大的影响。如果混合料是由粗彳i 灰彳i 和细碎石组成， 在粗集料或细集料聚集地方，试验变异性结果的变化使充分识别或度量路面的1 均匀性非 常凼难。 沥青混合料均匀性的研究，传统的度量( m e a s u r e m e n t ) 方法有无损类( n o n d e s t r u c t i v e ) 幂t l 破 损类之分。前者，无损类方法主要有渗透性( p e r m e a b i l i t y ) 的测量和核子密度水分度量仪 的测量。利用空气( a s t m 1 7 1d 3 6 3 7 ) 或水可以进行渗透性的度量。文献中的试验结果指出 渗透性试验可能仅对确立粗集料非均匀性的不同级别适用，因为试验结果依赖于空隙的互 相连通，而不是简单的空隙率。细的密实级配混合料渗透性很低，甚至当混合料中度离析 时，其度餐值也没有多大的差别i l 8 】i l9 1 。核子密度水分测量仪，应用于试验上，证实混合料 非均匀性存在有较粗表面构造的区域。核子水分度量部分测量氢含量，用于表征沥青含量。 而后者，损伤性方法主要就是钻芯取样，抽提和筛分，测量其沥青含量，集料级配和空隙 率，把它们与事先所定的各项标准相比较，划分均匀性等级。s t r o u p g a r d i n e r 和b r o w n 在 n c h r pr e p o r t4 4 1 中把沥青混合料离析分为四级5 1 ： ( 1 ) 无离析( n os e g r e g a t i o n ) 假定混合料进行了正确的设计和碾压，混合料中空隙率满足要求，强度超过预期强度 的9 0 ，沥青含量在现场配合比o 3 的范围内，每档粗集料的白分通过率都没有统计上变 化。 ( 2 ) 轻度离析( l o w 1 e v e ls e g r e g a t i o n ) 混合料强度约是均匀时强度的7 0 - 9 0 ，空隙率增加0 4 。若存在级配离析，至 少一档集料要粗不少于5 ，沥青含量相应地要降低0 3 一0 7 5 。 ( 3 ) 中度离析( m e d i u m 1 e v e ls e g r e g a t i o n ) 混合料强度约是均匀时强度的3 0 一7 0 ，空隙率增加2 6 。若存在级配离析，至 少二二档集料要粗不少于1 0 ，沥青含量相应地要降低超过1 3 。 ( 4 ) 高度离析( h i g h - l e v e ls e g r e g a t i o n ) 混合料强度少于均匀时强度的3 0 ，空隙率增加超过4 。若存在级配离析，至少三 档集料要粗不少于1 5 ，沥青含量相应地要降低0 7 5 一1 3 。取芯时芯样易崩溃。 而沥青混合料均匀性新兴的识别和度量方法，现在主要有热成像( t h e r m a li m a g i n g ) 、拖 地雷达( g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r , g p r ) 、激光表面构造度量( l a s e rs u r f a c e t e x t u r e m e a s u r e m e n t ) 等。 早在1 9 9 1 年，瑞典的研究者就注意到热成像在识别混合料均匀性方面有作厍 1 2 0 1 1 2 1 1 。 任何物体都散发具有能量的红外线，其能被红外扫描器所接收。热成像就是把这些红 外线转换为电子脉冲，然后经过处理生成物体热能量视图。热图像的色彩可由用户选择， 代表路面温度的不同变化1 2 2 i 玎】，如：蓝色代表温度较低区域，红色代表温度较高区域。热 成像技术显示高空隙率区域，因为与集料和沥青相比，空气的热容量最小。假如严重的沥 青混合料不均匀性可造成高空隙率，则热成像技术能够容易地来识别沥青混合料的不均匀 3 第1 章绪论 陡。渡拉术呵川r 浙青路面的质域控制，闻为其可以在锄青路面铺筑过群中使刚。斟13 鲻14 分制显示某热酗像发其对应的路面h 像( 引自文献【2 4 】) 。 幽l3 红鼾热图像剀14 对应的离析路面 2 0 0 0 年，n c h r p r e p o r t “1 中t 奥本人牛国家沥青技术研究中一l 、( t h e n a t i o n a lc e n t e r f o r a s p h a l l t e c h n o l o g y m a u b u r n u n i v e r s i t y ) 在总结现有沥青路面离析评价方法的基础l 提出 邦= 荐的方法和规范，使h j 热成像和激光断面仪米识别利度量热抨澌青混台料的1 f 均匀性拌 艘l ”】。报告根据红外照相机的记录划分，不同离析样度时的温度范围，如表】l 所示。 表1l 采用红外热像仪对离散离析区域的划分 无离析轻度离折中度离析 1 高度离析 血腻巾培高温度与域 低湍度的芹异小太r 面层中r 均温度低r 蒯边温度l l 】6 的 离散区域 血层中平均温度低丁 刷边温度l7 2 i 的 离融区域 叫j 壬中平均温度低 丁削边温度2 i 班 上离敏e 域 远朋热成像技术的优点：能够绘出整个摊铺路面的热量分女，特征；该技术能够住施i 过秤中破麻川，其利于承包商对出现的问题进行及时补救；订成熟的软什提供进样控制幽， 业土利刚其士接受域识别那些需要进一步试验来判定离析类犁和程度的区域。 而不足之处：热成像技术仅在路表面和接近路表面处有效；温度乖暾配离析都会显示 “玲”域，这就需要进步的试验土更加准确地定义离析的类型：试验数据要在混合料第扶 压宴前取得，因为面层的压实改变了表面热颦的特征；此技术运用q 施1 。后的路面评价是 值得阡疑的。冈为来自旧路面的红外线依赖路面吸收的太阳能；需要个标定过程，确保 不闻相机以同等量级平敏感应记录微荠的温度。 激光断面仪用于测晕表面宏观构造已经有盘f 儿年了。该技术叮埘r 浙青路m 1 的质钳保 证。激光断面仪1 作原理与测赫结果分别如幽l3 、陶i4 所示( 引自文献2 5 1 ) 。 第i 章绪论 图15 激光断面仪示意图 图16 激光断面仪测量结果示意图 研究一直表明：在路面表面构造深度为0 2 0 r a m - - 42 5 r a m 间，激光断面仪和铺砂法之间 相关性很强m j i ”l 。但对于非常租糙的路面表面构造激光断面仪测得的数据偏低，因为激 光不能穿透更深的空隙，而砂却可以填充哪。2 0 0 3 年j a y nm e g o d a , g e o f f r e y mr o w e 等 人提出使用激光断面仪来识制路表面的非均匀性。同时建立了与铺砂法之间的相互关系， 借此黄系标定激光断面仪所测得的数据，评价沥青路面的1 f 均匀性“。 使用激光断面仅评价路面非均匀性就是通过激光断面仪所测得的表面构造深度，与事 先假定均匀区域里的表面构造潍度之问的比较来划分离忻程度。n c h r p r e p o r t4 4 1 中，根 据构造比对离析区域进行划分，划分的结果如袁12 所示， 表l2 离析区域划分的结果 般来说1 f 离析区域里表面构造深度是通过计算得来的。n c h r pr e p o r t4 4 1 中- 非 。一 & 量蛐 i e g i ：j 第1 章绪论 离析区域里表面构造深度e t d 是按式( 1 2 ) 算得”( r 2 = 0 6 5 ) ： e t d - - - o 019 8 0 m a s - 0 0 0 4 9 8 4 p j ”+ 0 10 38 c c - o 0 0 4 8 61g ( 1 2 ) 式中，m a s 集料的最大粒径( m m ) ； ，广通过筛孔4 7 5 m m 集料的质量百分率； c 。曲率系数，值为( d 3 0 ) 2 ( d j 归6 幻； g 均匀性系数，值为0 6 0 d 川 d ，厂集料质量通过百分率1 0 时的筛孔尺寸： d j 厂集料质量通过百分率3 0 时的筛孔尺寸； 集料质量通过百分率6 0 时的筛孔尺寸。 2 0 0 3 年，维吉尼弧理工大学交通学院( v t t i ) 的f l i n t s c h 等人研究后义提出v t t l 模 型去计算非离析的沥青混合料表面构造1 2 9 1 ( r 2 = 0 9 6 5 ) ： _ ，c c 刀叻芦2 8 9 6 + 0 2 9 9 3 * z 4 s + o 0 6 9 8 * p ： z 4( 1 3 ) 式中，c c 陋x - - 一l c c 估计构造深度( m m ) ； m 幽孓一集料公称最大尺寸( m m ) ； 玢翻矿料空隙率( ) 。 2 0 0 3 年，维吉尼亚州丁：学院、州立大学和交通研究所三单位共同完成了运用高速激 光断面仪器提高热拌沥青混合料均匀性的研究报告1 3 0 l 。报告认为没有一个非离析区域里 表面构造深度的预测方程适用全部的所考察对象，报告提出用表面宏观构造深度的标准偏 筹来做为评价路面均匀性的方法。 激光断面仪技术的优点之处：冈为该技术能够以止常的行车速度操作，所以能快速取 得连续的纵表面构造剖面图；能提供可量化度量，与1 f 均匀表面构造的视觉识别相对应； 设备便利可携，价格适宜，且能彼安装住任何车量上；设备和分析软件容易使用，能提供 在验试时所得数据的统计分析。 缺点之处：该技术只能测量沥青路面的表面缺陷，在深度方向上有关非均匀性的信息 则无法获取，这就意味着需要第二种试验方法去进一步定义非均匀区域里离析的类型与程 度：1 卜离析区域的标定是主观上的：测量时，为得到较好的分辨率，需要较慢的速度；路 面要干燥，潮湿的路表面会改变激光束的反射：可能统计要依赖混合料的类型，这需要在 使刚这设备的试验中得到评估。 早在瑞典研究者研究热成像在识别沥青混合料均匀性方面的作用的同时，芬兰的研究 者在开发g p r ，识别施工中混合料的均匀性。 后来，对这两项技术的联合运用展开了研究，利用g p r 来评价混合料在深度方向上的 特性，红外热成像技术来识别和定义混合料： 卜均匀性的程度。这两项技术的联合使朋可以 提供沥青混合料路面特性的二维概观。m a n n i n g 和h o l t p l l 发现这一方法充分利用了这两项技 术的优点，技术的综合运用能够增强单一技术的使用。 数字图像技术运用于混合料内部结构和构造的研究，国内外开始的很晚。 9 0 年代初，f r o s t ，j d w r i g h t 和s y n o l a k i s ，c e 等学者提出应用计算机图像识别技术 于混合料的研究和分析中的设想。y u e & b e k k i n g 等人1 3 2 1 将用照相机拍摄的沥青混合料截面 照片进行扫描，经过软件和手工描绘出集料的边界，通过m o c h a 计算出集料的形态参数， 进一步分析各种几何尺寸定义方式下粗集料级配的差异，证明了应用幽像处理技术可以精 确测量泐青混合料中的粗集料的细观结构，为沥青混合料的研究开辟了一个新大地。1 9 9 8 6 第1 章绪论 年，美国联邦公路局研究中心p 纠( 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 ga n dm e c h a n i c s a s p h a i tp a v e m e n t s ) 项目小组p 4 1 1 ”l ，投入巨大的人力、物力及时间，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。但遗憾的是，由于缺乏可有效借鉴的经验， 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，该小组目前研究t 作进展并不 顺利，前期研究成果较少。m i s s i s s i p p is t a t eu n i v e r s i t y 的e y a d l 3 8 1 教授采用图像处理的方法 对沥青混合料集料的结构和排列的相关性进行了研究，解释了集料的形状属性与热拌沥青 混合料性能的联系。 在国内，同济大学对这方面研究开展的较多。9 0 年代中期，同济大学在路面管理系统 的研究中应用图像处理技术来识别路面开裂的类别、严重程度、损害范围等，初步达剑了 以计算机代替人来判识路面裂缝的目的i 叱j 。1 9 9 6 1 9 9 9 年开发了应用于d o s 系统卜的沥青 混合料细观结构的图像处理程序巾引，2 0 0 0 - - 2 0 0 3 年又开发了应用于w i n d o w s 系统下的沥 青混合料细观结构的图像处理程序畔j ，并提出相应的指标和算法。主要结论有： ( 1 ) 沥青混合料的细观结构通过数字图像处理和分析可以进行精确测量。 ( 2 ) 提出表征沥青混合料细观结构的参数：集料的颗粒形状、集料颗粒的边界链码及 其导数、以面积级配统计的级配、以主轴角度表示的方向分布、粗集料占整个混合料截面 的面积卣分比、混合料截面中相邻集料之间的距离、单个集料和整个截面的重心位置。，： ( 3 ) 各种混合料的细观结构有很大差异，不同混合料类型变异程度不等：不同成型方 法的试件的细观结构差异性大。 ( 4 ) 混合料中的集料在荷载作用下处于运动状态，由方向及重心位置向下旋转的运动 趋势；水平截面中粗集料自由分布，没有明显的定向趋势，竖向截面中粗集料趋于水平定 向。 在数字图像技术运用于混合料内部结构和构造的研究的同时，只有少数科研机构或个 人对颗粒状材料的均匀性( h o m o g e n e i t y ) 进行了研究。 上世纪八十年代中期进行了一项评估运用数字图像技术评价颗粒状材料均匀性的可行 性的研究1 4 。该研究研究了由直径3 毫米玻璃珠颗粒所构成的试件的局部空隙率的分布， 结论是这些数字图像技术提供了试验前后试件内部结构和构造的有用信息。b u s h t 4 2 l 对这种 技术做了进一步完善，并在常规三轴试验前后，对有两种颗粒的试样进行了研究。 1 9 9 6 年k h a l i da a i h s i b l i 等人1 4 ) j 在t r r 上发表研究性论文，使用数字图像技术定量研 究细颗粒材料( 砂) 的结构，评价其均匀性与各向同性的程度。在论文中，他通过不同点 钻孔时的阻抗来评价材料的均匀性，统计不同截面上颗粒主轴方向的出现频率来评价材料 的各向同性程度。 2 0 0 3 年，r h o g g 4 6 1 利用统计学上的理论关系，采取抽样的方法来评价微颗粒混合料( 矿 料) 的均匀性，并计算均匀性的程度和等级。具体方法就是把多种微颗粒视作一系列包括 主要成分和余下成分的双元混合料，通过样本偏差与随机混合料偏差间的比较，检验均匀 性。 2 0 0 1 年t a s h m a n 等人1 47 j 发表文章，提出如何研究混合料中粒径大于2 3 6 m m 的集料的 离析状况。其方法是把混合料的水平截面和竖直截面划分成等面积的内外两区域，选择能 够描述这些区域内集料平均粒径差异的参数来评价离析。 基丁数字图像处理技术，2 0 0 4 年a e h u n t e r 等人【4 8 1 在t r b 上撰文，提出评价混合料中集 7 第1 章绪论 料离析的两种方法。这两种方法都是通过比较截面上相等i 又：域里集料累计面积值的大小来 评价离析程度的。 2 0 0 3 年，华南理工大学道路1 ：程研究所1 6 5 1 开发了一套基于数字图像技术得沥青混合料 路面表面构造深度检测方法( 图像法) 。该方法采用普通数码相机记录道路表面的构造特 征，经计算机处理获得具有面积属性的道路表面构造深度信息，并以此可作为路面表面离 析的识别方法。 基于n c h r p r e p o r t 4 4 1 中的大量试验数据，2 0 0 4 年的t r b 上，吴军霞( 音译) 等人1 4 9 l 对用多元变鼙模型来评价沥青混合料路面的离析进行了分析。提出沥青路面的离析程度能 够从其主要成分( 空隙率、沥青含量和级配) 的变化上来预测，密实度的变化与离析的程 度间有着很好的相关性。式( 1 4 ) 用于预测密实度的变化( 相对于非离析区域而言，下同) 。 幽= 】3 9 1 删v + 0 2 9 1 1 9 o + 0 8 6 2 疋恬a 5 + o 7 5 6 ( 1 4 ) 式中，如。胁一密实度的变化； 丘 棚，广空隙率的变化： 玩乎，妒l r 通过筛孔1 9 o m m 集料的质量百分率； 忍 n ，广一通过筛孔o 1 5 m m 集料的质量百分率。 t a s h m a n 法、h u n t e r 法虽能评价沥青路面在深度方向上的离析状况，但它们的评价结果 却是部分的，不全面的，因为这两种方法在考虑截面上集料的分布数目( 累计的集料面积 表示) 的同时，对集料的分布位置考虑的不多。与使用激光断面仪的方法一样，图像法仅 能识别沥青混合料路面表面的缺陷，在深度方向上有关非均匀性的信息则无法获取。多元 变量模型仅能提供相对结果，而不能获得混合料中各成分具体的分布状况。 1 3 本文主要研究内容 全文的研究内容主要包括以下4 方面： ( 1 ) 提出沥青混合料均匀性定量评价方法。基于数字图像处理技术，本文共提出6 种 沥青混合料均匀性的定量评价方法，并对每一种评价方法都进行了验证。 ( 2 ) 提出沥青混合料均匀性指标。在提出沥青混合料均匀性评价方法的基础上，提出 沥青混合料均匀性指标，并对指标进行界定。 ( 3 ) 研究沥青混合料均匀性指标的影响因素。以室内试验为主，结合现场取样分析， 重点研究集料的粒径、级配和类型以及混合料的含油量、成型方法、压实功、成型温度等 对沥青混合料均匀性指标的影响。 ( 4 ) 研究沥青混合料均匀性与其性能变异性的关系。通过试验。分析沥青混合料均匀 性与其空隙率变异性、动稳定度变异性以及力学强度变异性间的相互关系。 8 第2 章数字图像处理技术 第2 章数字图像处理技术 数字图像处理技术是本研究所采用的技术手段，是本研究：r 作能否顺利展开的关键冈 素之一。不同的学科，可能对数字图像处理技术的理解会有所不同。因此，在阐述本文的 研究内容之前，有必要对数字图像处理技术及相关概念做一简单的介绍。本章参照一些新 近的有关数字i 割像处理的。 s 籍【5 0 j 【6 6 1 1 7 2 l 。 2 1 概述 数字图像处理技术即用计算机对图像进行处理。 早在本世纪2 0 年代，人们利用巴特兰( b a r t l a n e ) 电缆图片传输系统，经过人西洋传送 了第一幅数字图像，它使传输的时间从一个多星期减少到了三小时，使人们感受到数字图 像传输的威力。在1 9 6 4 年，美国喷射推进实验室( j p l ) 进行了太空探测工作，当时用计 算机来处理测距器7 号发网的月球图片，以校正飞船上电视摄像机中各种不同形式的固有 的图像畸变，这些技术都是图像增强和复原的基础。同时他们成功地用计算机绘制出月球 表面的地图。随后在1 9 6 5 年又对徘徊者8 号发同的几万张照片进行较为复杂的数字图像处 理，使图像的质量进一步提高。j p l 的。【作引起了世界许多有关方面的注意，j p l 也更加重 视数字图像技术的研究，投入了更人的力量。并取得了许多非凡的成果。与此同时，j p l 以 及世界各国有关部门已把数字图像处理技术从空间技术开发到生物医学x 射线图像增强、 光