CN102012356A - 一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法，在借鉴图像处理技术在沥青混合料领域成功使用经验的基础上，综合运用图像处理技术和概率理论，提出了包括沥青混合料截面的图像获取、集料信息提取和集料级配转换在内的一整套沥青路面级配快速测定的方法。本发明方法只需要在路表打磨1mm的厚度，对原有路面结构和功能没有破坏和损伤，不仅可以分析沥青混合料摊铺过程中集料的离析程度，还可以定量分析路面实际级配与设计级配的差异，便于施工过程中对集料级配进行及时、有效的调整。

Description

一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法

技术领域

本发明属于沥青路面面层施工质量控制的应用技术领域，具体涉及一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法。

背景技术

作为道路结构的主要型式之一，沥青混凝土路面因具有行车舒适、维修方便等优势在中国得到了十分广泛的应用。然而，有些沥青路面在设计使用年限内即出现了不同程度的损坏，其中路表水损坏、局部脱落等是常见的病害类型。经过大量的调查研究，道路工作者发现沥青混凝土面层的摊铺质量，尤其是包括集料级配控制、离析防治等在内的施工质量控制是导致沥青路面面层材料早期损坏的重要原因。

为了保证沥青混凝土面层施工尤其是混合料摊铺的质量，对集料级配稳定性和离析程度进行有效的监控显得尤为必要。在这一方面，国内外学者进行了大量的研究，并且提出了一些评价沥青混凝土路面集料离析程度的方法，这些方法大体上可以分为破损和无破损两类。破损类主要是对路面进行钻孔取芯，对芯样的水平截面和竖直截面内集料的面积进行统计分析，进而研究集料的离析程度。无损检测方法包括核子密度仪、激光断面仪和热成像三种方法。其中，核子密度仪法主要是基于混合料密度随着粗集料离析的加重而降低这一原则，通过描绘路面沿纵向的密度来识别离析区域；激光断面仪法通过激光断面仪所测得的表面构造深度，与事先假定的非离析区域内表面构造深度之间的比较来评价离析程度；热成像则是在路面混凝土摊铺过程中，采用热成像仪获取路表的热能量视图，根据视图中色彩的变化，分析路面摊铺的不均匀性。

但是，随着路面施工中质量控制研究的深入，上述方法的缺陷也逐渐被人们所认识，主要有：(1)破损类方法需要运用专业作业工具对路面进行钻孔操作，而且事后需要对坑孔进行回填，其过程繁琐；无损类测试方法需要十分专业的设备，目前核子密度仪、激光断面仪和热成像等设备在中国尚未得到大面积应用；(2)核子密度仪法的主要前提假设是混合料的密度随着粗集料离析的加重而降低，这一假设没有考虑到级配和最大密实曲线的关系，而且不同来源集料的测试变异性不同，比如石灰岩的变异性大于玄武岩；(3)激光断面仪法只能通过测量沥青混凝土路面的表面缺陷，对离析程度进行定性的分析与判断，而且测试时激光断面仪移动速度不能过快、路表要保持干燥；(4)在热成像法中，温度和级配离析都会在热能量视图中显示“冷”域，这就需要采取进一步试验以更加准确地评价级配的离析程度；而且由于面层的压实会改变表面热量的特征，因而热能量数据要在混合料第一次压实前取得，这必然对施工组织提出了更高的要求。

由上述介绍可见，现有沥青混凝土路面离析评价方法都或多或少地存在不足，而且各种评价方法都只能对集料的离析进行评价，并不能获得集料的级配特征。值得注意的是，路面集料级配的获取对于路面施工质量的控制具有十分重要的意义，它一方面可以评价集料的离析程度，另一方面还可以监测摊铺过程中沥青混合料级配与设计级配的差异，并据此对混合料拌合时的配合比进行相应的调整。因此，设计一种沥青路面集料级配的快速检测方法对于提高沥青面层的施工质量显得十分必要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法。

技术方案：本发明所述的沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法，是在借鉴图像处理技术在沥青混合料领域成功使用经验的基础上，综合运用图像处理技术和概率理论，提出了包括沥青混合料截面的图像获取、集料信息提取和集料级配转换在内的一整套沥青路面级配快速测定的方法。

本发明所述的沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法，具体包括如下步骤：

(1)在沥青面层选择一正方形区域作为集料级配测定和分析的对象，所述的正方形区域的边长优选为30cm；

(2)打磨正方形区域至少1mm的深度并清洁其表面；对于浮尘较多的情形，采用清水洗净方形区域，并晾干；

(3)采用像素不低于300万的数码相机，拍摄正方形区域，获得其数码相片，并将所述数码相片转化为黑白图像，获得图像的分辨率为a像素；黑白图像的获得方法为：在计算机内导入数码相片，采用PhotoShop、HyperSnap、ImagePlus Pro等图像处理软件，把数码相片转化为黑白图像，获得图像的分辨率为a像素；

(4)把获得的黑白图像导入至Image Plus Pro软件内，按

把集料控制筛孔的单位由mm转化为像素，然后分析图像内各粒径集料的数量百分比；其中a为图像的分辨率，c是集料以mm为单位的控制筛孔，b是以像素为单位的集料控制筛孔；

具体操作方法为：

A、集料粒径的转化

根据沥青面层所采用集料的最大粒径，把集料分成几个档次，如：当集料最大粒径为16mm时，则可以分成13.2mm～16mm、9.5mm～13.2mm、4.75mm～9.5mm和2.36mm～4.75mm四档集料，对应于0.52a像素～0.63a像素、0.37a像素～0.52a像素、0.19a像素～0.37a像素、0.09a像素～0.19a像素四档以点/英寸为单位的集料粒径。

B、数量级配的获取

把黑白图像导入至Image Plus Pro图像处理软件内，并按照“Measure”-“Count/Size”-“Measure”进入“Select Measurements”对话框，选择“Perimeter(ellipse)”(集料的当量圆直径)作为集料粒径大小的评价指标；返回至“Count/Size”对话框，点击“Count”，并点击“Measure”菜单内的“Single Variable Class”，在“Bins Start”内按由小到大的顺序设置集料的控制粒径(对于最大粒径为16mm的沥青混合料，控制粒径分别为0.09a、0.19a、0.37a、0.52a和0.63a)，由此可以得到粒径分别在0.09a～0.19a、0.19a～0.37a、0.37a～0.52a和0.52a～0.63a内的集料数量。

图像处理软件内尺寸的单位为像素，因此在对集料粒径大小进行识别时，需要把传统的集料尺寸单位mm按照下式转化为像素。

$b=\frac{\mathrm{ac}}{25.4}---\left(1\right)$

式中，a为黑白图像的分辨率；b为以像素为单位的集料控制粒径大小；c为以mm为单位的集料控制粒径大小。

(5)按照

把粒径为d_i～d_i+1的第i档集料数重百分比，转化为粒径为d_i～d_i+1的第i档集料的质重分数，获得沥青面层混合料中集料的质量级配。

步骤(5)具体计算原理如下：

为了便于运用概率理论，假定集料为球体，则对于任一直径为d_i的球形集料被一平面相切得到直径为d_j平面圆，其概率为

P(D_圆＝d_j|D_球＝d_i)        (2)

其中，P(D_圆＝d₁|D_球＝d_i)可理解为各粒径集料对形成直径d₁的平面圆所作的“贡献”，当然可以得出

P(D_圆＝d_j)＝ΣP(D_球＝d_i)·P(D_圆＝d_j|D_球＝d_i)    (3)

式中，P(D_圆＝d_j)为等效直径d_j的平面圆在单位面积的混合料截面内出现的概率，可由数字图像技术求得；P(D_球＝d_i)为混合料内部所有集料中，当量直径为d_i的球形出现的概率，即体积比，当混合料中粗细集料密度相差不大时，可以把体积比理解为质量比，可转化为各级集料的通过率或混合料级配；由式(3)不难看出，由混合料级配P(D_球＝d_i)推测截面级配P(D_圆＝d_j)，需要解决的关键问题是P(D_圆＝d_j|D_球＝d_i)的求解；

根据Saltykov，DeHoff等学者的研究，在球形骨料假设条件下，如果将二维截面上所有截面圆按照直径分为m组，直径为d_j～d_j+1的第j组截面圆出现的频率数为N(D_圆＝d_j)，三维骨料按照直径分为n组，直径为d_i～d_i+1的第i组骨料出现的频率数为N(D_球＝d_i)，则两者存在如下关系：

亦即

其中，Δ为组距，

k_ji即为第i组集料对形成第j组截面圆的贡献量，也就是P(D_圆＝d_j|D_球＝d_i)在多级粒径下的数学表达；考虑到集料级配为质量级配，本发明提出了由平面数量级配计算混合料质量级配的计算公式：

根据体视学理论，参照戈德史密斯-克鲁兹-奥里夫法，有

k_ji＝0(j≠i，j＞i)                                        (7)

k_ji＝[(i-1/2)²-(j-1)²]^1/2＝(i-3/4)^1/2(i＝j)               (8)

k_ji＝[(i-1/2)²-(j-1)²]^1/2-[(i-1/2)²-j]^1/2(j≠i，j＜i)     (9)

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、本发明方法只需要在路表打磨1mm的厚度，对原有路面结构和功能没有破坏和损伤；(2)本发明无需大型专业设备即可对沥青路面的集料级配进行检测，且检测过程方便、简洁；(3)本发明不仅可以分析沥青混合料摊铺过程中的离析程度，还可以定量分析路面实际级配与设计级配的差异，便于施工过程中对集料级配进行及时、有效的调整。

附图说明

图1为沥青面层表面30cm边长的正方形区域的黑白图像；

图2为Image Plus Pro软件对图1内集料进行粒径大小的识别示意图，其中四种集料的颜色分别表示四种不同的粒径范围：13.2mm～16mm、9.5mm～13.2mm、4.75mm～9.5mm和2.36mm～4.75mm；

图3为沥青面层表面30cm边长的正方形区域内各粒径集料的数量分布图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法，包括如下步骤：

(1)路表沥青面层混合料图像的获取

近年来，图像处理技术在沥青混凝土材料领域已经得到了逐步应用。在实验室内，采用对沥青混凝土试件截面进行数码拍照，并对数码相片进行信息提取的方法可以很好的获得试件截面内集料的各项信息。

与实验室内的研究方法相类似，为了检测沥青混凝土路面中集料的级配，也需要首先获取具有一定尺寸的沥青混凝土截面，以此作为集料信息提取的对象。为此，首先在摊铺、压实后的沥青路面表层上选择一块边长约为50cm的正方形区域，采用便携式打磨机对正方形区域表面进行打磨，打磨深度为1mm；接着，对于打磨后浮尘较多的情形，可以对方形区域进行清水冲洗，晾干后备用；最后，用粉笔标示出边长为30cm的正方形的四条边，采用高分辨率(300万像素以上)数码相机，拍摄30cm边长正方形区域，获取其数码图像作为图像处理的对象。值得注意的是，拍摄过程中要保证光照均匀，使整个图像的明暗度一致。

(2)路表沥青混合料图像的处理

把采集到的边长为30cm正方形区域的数码相片导入至计算机内，运用PhotoShop、HyperSnap、Image Plus Pro等图像处理软件，把拍摄的彩色图像转为黑色和白色组成的黑白图像，并以白色表示正方形区域内的集料颗粒，黑色代表沥青砂浆，并获得此黑白图像的分辨率为a像素(点/英寸)；图1即为30cm方形沥青混凝土的黑白图像。

(3)平面内集料数量级配的获取

采用Image Plus Pro软件，导入黑白图像，按照当量圆直径的大小，对图像内集料的信息(面积、级配)等进行提取，图2即是Image Plus Pro软件对图1内集料进行粒径大小的识别，其中四种集料的颜色分别表示四种不同的粒径范围：13.2mm～16mm、9.5mm～13.2mm、4.75mm～9.5mm和2.36mm～4.75mm。在集料粒径提取后，即可获得沥青混凝土截面上不同粒径范围内集料的数量比例关系(或者数量百分率)，图3为上述四个粒径范围内集料的数量比例。值得注意的是，图像处理软件内尺寸的单位为像素，因此在对集料粒径大小进行识别时，需要把传统的集料尺寸单位mm按照下式转化为像素。

$b=\frac{\mathrm{ac}}{25.4}---\left(1\right)$

式中，a为黑白图像的分辨率；b为以像素为单位的集料控制粒径大小；c为以mm为单位的集料控制粒径大小。

(4)路表沥青混合料级配的转换

通常意义上的集料级配是指不同粒径大小的集料在质量上的比例关系，而上述集料数量级配则是不同当量圆大小的集料截面的数量比例关系，因此需要把此数量级配转化为质量级配。

对采集到的集料在平面上数量百分率，带入到式(6)计算得到直径为d_i～d_i+1的第i档集料质量的比例。

其中，

k_ji＝0(j≠i，j＞i)                                    (7)

k_ji＝[(i-1/2)²-(j-1)²]^1/2＝(i-3/4)^1/2(i＝j)           (8)

k_ji＝[(i-1/2)²-(j-1)²]^1/2-[(i-1/2)²-j]^1/2(j≠i，j＜i) (9)

把经检测、计算得到的沥青混合料级配与沥青路面施工时混合料的设计级配进行比较，对沥青混合料拌合时各粒径集料的投放比例进行适当的调整

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在沥青面层选择一正方形区域作为集料级配测定和分析的对象；

(2)打磨正方形区域至少1mm的深度并清洁其表面；

(3)采用像素不低于300万的数码相机，拍摄正方形区域，获得其数码相片，并将所述数码相片转化为黑白图像，获得图像的分辨率为a像素；

(4)把获得的黑白图像导入至Image Plus Pro软件内，按

把集料控制筛孔的单位由mm转化为像素，分析图像内各粒径集料的数量百分比；其中a为图像的分辨率，c是集料以mm为单位的控制筛孔，b是以像素为单位的集料控制筛孔；

(5)按照

把粒径为d_j～d_j+1的第j组集料数量百分比，转化为粒径为d_i～d_i+1的第i档集料的质量分数，获得沥青面层混合料中集料的质量级配；其中N(D_球＝d_i)为直径为d_i～d_i+1的第i组集料的质量百分率，N(D_圆＝d_j)为沥青混合料截面上直径为d_j～d_j+1的第j组集料截面的质量百分率，Δ为组距，k_ji为第i组集料对形成第j组截面圆的贡献量。

2.根据权利要求1所述的沥青混凝土路面集料级配的快速检测方法，其特征在于：步骤1中所述的正方形区域的边长为30cm。

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