CN111257218A - 基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波和图像处理的沥青‑集料粘附性定量评价方法，属于道路工程领域，包括：将5.3～5.7g沥青与100g集料加热至150℃～160℃后拌合1～2min以得到裹覆了沥青的集料，将其置于超声波清洗机中进行超声剥离处理；然后移置注水的白瓷碗中，拍照获得集料的清晰图像；利用图像处理对集料图像进行灰度处理，统计得到表示沥青裹覆面积和集料面积的像素点总数，两者比值即为集料表面沥青裹覆率，以此评价沥青与集料的粘附性。本发明克服了传统的水煮法、水浸法在评价沥青与集料粘附性时准确度低、人为误差大的缺点，它具有检测精度高、准确度好的优点，可用于定量分析沥青与集料粘附性。

Description

基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，更具体地，涉及一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法，主要是采用超声波法模拟沥青路面动水损害过程并采用图像处理方法量化评价沥青-集料的粘附性。

背景技术

沥青路面材料因其优异的路用性能而被广泛应用于高等级公路建设。然而，沥青路面在服役过程中因受车辆荷载、光照、雨水等因素作用会产生各种病害。其中，沥青路面的水损害是影响我国沥青路面服役年限最主要的病害之一。沥青路面水损害是指水分渗入沥青路面空隙并在车轮荷载作用下产生动水压力，水分渗入沥青与集料的界面上，沥青逐渐丧失与集料的粘结力，沥青膜从集料表面剥离，沥青路面出现松散、掉粒和坑槽等病害。引起沥青路面水损害的根本原因是沥青与集料间的粘附性差，因此粘附性评价在沥青路面材料设计中具有重要的作用。然而，目前道路工程中主要采用水煮法评价粘附性。它是将裹覆了沥青的集料置于沸水中浸煮，通过肉眼观察集料表面沥青剥落情况，估计大概剥落率，定性评价其粘附等级。该方法仅能模拟静水条件下沥青从集料表面剥离的情况，而与实际动水对沥青剥离的作用不符；且该方法对于粘附性等级的评定主要是由观察者的目测判断，评定结果因人而异，因此主观性太强，人为误差太大，缺乏定量指标，对于粘附等级类似的样品区分度不够，难以定量评价粘附效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法，由此解决传统的水煮法、水浸法在评价沥青与集料粘附性时准确度低、人为误差大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法，包括：

(1)将若干量沥青与集料加热后，进行混合拌合以得到裹覆了沥青的集料，然后将裹覆了沥青的集料摊开并置于室温下冷却；

(2)将冷却后的裹覆有沥青的集料进行超声剥离处理；

(3)将经过超声剥离处理的集料置于水中，并获取集料的目标图像；

(4)对所述目标图像进行灰度处理，并调节图像灰度阈值以适应集料面积和沥青裹覆面积，以得到灰度图像；

(5)对所述灰度图像进行像素统计分析，以获得表示集料总面积的第一像素点数量与集料的沥青裹覆面积的第二像素点数量，由所述第二像素点数量与所述第一像素点数量的比值表示集料表面沥青裹覆率，进而由所述集料表面沥青裹覆率分析沥青与集料粘附性，其中，所述集料表面沥青裹覆率值越大粘附性越好。

优选地，步骤(2)中进行超声剥离处理时的水温控制在55℃～65℃，超声的频率为40khz～60khz，超声加速剥离的时间为40min～60min。

优选地，步骤(3)中的注水深度没过集料至少2cm。

优选地，在步骤(3)中获取的所述目标图像中无阴影，且沥青表面无反光。

优选地，步骤(4)包括：

对所述目标图像进行灰度处理，将彩色的所述目标图像转化为8-bit的灰度图像，其中，表示集料面积和沥青裹覆面积的灰度阈值取值范围分别在170～200和70～90之间。

优选地，步骤(1)包括：

将5.3g～5.7g沥青与若干量粒径为9.5mm～13.2mm的集料加热至150℃～160℃，混合后拌合1～2min以得到裹覆了沥青的集料，摊开并置于室温下冷却若干时间备用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用超声波模拟沥青路面的动水损害过程，与真实沥青路面水损害过程更相符，模拟准确度更高，模拟实验条件容易实现。

2、本发明采用图像处理技术能准确计算水损害过后的沥青与集料的剥落率，排除了人为因素的影响，结果可靠性高，误差小。

3、本发明实现了沥青与集料粘附性的定量评价，解决了现有评价方法只能定性分析的缺点，方法简单可行，适合推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种超声处理后的剥落集料的彩色原始图像；

图3是本发明实施例提供的一种彩色RGB图像经图像处理后的8-bit灰度图；

图4是本发明实施例提供的一种灰度图调整灰度阈值为190时对应的集料面积图；

图5是本发明实施例提供的一种灰度图调整灰度阈值为85时对应的沥青裹覆面积图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示是本发明实施例提供的一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法的流程示意图，包括以下步骤：

(1)将若干量沥青与集料加热后，进行混合拌合以得到裹覆了沥青的集料，然后将裹覆了沥青的集料摊开并置于室温下冷却；

在本发明实施例中，步骤(1)具体包括：

将5.3g～5.7g沥青与若干量粒径为9.5mm～13.2mm的集料加热至150℃～160℃，混合后拌合1～2min以得到裹覆了沥青的集料，摊开并置于室温下冷却若干时间备用。

(2)将冷却后的裹覆有沥青的集料进行超声剥离处理；

在本发明实施例中，可以将冷却后的裹覆有沥青的集料置于超声波清洗机中进行超声剥离处理。

其中，步骤(2)中进行超声剥离处理时的水温控制在55℃～65℃，超声的频率为40khz～60khz，超声加速剥离的时间为40min～60min。

(3)将经过超声剥离处理的集料置于水中，并获取集料的目标图像；

在本发明实施例中，步骤(3)中的注水深度没过集料至少2cm。

在本发明实施例中，可以将经过超声剥离处理的集料置于注水的白瓷碗中，其中，注水白瓷碗可以选择直径大于15cm、深度超过10cm内壁为白色的瓷碗或搪瓷碗，注水深度没过集料至少2cm。

在本发明实施例中，可以从步骤3)中超声处理后的集料中选取6～8颗用于成像。

在本发明实施例中，可以通过在外加光源照射下拍照获得集料的清晰图像，其中，外加光源可以为环形无影灯，保证所得的剥落集料图像中无阴影，拍照设备可选用手机或相机等且关闭闪光以避免沥青表面反光影响图像分析，拍照设备对焦于集料表面并调大光圈以增强集料与背景对比度。

(4)对目标图像进行灰度处理，并调节图像灰度阈值以适应集料面积和沥青裹覆面积，以得到灰度图像；

在本发明实施例中，步骤(4)包括：

对目标图像进行灰度处理，将彩色的目标图像转化为8-bit的灰度图像，其中，表示集料面积和沥青裹覆面积的灰度阈值取值范围分别在170～200和70～90之间。

(5)对灰度图像进行像素统计分析，以获得表示集料总面积的第一像素点数量与集料的沥青裹覆面积的第二像素点数量，由第二像素点数量与第一像素点数量的比值表示集料表面沥青裹覆率，进而由集料表面沥青裹覆率分析沥青与集料粘附性，其中，集料表面沥青裹覆率值越大粘附性越好。

实施例1：

一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法，包括如下步骤：

1)取粒径9.5～13.2mm的100g集料与5.5±0.2g沥青在150℃的拌和温度下均匀拌和，在玻璃板上摊开，置于室温下冷却1h备用；

2)将裹覆有沥青的集料均分为三组，分别置于超声波清洗机进行超声剥离，水温控制在60℃，超声波频率为40khz，超声过程持续40min；

3)将处理后的集料取出，选取6～8颗置于注水白瓷碗中，在环形无影灯照射下，对集料进行成像，获得表示集料的清晰图像，如图2所示，在环形无影灯照射下，得到的集料图像为彩色RGB图像；

4)对图像进行灰度处理，即将彩色RGB图像转换成8-bit的灰度图，如图3所示；

5)调节灰度图的灰度阈值使选区适应集料面积和沥青裹覆面积，表示集料面积和沥青裹覆面积的灰度阈值分别为190和85，如图4所示是灰度图调整灰度阈值为190时对应的集料面积图；图5所示是灰度图调整灰度阈值为85时对应的沥青裹覆面积图；

6)统计表示集料面积和沥青裹覆面积的选区的像素点总数，沥青裹覆面积像素点总数Sb与集料面积像素点总数Sa之比即为沥青裹覆率A，A＝Sb/Sa×100％；

7)分别求得三组样品的沥青裹覆率，取平均值作为最终裹覆率。

选取90号沥青与四种不同酸碱性的石料(石灰岩、玄武岩、安山岩、花岗岩)的混合料进行粘附性评估，并与按当前规范方法(JTG E20-2011)中水浸法评估的结果进行对比，结果见表1。由表1可以看出使用本发明提出的分析沥青与集料粘附性的方法测得的三组样品的沥青裹覆率与平均值均相差较小，说明数据误差小、结果真实可靠。石灰岩、玄武岩、安山岩和花岗岩分别代表强碱性、弱碱性、中性和酸性石料，其与沥青的粘附性也逐渐降低。采用本发明方法得到的沥青裹覆率也正确反映这一规律，说明其与实际粘附性相关性良好。现行规范中沥青与集料的粘附性等级划分(表2)不是按照等量沥青剥落率划分的且界定比较笼统，本发明方法给出了确切的沥青裹覆率A值，摆脱了现有方法定性分析的弊端，评价精度远高于现有规范的分级评价标准。

采用本发明方法得到的沥青裹覆率A值可用于辅助判定规范要求的粘附性等级，并根据规范评定标准给出了建议的各粘附等级对应的A值，见表3。

表1 90号沥青与四种集料超声水处理后的沥青裹覆率

表2沥青与集料的粘附性等级评定标准

表3各粘附性等级对应的A值

规范评定的粘附性等级	对应的A值
		5	A≥97％
4	97％＞A≥90％
		3	90％＞A≥70％
2	70％＞A≥10％
		1	A＜10％

实施例2：

与实施例1不同的是：选择的90号沥青中掺加了0.3wt％的液体抗剥落剂(非胺类，PM-JL-06A型沥青抗剥落剂)，掺加液体抗剥落剂后能显著提高沥青与酸性集料间的粘附性。将加热至流动状态的90号沥青与所规定量的液体抗剥落剂混合，在高速剪切机下(150℃，3000r/min)剪切10min，制得所需改性沥青。其它步骤与实施例1相同。表4是掺加抗剥落剂后90号沥青与四种集料超声加速水损害后的沥青裹覆率。

由表4可以看出，沥青中掺加抗剥落剂后，均提高了与四种石料的粘附性。其中，沥青与酸性集料花岗岩和中性集料安山岩的粘附性均大幅提高，超声剥离处理后的沥青裹覆率均有所增加，而与碱性集料石灰岩和玄武岩的粘附性提升效果不明显。采用规范要求的水浸法评估的沥青与集料的粘附性等级均为4～5级，其中，沥青与玄武岩、安山岩和花岗岩的粘附性等级均为4级，但实际三者沥青剥落率仍有所区别，采用规范评定的粘附性等级不能很好的区分这种差别。而本发明定量分析粘附性具有较好的区分度，为有效精确的评估粘附性提供准确的数据支撑。

表4掺加抗剥落剂的90号沥青与四种集料超声水处理后的沥青裹覆率

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超声波和图像处理的沥青-集料粘附性定量评价方法，其特征在于，包括：

(1)将若干量沥青与集料加热后，进行混合拌合以得到裹覆了沥青的集料，然后将裹覆了沥青的集料摊开并置于室温下冷却；

(2)将冷却后的裹覆有沥青的集料进行超声剥离处理；

(3)将经过超声剥离处理的集料置于水中，并获取集料的目标图像；

(4)对所述目标图像进行灰度处理，并调节图像灰度阈值以适应集料面积和沥青裹覆面积，以得到灰度图像；

(5)对所述灰度图像进行像素统计分析，以获得表示集料总面积的第一像素点数量与集料的沥青裹覆面积的第二像素点数量，由所述第二像素点数量与所述第一像素点数量的比值表示集料表面沥青裹覆率，进而由所述集料表面沥青裹覆率分析沥青与集料粘附性，其中，所述集料表面沥青裹覆率值越大粘附性越好。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中进行超声剥离处理时的水温控制在55℃～65℃，超声的频率为40khz～60khz，超声加速剥离的时间为40min～60min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的注水深度没过集料至少2cm。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中获取的所述目标图像中无阴影，且沥青表面无反光。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：

对所述目标图像进行灰度处理，将彩色的所述目标图像转化为8-bit的灰度图像，其中，表示集料面积和沥青裹覆面积的灰度阈值取值范围分别在170～200和70～90之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：

将5.3g～5.7g沥青与若干量粒径为9.5mm～13.2mm的集料加热至150℃～160℃，混合后拌合1～2min以得到裹覆了沥青的集料，摊开并置于室温下冷却若干时间备用。

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