萬 成，徐 科，張肖寧，易 強(qiáng)

(1.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004；3.廣東長大公路工程有限公司， 廣東廣州511431； 4.華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院， 廣東廣州510006)

基于彩色數(shù)字圖像技術(shù)的級配顆粒均勻度評價方法

萬 成1,2，徐 科3，張肖寧4，易 強(qiáng)1,2

(1.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004；3.廣東長大公路工程有限公司， 廣東廣州511431； 4.華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院， 廣東廣州510006)

為了對瀝青混合料級配顆粒均勻度進(jìn)行定量評價，基于彩色數(shù)字圖像處理技術(shù)準(zhǔn)確提取集料顆粒，引入顆粒平均粒度與均勻度指標(biāo)，結(jié)合彩色數(shù)字圖像處理方法，對5種最大粒徑為16 mm的瀝青混合料級配分別采用中位直徑和頻率直徑來評定瀝青混合料級配的均勻性。研究結(jié)果表明：基于彩色數(shù)字圖像處理技術(shù)的級配顆粒均勻度評價方法避免了大顆粒被判斷為小顆粒的缺陷，保證全部粗集料顆粒均被有效提取，采用中位直徑與頻率直徑進(jìn)行級配均勻性評價，其準(zhǔn)確度較高，同時發(fā)現(xiàn)，AM-16類級配較SMA-16級配偏粗，但其粒度均勻性小于AK-16級配。粒度均勻性指標(biāo)可以較好評價級配的均勻程度，可為級配顆粒均勻性評價提供一種有效的定量評價依據(jù)。

瀝青混合料；級配均勻度；平均粒度；彩色數(shù)字圖像

0 引 言

粗集料顆粒構(gòu)成混合料的骨架結(jié)構(gòu)，對瀝青路面的各項(xiàng)使用性能起著至關(guān)重要的作用[1-3]。瀝青混合料的設(shè)計(jì)必須從瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)選擇入手，經(jīng)過合理選擇粗細(xì)集料比例以及填充礦料用量，使混合料達(dá)到既形成嵌擠又能保證密實(shí)狀態(tài)。集料體積比例與填充料用量選擇不當(dāng)，則不能使所設(shè)計(jì)的瀝青混合料形成良好的骨架—密實(shí)結(jié)構(gòu)[4]。

AL-MOSAWE等[5]對級配與性能的相互關(guān)系作了定性研究，對可能存在問題的區(qū)域做出提示。山東交通科學(xué)研究院根據(jù)多年來瀝青路面表面層混合料的研究結(jié)果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為級配對路面瀝青混合料的影響仍可以細(xì)化[6]。

鑒于研究手段的限制，目前級配設(shè)計(jì)主要還是憑借經(jīng)驗(yàn)，無法對級配粗細(xì)均勻的合理性進(jìn)行定量評價[7-8]?；诖?，研究人員開始基于灰度的混合料數(shù)字圖像處理技術(shù)，對試件進(jìn)行切割截面來分析瀝青混合料級配內(nèi)部結(jié)構(gòu)[9-10]。然而，利用集料顆粒截面的幾何參數(shù)信息所獲得集料顆粒粒徑進(jìn)行歸類本身存有較大的系統(tǒng)誤差，該誤差源自于切割過程中集料顆粒截面位置的隨機(jī)分布，使集料大顆粒極有可能被誤判為小顆粒。因此，有必要研究合適的方法，以準(zhǔn)確提取混合料試件截面中的粗集料顆粒，從而評價集料級配粗細(xì)均勻狀況是否與真實(shí)瀝青內(nèi)部粗集料形態(tài)接近。

基于彩色數(shù)字圖像處理技術(shù)的粗集料顆粒提取方法為解決顆粒誤判提供了可能。本研究基于彩色閥值分割技術(shù)準(zhǔn)確提取粗集料顆粒，引入顆粒平均粒度與均勻度兩個指標(biāo)，結(jié)合彩色數(shù)字圖像處理方法，對5種最大粒徑16mm的級配分別采用中位直徑和頻率直徑來評定瀝青混合料級配的粗細(xì)程度，并對其級配均勻合理性進(jìn)行定量評價。

圖1 利用彩色石料區(qū)別粗、細(xì)集料Fig.1 Using color stone to distinguish the coarse and fine particle

1 瀝青混合料彩色數(shù)字圖像處理技術(shù)

為避免系統(tǒng)誤差而準(zhǔn)確提取粗集料顆粒，本研究采用彩色閥值分割圖像提取粗集料顆粒信息。圖1所示圖像為粗集料使用紅色石料的試件截面圖。

基于彩色閾值的分割技術(shù)，無需將試件的彩色截面轉(zhuǎn)換為灰度圖像，只需直接利用彩色灰度直方圖確定閥值。對彩色截面圖像進(jìn)行初步處理后可直接獲得截面圖的紅、綠、藍(lán)三原色直方圖，與圖2的紅、綠、藍(lán)三原色直方圖相對應(yīng)[11]。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，采用紅色集料作為粗集料導(dǎo)致紅色灰度直方圖像呈明顯的雙峰，而綠色與藍(lán)色的直方圖雙峰效果不明顯。據(jù)此可直接根據(jù)紅色的灰度直方圖確定適合的閥值，對混合料圖像進(jìn)行二值化處理，從而完成對粗集料顆粒的分割提取，結(jié)果如圖3所示。圖1黑白灰度直方圖如圖4所示。利用雙峰法分割圖像結(jié)果如圖5所示。

圖2 彩色圖像紅、綠、藍(lán)三原色直方圖

Fig.2 RGB color histogram of image

圖3 圖像二值化結(jié)果

Fig.3 Binary results of the image

圖4 黑白灰度直方圖

Fig.4 Black and white grey histogram

圖5 黑白灰度直方圖的圖像分割結(jié)果

Fig.5 Segment result based on black and white grey histogram

值得一提的是，采用彩色閥值分割圖像的方法主要適用于以全部粗集料顆粒為對象的研究，如研究粗集料中各粒徑顆粒的分布情況，需協(xié)同采用彩色閥值圖像分割法與顆粒幾何參數(shù)特征提取法，這樣必然給結(jié)果帶有一定的系統(tǒng)誤差。如條件充許，可采用多種不同色彩的粗集料顆粒制備試件，利用各彩色的灰度直方圖確定閥值分割圖像，從而保證各檔集料顆粒提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。

利用彩色灰度直方圖選定適合閥值提取粗集料顆粒的方法，可避免單純利用顆粒幾何參數(shù)特征提取粗集料顆粒的弊端。彩色的集料顆粒其任意截面均為彩色，采用彩色閥值分割圖像，可避免大顆粒被判斷為小顆粒的誤差，保證全部粗集料顆粒均被有效提取。

2 平均粒度與粒度均勻度

2.1 平均粒度

顆粒的平均粒度是評價合成級配粗細(xì)的一個量度。在瀝青混合料的級配中包含不同粒徑尺寸的顆粒體，粒級的表征方法主要以粒群質(zhì)量比來表示，也可用顆粒個數(shù)來表示。主要有峰值直徑、中位直徑和頻率直徑3個參數(shù)。峰值直徑是指顆粒在最高頻率處的相對粒徑；中位直徑是指對應(yīng)累積通過率為50%處的顆粒直徑；頻率直徑是指各篩孔的平均粒度與其通過率的乘積除以累計(jì)通過率，即：

(1)

式中，D為頻率直徑；i為第i類篩孔對應(yīng)的等效直徑尺寸，i=1，2，3，…，n；DAi為第i類篩孔尺寸對應(yīng)的等效直徑平均粒徑；f(DAi)為第i類篩孔尺寸所對應(yīng)的等效直徑通過率。

2.2 粒度均勻性

假設(shè)顆粒群是由單一粒徑的顆粒所組成的，則顆粒組成是粒度均勻的。然而,在實(shí)際工程應(yīng)用中，任意顆粒群都是由不同大小的顆粒所組成，并且分布在一定的顆粒群寬度中，其顆粒均勻性相應(yīng)地降低，粒度分布越寬則均勻性越差。因此，我們把顆粒群粒度均勻性稱為顆粒均勻性[11]。

顆粒的均勻性直接影響瀝青混合料的填充特性，單一粒徑組成的混合料不能很好地填充，其空隙率最大，路用性能較差。

對于一種級配，假定顆粒為球狀體，其粒度分布分別由n組粒徑組成，其中某種粒徑占總質(zhì)量的百分比為wi，其相應(yīng)顆粒個數(shù)的百分比為Ni，以顆粒群個數(shù)百分比與質(zhì)量百分比之比值來表述顆粒的均勻性，即：

(2)

以個數(shù)為基準(zhǔn)計(jì)算顆粒的均勻性公式為：

(3)

以質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算顆粒的均勻性公式為：

(4)

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 級配

根據(jù)定義，選擇公稱最大粒徑為16 mm的5組級配，分析其粗細(xì)特性，評價其粒度均勻性，級配如表1所示。

表1 級配Tab.1 Gradation %

3.2 試驗(yàn)方法

粗集料選用天然紅色集料，細(xì)集料采用花崗巖碎石和磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，以及A-70基質(zhì)瀝青。根據(jù)表1所示級配，利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型混合料試件。每個級配成型3個試件。使用高精度雙面鋸切割試件，每個試件可以獲得8個圓形截面。利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝試件截面以獲得圖像。使用天然紅色粗集料成型試件，可利用彩色閥值精確提取粗集料，方法如“1節(jié)”所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 利用圖像法計(jì)算平均粒度

將提取的粗集料信息進(jìn)行平均處理后計(jì)算其粒度信息，結(jié)果如表2所示。

表2 粗集料顆粒真實(shí)粒徑信息計(jì)算結(jié)果
Tab.2 Calculation result of unit diameter of coarse aggregates

級配類型粗集料含量/%平均粒徑/mm均值/mmAC-16F-1AC-16F-2AC-16F-34756148596757375951AC-16C-1AC-16C-2AC-16C-36005633574958805754AM-16-1AK-16-2AK-16-36505748538554355523SMA-16-1SMA-16-2SMA-16-37405938576657505818

將粗集料級配計(jì)算出的粒度均值與數(shù)值圖像處理法得到的真實(shí)粒度均值列于圖6中?？梢钥闯?，兩者結(jié)果相差較大。

根據(jù)“數(shù)字圖像法”和“級配計(jì)算法”結(jié)果，計(jì)算5個級配的平均粒度，結(jié)果如表3所示。

將5個級配的中位直徑與頻率直徑的變化趨勢繪制于圖7所示。

圖6 級配計(jì)算法與數(shù)字圖像處理法結(jié)果

Fig.6 Gradation calculation method VS digital image processing method

圖7 頻率直徑與中位直徑變化趨勢

Fig.7 Tendency of frequency diameter and median diameter

由圖7可知，中位直徑與頻率直徑變化不同。根據(jù)中位直徑，級配的粗細(xì)程度為：SMA-16>AM-16>AK-16>AC-16C>AC-16F；根據(jù)頻率直徑，級配的粗細(xì)程度為：AM-16> SMA-16>AK-16>AC-16C>AC-16F。AM類級配實(shí)際上較SMA類級配偏粗。因此，頻率直徑更能準(zhǔn)確反映級配的粗細(xì)程度。

表3 5個級配的平均粒度
Tab.3 Average unit size of five gradations

篩孔尺寸475～19236～475118～23606～11803～06015～030075～0150～0075中位直徑/mm頻率直徑/mm平均粒度11093618090502010——AC-16F4741151157560505060105305993平均粒度11313618090502010——AC-16C599135756040302535135727482平均粒度11023618090502010——AM-16699145503025101525154008364平均粒度11343618090502010——AK-16649100754535252050147427924平均粒度10783618090502010——SMA-16739651530251015100159508282

4.2 利用圖像法計(jì)算粒度均勻性

根據(jù)數(shù)字圖像法得到5種級配粒度平均性，結(jié)果如表4所示。

將5種級配粒度均勻性的變化趨勢繪制于圖8?？梢姅?shù)字圖像法結(jié)果與級配計(jì)算法結(jié)果基本相同。但在數(shù)字圖像法中，AM-16級配的粒度均勻性小于AK-16級配，與實(shí)際相符。說明使用平均粒徑的級配計(jì)算法存有較大的誤差。

表4 粒度均勻性計(jì)算結(jié)果
Tab.4 Unit size uniformity calculation

級配類型∑Wi/di2∑Wi/di3∑Wi∑WidiUp/%AC-16F480511780710059930680AC-16C27776844410074820542AM-1619364858210083640476AK-1637909648510079240496SMA-16726719080310082820460

圖8 級配粒度均勻性的變化趨勢
Fig.8 Tendency of unit size uniformity gradation

5 結(jié) 論

本研究引入顆粒平均粒度與均勻度兩個指標(biāo)，利用數(shù)字圖像處理的方法對5種最大粒徑為16 mm的級配合理性進(jìn)行了定量評價，得到以下結(jié)論：

①為了避免系統(tǒng)誤差，準(zhǔn)確提取粗集料顆粒，提出一種使用彩色閥值分割圖像來提取粗集料顆粒信息的方法。該方法可避免單純利用顆粒幾何參數(shù)特征提取粗集料顆粒的弊端。彩色的集料顆粒，其任意截面均為彩色，采用彩色閥值分割圖像，可避免大顆粒被判斷為小顆粒的誤差，保證全部粗集料顆粒均被有效提取。

②中位直徑和頻率直徑可以用來評定瀝青混合料級配的粗細(xì)程度，且準(zhǔn)確度較高，可使用粒度均勻性指標(biāo)評價級配的均勻程度。

③利用數(shù)字圖像法得到的結(jié)果中，AM-16類級配較SMA-16級配偏粗，其粒度均勻性小于AK-16級配，與實(shí)際相符。

④本研究為級配顆粒均勻性評價提供一種有效的定量評價依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 唐漢民 裴潤梅)

Evaluation on uniformity of grading particle based on color digital image technology

WAN Cheng1,2, XU Ke3, ZHANG Xiao-ning4, YI Qiang1,2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education of Engineering Disaster Prevention and Structural Safety，Guangxi University，Nanning 530004, China；2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Guangxi University，Nanning 530004,China；3.Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.，Ltd ，Guangzhou 511431，China；4.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to make a quantitative evaluation on the uniformity of asphalt mixture grading particle, the color digital image technology was adopted to extract the aggregate particle accurately. The indexes such as average particle size and uniformity degree were introduced and combined with the color digital image processing method, and the median diameter and frequency diameter were used to assess the grading uniformity of five kinds of asphalt mixture with a maximum particle diameter of 16mm respectively. The results show that large particles are avoided to be judged as small particles using the color digital image processing technology, which ensures that all coarse aggregate can be extracted effectively. When the median diameter and frequency diameter are used to assess the grading uniformity, the accuracy is higher than that of others method. In addition, it was found that the gradation of AM-16 is coarser than that of SMA-16, while the grading uniformity of SMA-16 is less than that of AK-16. The gradation uniformity degree can be better assessed using the average particle size index. An effective quantitative evaluation standard for the evaluation of grading particle uniformity is provided.

asphalt mixture;grade uniformity;average particle size; color digital image

2016-08-10；

2016-10-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51568007,51378224,51208212)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015GXNSFBA139217)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)性研究項(xiàng)目資助(2016ZDX0)

萬 成(1982—)，男，湖南桃江人，廣西大學(xué)副研究員，博士，博士后；E-mail：wancheng_hn@126.com。

萬成，徐科，張肖寧,等.基于彩色數(shù)字圖像技術(shù)的級配顆粒均勻度評價方法[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(6)：1772-1778.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1772

U414.03

A

1001-7445(2016)06-1772-07