基于数字图像处理技术的集料棱角性量化研究

(长安大学公路学院 陕西 西安 710064)

基于数字图像处理技术的集料棱角性量化研究

赵振军

(长安大学公路学院陕西西安710064)

基于数字图像处理(DIP)技术，提出了单颗粗集料棱角性的评价指标：圆度。运用数字图像处理技术(DIP)对3种集料的形状特性进行了量化研究。研究结果表明：在花岗岩、建筑垃圾和钢渣3种集料中，花岗岩针片状颗粒含量最多，棱角性最好。

道路工程；集料；棱角性；数字图像处理

一、引言

沥青混合料是一种由沥青结合料、集料和空隙组成的复合材料。集料在沥青混凝土路面中的质量分数为90%～95%，因此集料的力学特性、形状特性及其在沥青混合料中的分布(分布位置和分布方向)对沥青混合料的性能有重要影响[1]。

集料特性包括集料的认同特性与资源特性，集料的认同特性是指集料经特定的加工工艺后，集料所具有的外在特性。评价其认同特性的指标主要有针片状颗粒含量、粗集料含泥量、细集料砂当量等，这些指标主要决定于集料加工过程中片石的来源，破碎方式及除尘设备等。其资源特性是指集料本身所固有的一些性质，它对沥青路面的质量起着重要的作用。集料的资源特性包括集料强度、密度、吸水率、与沥青的粘附性等，这些性质主要是由集料的矿料特性决定的，受地域条件的影响，是不可改变的客观存在[2]。

粗集料中的扁平细长颗粒是一种不好的颗粒，在沥青混合料成型、施工碾压及通车运营时容易断裂，由于在新的断口处没有沥青结合料的包裹，并改变了沥青混合料的级配和体积指标，使沥青混合料的强度、疲劳性、耐久性等路用性能降低[3]。我国规范规定，当颗粒形状各方向中的最大长度(或宽度)与最小厚度(或直径)的尺寸之比大于3时，集料颗粒属于针片状颗粒，我国采用卡尺法测定粗集料中针片状颗粒的含量。

通常来说，棱角性越丰富的颗粒，越有利于设计级配中颗粒的嵌锁，粗集料良好的棱角性对提高沥青混合料的高温稳定性起主导作用[4]。目前国际上常用的集料棱角性评价方法有美国的ASTM D3398法，该方法是通过粗集料未压实的松方空隙率来间接反映粗集料的棱角性，但是无法直接、准确地反映粗集料棱角性的变化规律。

国内外对于集料棱角性已经进行了一些研究，例如：针片状颗粒含量对沥青混合料性能的影响、集料岩性对沥青混合料性能的影响、集料棱角性对沥青混合料的影响等。集料圆度表示集料的颗粒轮廓与圆形的接近程度。采用数字图像处理技术(DIP)技术可以方便地计算出集料的圆度，集料圆度用式(1)表示，其取值范围为0～1，值越接近1表示集料颗粒轮廓越接近于圆形。

近年来，数字图像处理技术随着信息技术的发展逐渐被应用到工程领域中，DIP技术即用计算机对图像进行处理。本文采用数字图像处理技术(DIP)对花岗岩、建筑垃圾和钢渣的形状特性(针片状颗粒、棱角性)进行了直接、准确、快速的分析和评价。

二、原材料及试验设计

(一)原材料

集料：花岗岩、建筑垃圾、钢渣。

(二)集料形状特性分析

用DIP技术对集料的形状特性(针片状颗粒、棱角性)进行分析评价。从花岗岩、建筑垃圾和钢渣中分别随机抽取约77颗集料并将其放在一个平板上，然后用数码相机对集料进行图像采集，随后用ImageTool软件对图像进行处理。图像处理的步骤为：先将获取的图像利用图像处理软件转化为灰度图像，并对灰度图像进行适当的对比增强处理。其次，将灰度图像采用阈值分割方法转化为二值图像，然后对二值图像进行边缘检测和颗粒分析，最后对集料的形状特性予以量化。

三、试验结果分析

(一)集料形状特性分析

1.针片状颗粒分析

本文采用DIP技术分析集料内针片状颗粒含量，用ImageTool软件处理的结果见图1，其中集料的长厚比为其最大长度与最小厚度的比值。我国规范规定，粗集料中针片状颗粒(最大长度/最小厚度为3，即长厚比为3)含量不能高于20%。从图1可以看出，花岗岩相较于其他两种集料，集料中针片状颗粒含量较高。当集料的长厚比大于2时，花岗岩集料的分布频率大约是建筑垃圾和钢渣的2倍。

图1 集料颗粒长厚比频率分布直方图

2.集料棱角性分析

集料棱角性和其破碎面的数量有关。集料的破碎面越多，棱角性越显著，圆度越小。用ImageTool软件计算的集料圆度结果见图2。

从图2可以看出，圆度小于0.6的花岗岩集料的在其总量中的占比大约为67%，圆度大于0.6的建筑垃圾和钢渣分别在其总量中的占比为72%、65%。建筑垃圾中圆度值大于0.7的集料颗粒占比39%，是3种集料中形状最接近于圆形的。

图2 集料圆度频率分布直方图(DIP)

四、结论

1.本文采用数字图像处理(DIP)技术对3种集料的形状特性进行了量化研究，结果表明：ImageTool软件适宜分析集料颗粒的形状特性(针片状颗粒、棱角性)。

2.通过分析3种集料中的针片状颗粒的频率分布，发现花岗岩中的针片状颗粒数量比建筑垃圾和钢渣都大。

3.对于本次试验所采用的3种集料，花岗岩的圆度值最小，说明花岗岩棱角性最好。

[1]袁明园.集料棱角性对沥青混合料性能的影响研究[D].长安大学,2011.

[2]李嘉，林辉.基于数字图像处理的粗集料棱角性量化研究[J].公路交通科技，2008，25(7)：27-31.