基于CT圖像的瀝青混合料結(jié)構(gòu)特征參數(shù)檢驗(yàn)

王漾博 WANG Yang-bo；吳幫偉 WU Bang-wei；張永健 ZHANG Yong-jian；丁皓 DING Hao；王本帥 WANG Ben-shuai

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

0 引言

目前道路建設(shè)施工質(zhì)量參差不齊，瀝青路面攤鋪的均勻性對行車舒適性、路面耐久性等有著較大的影響。瀝青混合料路面級配可以較為科學(xué)準(zhǔn)確地反映瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)參數(shù)特征。為更好地對道路工程建設(shè)施工過程進(jìn)行有效及科學(xué)的監(jiān)管，有必要對瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)特征進(jìn)行科學(xué)的研究，以發(fā)明一種瀝青混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)的快速檢驗(yàn)識別方法。

數(shù)字圖像處理技術(shù)作為一種新型的學(xué)科技術(shù)出現(xiàn)，隨后應(yīng)用在各個領(lǐng)域。如70年代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的CT掃描，該裝置的發(fā)明推動圖像處理技術(shù)的發(fā)展[1]。Mal-lat[2]通過數(shù)學(xué)方法，對信號和圖像處理技術(shù)進(jìn)行了研究，研究表面運(yùn)用分解、重構(gòu)技術(shù)可以更為具體的對圖像進(jìn)行分析。Yue Z Q[3-4]、Al-Shibli[5]將圖像處理技術(shù)運(yùn)用到瀝青混合料上，用來表征混合料中的集料特征。孫立軍、彭勇等[7-8]通過數(shù)字圖像處理和數(shù)字識別計算技術(shù)開發(fā)了瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像識別處理程序，并初步建立了基于數(shù)字圖像處理識別技術(shù)的瀝青混合料細(xì)觀均勻度的模型。

然而，目前國內(nèi)外對圖像處理技術(shù)的研究主要集中于瀝青混合料的性能研究，而未著眼于工程實(shí)踐中的應(yīng)用?？障堵首鳛橐环N重要參數(shù)，其能顯著影響排水性瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。級配是否符合標(biāo)準(zhǔn)是檢驗(yàn)公路工程是否合格的關(guān)鍵所在，因而如果瀝青混合料級配出現(xiàn)了誤差，將會嚴(yán)重地影響著公路的質(zhì)量水平。本文創(chuàng)新采用基于CT圖像掃描的瀝青混合料級配數(shù)據(jù)識別及分析技術(shù)，使用MATLAB等處理軟件對截面圖像進(jìn)行分析與信息提取，進(jìn)而研究瀝青混合料的空隙率以及級配檢測，完成對瀝青混合料結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的檢驗(yàn)，為工程中的道路質(zhì)檢體系提供一種性價比極高的檢驗(yàn)方法。

1 瀝青混合料切面圖像的獲取

馬歇爾試件的制備：

1.1 原材料

試驗(yàn)選用集料為玄武巖和石灰?guī)r，選用石灰石礦粉作為填料，均滿足規(guī)范指標(biāo)。SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果見表1。最終確定AC-13級配的最佳油石比為4.8%。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

1.2 級配設(shè)計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對AC-13瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計，設(shè)計級配見表2。

表2 集料篩分結(jié)果

2 數(shù)字圖像處理

本文采用CT掃描機(jī)對AC-13馬歇爾試件進(jìn)行掃描處理。對馬歇爾試件進(jìn)行切片處理，切片厚度為3mm，共得19個試件。并對其各個截面進(jìn)行掃描，得到CT圖像。后使用MATLAB軟件對圖像進(jìn)行灰度處理[9-10]，使其截面集料更加容易區(qū)分，隨后采用中值濾波技術(shù)[11]和閾值分割法[12]完成對圖像的三值化處理。圖1為中值濾波后圖像，圖2為二值化圖像，圖3為三值化圖像。

圖1 中值濾波后圖像

圖2 二值化圖像

圖3 三值化圖像

3 基于CT圖像的瀝青混合料結(jié)構(gòu)特征參數(shù)獲取與應(yīng)用

3.1 基于CT圖像的空隙率計算

空隙率作為一種重要參數(shù)，對瀝青混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、排水功能、降噪功能、安全性能和耐久性等具有重要意義。本文使用DIP法計算空隙率，通過CT掃描圖像所得截面圖像，對圖像中空隙得面積進(jìn)行計算，以此來作為瀝青混合料的空隙率。對四個馬歇爾試件進(jìn)行掃描，使用MATLAB計算獲得截面中空隙的面積并計算其空隙率。計算得出空隙率最小、最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.51、0.76。通過測量發(fā)現(xiàn)，其空隙的分布很不均勻。圖4為四個馬歇爾空隙率的變化趨勢。

由圖4可以得到，空隙率的分布規(guī)律為邊緣多、內(nèi)部少，這也證明了其分布不均。采用統(tǒng)計方法，對不同試件的空隙率進(jìn)行t檢驗(yàn)[13]，所得實(shí)測空隙率分別為5.47%、5.74%、5.93%和6.35%，而通過圖像識別所得空隙率分別為5.71%、5.46%、5.71%和6.02%。

圖4 空隙率變化趨勢圖

①對于瀝青混合料試件：零假設(shè)H0∶μ=μ0，對應(yīng)的備擇假設(shè)H1∶μ≠μ0，即實(shí)測空隙率與圖像識別所得空隙率不相等，顯著性水平α取0.05，其對應(yīng)的可信度為1-α=0.95。

②由檢驗(yàn)統(tǒng)計量公式：

其拒絕H0的拒絕域形式為：

計算結(jié)果如表3所示。

表3 檢驗(yàn)計算結(jié)果

經(jīng)過計算，t不屬于拒絕域。因此，根據(jù)95%置信水平，接受假設(shè)H0，拒絕替代假設(shè)H1，即將每層空隙率的平均值視為總試件的空隙率。因此，根據(jù)上述方法，可以得到理想的瀝青混合料空隙率，并能得出空隙率的分布趨勢，同時也證明了CT技術(shù)在道路質(zhì)量檢驗(yàn)中扮演著重要角色。

3.2 基于CT圖像的級配識別與修正

對4個馬歇爾試件進(jìn)行切片掃描，共計76張圖像，并對其進(jìn)行圖像識別，截面所得集料攻擊329個。對集料圖像進(jìn)行換算，將所得等效圓直徑作為集料直徑。玄武巖與石灰?guī)r，其密度較為接近，因?qū)⑵湟曌飨嗤芏?。運(yùn)用DIP法，以體積為單位，對瀝青混合料進(jìn)行級配識別，具體分析如圖5、圖6所示。

圖5 3個截面識別結(jié)果對比

圖6 修正后2.36mm以上粗集料級配識別結(jié)果對比柱狀圖

由圖5可以看出，單個截面的級配識別結(jié)果差異較大，因此選取5個、10個、20個、30個、40個截面進(jìn)行級配識別，以期所得識別結(jié)果趨于穩(wěn)定。后對其分析處理，修正后得到識別結(jié)果對比柱狀圖，如圖6所示。由圖6可以看出，2.36～4.75mm之間的集料識別結(jié)果較差，造成這種誤差的原因主要由于在對圖像進(jìn)行粘連現(xiàn)象的分割時未對該粒徑進(jìn)行了有效的的分割。因此，將粒徑大于4.75mm的集料提取出來進(jìn)行識別。由于2.36～4.75mm之間的集料的識別結(jié)果較為穩(wěn)定，因其對其所得結(jié)果乘補(bǔ)償系數(shù)2.1進(jìn)行修正。得到2.36mm以上粗集料識別結(jié)果。具體如圖6所示。

修正后粗集料級配識別通過率對比圖如圖7所示。

圖7 粗集料級配識別通過率對比圖

3.3 工程應(yīng)用的意義

在道路的實(shí)際運(yùn)行中，空隙率和級配等瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)起到了非常重要的作用。在道路質(zhì)檢中，可對已鋪設(shè)道路進(jìn)行取樣，通過CT圖像技術(shù)，獲取其空隙率和級配參數(shù)，與原有設(shè)計空隙率與級配進(jìn)行比對，檢驗(yàn)道路施工是否合格。其成本較低，操作方便，檢驗(yàn)的過程幾乎對道路沒有損害，對道路質(zhì)檢驗(yàn)收體系的完善起到了非常重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

通過CT圖像技術(shù)獲取瀝青混合料的圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對其進(jìn)行圖像增強(qiáng)與圖像分割處理，從而實(shí)現(xiàn)圖像的二值化與三值化，以達(dá)到對瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行分析的目的，主要得出的結(jié)論如下：①運(yùn)用圖像處理技術(shù)與MATLAB，對瀝青混合料切片CT圖像進(jìn)行處理，采用中值濾波技術(shù)[11]和閾值分割法[12]完成對圖像的三值化處理。②運(yùn)用圖像處理技術(shù)，可以得到所需混合料空隙率，并能得到空隙率的分布趨勢。在進(jìn)行級配識別時，單個截面的識別結(jié)果差距較大，而將截面數(shù)量增加到30時，所得數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。對于2.36～4.75mm的集料，級配識別的結(jié)果較為穩(wěn)定，但由于圖像處理的影響，將其乘以補(bǔ)償系數(shù)2.1進(jìn)行修正。對于4.75mm以上的集料，識別效果較好。③CT圖像技術(shù)可運(yùn)用于道路質(zhì)檢體系中，檢驗(yàn)道路的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)是否合格，具有廣闊的應(yīng)用前景。