基于數(shù)字圖像技術(shù)的泡沫瀝青效果評(píng)價(jià)方法研究

暢曉鈺

（1.山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

泡沫瀝青冷再生是指在廢舊瀝青混合料RAP 或無(wú)機(jī)回收料RAI 中摻加適量的泡沫瀝青、新集料和水，對(duì)廢舊材料進(jìn)行循環(huán)利用，經(jīng)過(guò)拌和攤鋪等工藝，鋪筑成型的性能良好的新結(jié)構(gòu)層的技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用于工程施工中可充分利用道路養(yǎng)護(hù)中產(chǎn)生的廢舊材料，推動(dòng)公路養(yǎng)護(hù)走向綠色、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著［1］，同時(shí)具有良好的路用性能［2-3］和耐久性［4］。而對(duì)于泡沫瀝青的發(fā)泡特性研究是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，泡沫瀝青的發(fā)泡效果很大程度影響了泡沫瀝青混合料性能及工程使用性能。

現(xiàn)有研究中主要采用的是膨脹率和半衰期兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，很多學(xué)者及相關(guān)領(lǐng)域研究人員對(duì)泡沫瀝青發(fā)泡效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及發(fā)泡參數(shù)優(yōu)選開(kāi)展了大量研究。徐金枝等［5］以發(fā)泡指數(shù)作為補(bǔ)充指標(biāo)，與現(xiàn)有膨脹率、半衰期指標(biāo)相結(jié)合的方法進(jìn)行優(yōu)化評(píng)價(jià)；馮逸等［6］中提出了在膨脹率和半衰期基礎(chǔ)上采用灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選；于泳潭［7］采用了簡(jiǎn)化效能指數(shù)，以發(fā)泡曲線和容許膨脹率面積作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，方法簡(jiǎn)單且具有可量化性；黃維蓉等［8］采用了非接觸式方法的瀝青發(fā)泡評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用激光測(cè)距儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備對(duì)發(fā)泡全過(guò)程記錄，并提出以泡沫直徑、尺寸分布、消泡速率3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)；徐金枝［9］采用篩分試驗(yàn)對(duì)泡沫瀝青在混合料中的分散狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明較好的瀝青發(fā)泡效果能夠提高泡沫瀝青的分散均勻性；杜鎮(zhèn)宇等［10］、張瑩瑩等［11］中基于數(shù)字圖像技術(shù)，提出了顆粒分布面積的變異系數(shù)及面積控制系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)攤鋪均勻性；李升連等［12］通過(guò)不同級(jí)配類(lèi)型、光照強(qiáng)度、采集高度等條件，研究了采集方法對(duì)數(shù)字圖像技術(shù)瀝青混合料離析評(píng)價(jià)的影響。

泡沫瀝青發(fā)泡的最終目的是賦予瀝青拌和特性，確保瀝青均勻分散地拌和到混合料中，以提供再生混合料一定的黏結(jié)強(qiáng)度。本文采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)不同發(fā)泡參數(shù)下泡沫瀝青拌和后的均勻分散性進(jìn)行了研究，并優(yōu)選發(fā)泡條件。

1 泡沫瀝青效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 膨脹率和半衰期

目前主要以膨脹率和半衰期進(jìn)行評(píng)價(jià)，兩個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)了泡沫瀝青的黏度大小和穩(wěn)定性。按照現(xiàn)有研究中兩個(gè)指標(biāo)的理解，膨脹率越大，泡沫瀝青的黏度越小，其與混合料之間的相互接觸越充分，拌和效果越好；半衰期越長(zhǎng)，泡沫瀝青的穩(wěn)定性越好，與混合料的可拌和時(shí)間就越長(zhǎng)，能達(dá)到的拌和效果越好。理論上兩個(gè)指標(biāo)均較高時(shí)，瀝青的發(fā)泡效果較好，但實(shí)際中兩者存在一定的負(fù)相關(guān)［13］，其中一個(gè)指標(biāo)高時(shí)，另一個(gè)指標(biāo)往往會(huì)比較差，發(fā)泡效果并不理想。對(duì)于最佳發(fā)泡參數(shù)往往憑借經(jīng)驗(yàn)或者取中值的方法確定。

1.2 均勻分散性

本文提出了泡沫瀝青的均勻分散性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其效果并優(yōu)選最佳發(fā)泡參數(shù)，可直接根據(jù)拌和效果對(duì)泡沫瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)。

泡沫瀝青與銑刨料RAI 拌和后，以“點(diǎn)焊”的形式存在，此時(shí)泡沫瀝青膠漿使粗細(xì)集料相互膠結(jié)，從而使再生混合料具有一定的強(qiáng)度。泡沫瀝青有一個(gè)最佳用量，用量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)導(dǎo)致混合料性能下降，如果泡沫瀝青拌和后均勻分散性差，混合料中泡沫瀝青的量就會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)多或者過(guò)少，此時(shí)瀝青分散不均勻就會(huì)導(dǎo)致受力時(shí)局部薄弱處形成應(yīng)力集中，泡沫瀝青的分散均勻性差會(huì)造成偏差使得混合料性能一定程度的下降。因此，瀝青在混合料中的分散均勻性對(duì)混合料性能起決定性作用。

1.3 計(jì)算模型的建立

采用圖像分割的方法對(duì)圖像進(jìn)行等分，計(jì)算均值、變異系數(shù)等對(duì)瀝青在圖像中的均勻分布程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。變異系數(shù)可以很好地計(jì)量并反映離散程度，變異系數(shù)越小，代表分散越均勻，泡沫瀝青的效果越好。所以，采用變異系數(shù)來(lái)探究瀝青的均勻分散程度是合理的。

泡沫瀝青在混合料中的分布情況如圖1 所示，對(duì)圖像進(jìn)行網(wǎng)格分割（圖1 以4×4 為例）。

圖1 泡沫瀝青拌和后的分散形態(tài)Figure 1 Dispersion of foamed asphalt after mixing

同時(shí)，在采集的每組圖像中截取瀝青團(tuán)聚面積較大的3 處，計(jì)算團(tuán)聚位置像素作為瀝青團(tuán)聚指數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，團(tuán)聚指數(shù)較小且較平均時(shí)代表瀝青分散得更加均勻。

由于試驗(yàn)中取樣的隨機(jī)性，若混合料未拌和均勻，會(huì)存在所取樣品中瀝青含量過(guò)大或過(guò)小的情況，此時(shí)變異系數(shù)并不能很好地體現(xiàn)瀝青在整體中的分散均勻性。為避免試驗(yàn)誤差，更好地進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)，定義了泡沫瀝青裹覆率控制系數(shù)，即任意一組圖像瀝青裹覆率與多組平均裹覆率的比值，比值越接近于1，越接近于均勻狀態(tài)下泡沫瀝青拌和后的分散形態(tài)。通過(guò)計(jì)算每組試驗(yàn)圖像中瀝青裹覆面積占比及裹覆率控制系數(shù)，進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋裟辰M試驗(yàn)中瀝青裹覆率控制系數(shù)偏差較大時(shí)，可認(rèn)為該組試驗(yàn)瀝青未分散均勻，所取樣品與剩余混合料中的瀝青存在偏差，拌和后瀝青分散均勻性差。

通過(guò)對(duì)不同發(fā)泡條件下的泡沫瀝青與銑刨料RAI 拌和，采集圖像，然后采用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，并計(jì)算網(wǎng)格劃分后不同區(qū)域內(nèi)瀝青裹覆率的變異系數(shù)、每組試驗(yàn)圖像瀝青團(tuán)聚指數(shù)、裹覆面積比及控制系數(shù)，以探究泡沫瀝青拌和后在混合料中分散的均勻性。

（1） 變異系數(shù)Cv。

式中：n為圖像網(wǎng)格劃分的個(gè)數(shù)；ρ（i）為第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)瀝青的裹覆率；ρˉ為圖像中瀝青的平均裹覆率。

（2） 同時(shí)截取圖像中瀝青團(tuán)聚面積較大的3 處，計(jì)算團(tuán)聚位置像素作為瀝青團(tuán)聚指數(shù)IAI。

（3） 瀝青裹覆面積比σ。

（4） 控制系數(shù)M。

式中：m為試驗(yàn)采集圖像的組數(shù)；σ（j）第j組試驗(yàn)圖像中泡沫瀝青的裹覆率。

變異系數(shù)和團(tuán)聚指數(shù)用于分析瀝青在所取混合料樣品中分散的均勻性，裹覆面積比和控制系數(shù)用于分析瀝青在所拌和混合料整體中分散是否均勻。比較瀝青裹覆率的變異系數(shù)Cv、團(tuán)聚指數(shù)IAI、裹覆面積比σ和控制系數(shù)M，當(dāng)變異系數(shù)和團(tuán)聚指數(shù)較小，且裹覆面積比和控制系數(shù)無(wú)較大偏差時(shí)，瀝青的發(fā)泡效果最好，各發(fā)泡參數(shù)為最佳。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

為了進(jìn)行泡沫瀝青效果優(yōu)選，本文采用了中石油70#、中海70#及韓國(guó)SK70#3 種A 級(jí)道路石油瀝青進(jìn)行對(duì)比分析，以自來(lái)水作為發(fā)泡用水進(jìn)行發(fā)泡。

試驗(yàn)中發(fā)泡設(shè)備選擇德國(guó)維特根WLB 10S 型儀器進(jìn)行發(fā)泡，如圖2 所示，主要由瀝青加熱儲(chǔ)存桶、水流量計(jì)、瀝青泵等部分組成，可精確控制瀝青的溫度和發(fā)泡添加的水量；拌和設(shè)備采用維特根WLM 30 型儀器進(jìn)行拌和（圖3）。采集圖像需配備數(shù)碼相機(jī)1 臺(tái)。

圖2 發(fā)泡設(shè)備Figure 2 Foaming equipment

圖3 拌和設(shè)備Figure 3 Mixing equipment

2.2 試驗(yàn)方法

（1） 采用3 種不同的70#A 級(jí)道路石油瀝青（中石油70#、中海70#及韓國(guó)SK70#）、發(fā)泡用水量（1.5%、2%、2.5%、3%）、發(fā)泡溫度（145 ℃、155 ℃、165 ℃）等參數(shù)進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn)，由測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果，按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）中膨脹率≥10 倍，半衰期≥8 s 的規(guī)定，初選發(fā)泡瀝青及其參數(shù)范圍。

（2） 采用初選的瀝青及參數(shù)范圍，經(jīng)過(guò)不同條件發(fā)泡后，將泡沫瀝青與銑刨料RAI 進(jìn)行拌和，取同等質(zhì)量的混合料滿鋪于形狀大小相同的瓷盤(pán)中，然后置于60 ℃烘箱中烘干6～8 h 后，進(jìn)行圖像采集。

（3） 基于Matlab 數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)采集的圖像進(jìn)行灰度圖像轉(zhuǎn)化、形態(tài)學(xué)處理、二值圖像轉(zhuǎn)化及網(wǎng)格劃分等處理過(guò)程，計(jì)算圖像中瀝青的均勻分散性指標(biāo)參數(shù)并對(duì)比，探析泡沫瀝青的效果及優(yōu)選發(fā)泡參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 發(fā)泡瀝青及參數(shù)范圍初選

不同品牌的瀝青、不同的瀝青發(fā)泡溫度及發(fā)泡用水量等條件均會(huì)對(duì)泡沫瀝青產(chǎn)生影響，導(dǎo)致瀝青發(fā)泡效果的差異。經(jīng)過(guò)不同條件下的發(fā)泡試驗(yàn)，對(duì)泡沫瀝青膨脹率、半衰期試驗(yàn)結(jié)果按y=alnx+b的形式進(jìn)行擬合回歸，并繪制變化規(guī)律曲線，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 3 種瀝青的發(fā)泡變化規(guī)律曲線Figure 4 Foaming curves of three asphalts

由圖4 可知：

（1） 膨脹率和半衰期兩個(gè)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果擬合后呈現(xiàn)了較好的對(duì)數(shù)相關(guān)性，隨著沿x軸及y軸的增大（即圖像中曲線越靠右上），代表瀝青的發(fā)泡效果越好。

（2） 由于瀝青開(kāi)采油源及種類(lèi)的不同，導(dǎo)致其化學(xué)組成存在一定的差異。相關(guān)研究表明［14］，瀝青的組成和結(jié)構(gòu)決定了不同瀝青表面能的差異，而整個(gè)發(fā)泡過(guò)程是瀝青膜表面張力與內(nèi)部蒸氣壓力相互作用的表現(xiàn)［15］，因此不同種類(lèi)的瀝青會(huì)出現(xiàn)不同的發(fā)泡效果變化規(guī)律［16］。在不同條件下，中海70#發(fā)泡效果均較其他兩種好，韓國(guó)SK70#瀝青發(fā)泡效果較差，中石油70#瀝青在145 ℃、155 ℃時(shí)與中海70#的發(fā)泡效果接近，溫度升高發(fā)泡效果會(huì)產(chǎn)生差異。

（3） 當(dāng)發(fā)泡試驗(yàn)所添加水量逐漸提高時(shí)，膨脹率慢慢變大，而半衰期則會(huì)慢慢變小；隨瀝青溫度的升高，膨脹率一定程度上變大，半衰期隨之慢慢減小。膨脹率和半衰期這兩個(gè)指標(biāo)間存在著負(fù)相關(guān)性。在本文所選試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，膨脹率、半衰期結(jié)果均可達(dá)到規(guī)范中膨脹率≥10 倍、半衰期≥8 s 的規(guī)定值。

按照目前的研究，這種情況下只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)取中值的方法來(lái)確定優(yōu)選條件，較為粗略且并無(wú)判斷依據(jù)。因此，本文中僅采用膨脹率和半衰期作為初選條件篩選，并提出均勻分散性指標(biāo)對(duì)條件參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)選。

3.2 均勻分散性分析

選擇中海70#瀝青，發(fā)泡用水量取1.5%、2%、2.5%、3%，發(fā)泡溫度取145 ℃、155 ℃、165 ℃，采用均勻分散性指標(biāo)進(jìn)一步探究其發(fā)泡效果。

試驗(yàn)采集拌和后再生混合料圖像信息，采集過(guò)程中應(yīng)保證拍攝高度、光照等條件，同時(shí)確保采集混合料圖像面積范圍一致。圖像采集后進(jìn)行灰度圖像轉(zhuǎn)化、形態(tài)學(xué)處理、二值圖像轉(zhuǎn)化及網(wǎng)格劃分等過(guò)程，最終計(jì)算出每幅圖像中瀝青裹覆面積比、控制系數(shù)、團(tuán)聚指數(shù)及變異系數(shù)，以瀝青拌和后在混合料中的均勻分散性為指標(biāo)，對(duì)其發(fā)泡效果進(jìn)行評(píng)價(jià)并優(yōu)選發(fā)泡參數(shù)。采用Matlab 編寫(xiě)相關(guān)程序?qū)D像進(jìn)行處理計(jì)算并分析，處理過(guò)程及效果如圖5 所示。

圖5 圖像處理Figure 5 Image processing

在不同的溫度條件下發(fā)泡并與混合料拌和，采集圖像對(duì)瀝青的均勻分散性計(jì)算分析，并根據(jù)瀝青均勻分散性各指標(biāo)數(shù)據(jù)，繪制不同發(fā)泡溫度下的關(guān)系曲線，如圖6 所示。

圖6 不同瀝青溫度下的均勻分散性Figure 6 Uniform dispersion of asphalt at different temperatures

由圖6 可以看出：

（1） 145 ℃時(shí)所取樣品中瀝青裹覆面積比較其他兩組小，且控制系數(shù)為0.79，偏差明顯。由于每組試驗(yàn)中泡沫瀝青用量是固定不變的，若瀝青拌和均勻，理論上所計(jì)算出的瀝青裹覆面積占比之間應(yīng)相差不大，此時(shí)控制系數(shù)也接近于1。而145 ℃下該組試驗(yàn)中瀝青裹覆面積比及控制系數(shù)均過(guò)小，同時(shí)，樣品中瀝青較少也意味著取樣后剩余混合料中所含的瀝青較多。因此145 ℃溫度下樣品與整體的偏差較大，可認(rèn)為該組試驗(yàn)瀝青分散均勻性較差，而155 ℃和165 ℃下的效果較為接近，分散性更好。

（2） 3 組瀝青溫度拌和試驗(yàn)下的瀝青團(tuán)聚指數(shù)基本接近，圖像進(jìn)行4×4 網(wǎng)格劃分后計(jì)算的變異系數(shù)Cv145℃＜Cv155℃＜Cv165℃。通 過(guò) 對(duì) 每 幅 圖 像 截 取3 處 瀝青團(tuán)聚位置進(jìn)行計(jì)算，3 處團(tuán)聚指數(shù)總體較小且較為平均，則瀝青分散更均勻；對(duì)圖像網(wǎng)格劃分后計(jì)算瀝青裹覆率的變異系數(shù)，變異系數(shù)越小，每個(gè)圖像網(wǎng)格中所含瀝青量的差異越小，代表分散越均勻。試驗(yàn)結(jié)果中雖然145 ℃時(shí)變異系數(shù)較小，但是其裹覆面積比偏差較大，與其他兩組不在同一水平，對(duì)比失去意義。根據(jù)圖像處理后的計(jì)算，綜合對(duì)比團(tuán)聚指數(shù)和變異系數(shù)，瀝青溫度155 ℃時(shí)均勻分散效果略好于165 ℃。

采用不同的發(fā)泡用水量，對(duì)瀝青發(fā)泡后與混合料進(jìn)行拌和，采集圖像并計(jì)算分析均勻分散性，并根據(jù)瀝青均勻分散性各參數(shù)數(shù)據(jù)，繪制變化規(guī)律曲線，如圖7 所示。

圖7 不同發(fā)泡用水量下的均勻分散性Figure 7 Uniform dispersion of asphalt under different water consumption for foaming

由圖7 可以看出：

（1） 發(fā)泡用水量由1.5%增加到3.0%，試驗(yàn)采集圖像中瀝青的裹覆面積比分別為0.342 4、0.253 1、0.288 4、0.271 4，經(jīng)計(jì)算得出的控制系數(shù)分別為1.19、0.88、1.00、0.94。用水量1.5%條件下控制系數(shù)達(dá)到了1.19，裹覆面積比明顯偏大，與其他3 組偏差明顯。而在2.0%、2.5%、3.0%條件下，瀝青裹覆面積比、控制系數(shù)較為接近，反映出樣品與整體較為一致，瀝青拌和的均勻性較好。

（2） 對(duì)比各發(fā)泡用水量拌和試驗(yàn)后的團(tuán)聚指數(shù)IAI及變異系數(shù)Cv，瀝青在圖像中的分布均勻性排序?yàn)椋篒AI（1.5%）＜IAI（3.0%）＜IAI（2.0%）＜IAI（2.5%）。用水量1.5%時(shí)，3 個(gè)團(tuán)聚位置處團(tuán)聚指數(shù)均偏大，在圖像中的表現(xiàn)為局部瀝青團(tuán)聚成塊，該條件下瀝青未拌和均勻，導(dǎo)致變異系數(shù)也較大。用水量為2.0%～3.0%時(shí)，由均勻性指標(biāo)結(jié)果的對(duì)比可知，用水量在2.5%時(shí)瀝青的團(tuán)聚指數(shù)最小且較平均，而且經(jīng)過(guò)計(jì)算圖像分割后的變異系數(shù)也最小，可認(rèn)為此條件下瀝青在混合料中的分散效果最佳。

4 結(jié)論

（1） 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)拌和后的泡沫瀝青混合料進(jìn)行圖像采集，并進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)化、網(wǎng)格分割等操作處理計(jì)算，對(duì)泡沫瀝青效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)定量計(jì)算進(jìn)行判定，方法簡(jiǎn)單快捷、易于實(shí)施。

（2） 提出了瀝青裹覆面積比σ、控制系數(shù)M、團(tuán)聚指數(shù)IAI和變異系數(shù)Cv等均勻分散性參數(shù)控制指標(biāo)，并優(yōu)選了最佳瀝青溫度、發(fā)泡用水量等發(fā)泡參數(shù)。

（3） 綜合對(duì)比瀝青溫度、發(fā)泡用水量?jī)蓚€(gè)因素變化時(shí)，拌和試驗(yàn)后泡沫瀝青在混合料中的均勻分散性，最終可得出最佳發(fā)泡參數(shù)為瀝青溫度155 ℃、發(fā)泡用水量2.5%，此條件下的發(fā)泡效果最好。