粗集料二维形态特征的图像描述

摘要：粗集料的形态特征对于沥青混合料的骨架组成和力学性能起关键作用。本文的研究目的在于通过对粗集料的形状、棱角性、纹理等方面的探索研究找出合适的指标对形态特征进行评价。文章主要采用图像处理技术，对粗集料的二维形态特征进行描述，根据选择的指标对相应粗集料的高温抗剪强度、压实性能等进行研究找出其相关性。

关键词：粗集料、轮廓形状、棱角性、纹理特征、力学特性

粗集料在沥青集料的质量和体积上均占主导地位。粗集料的形态对沥青混合料的骨架形成和路用性能有着重要影响，因而对粗集料的形态研究有着重要意义。通常具有着明显棱角性、形状近似于立方体、表面粗糙且具有一定凸起的集料在沥青集料中能形成嵌挤结构，具有较大的摩擦角因而具有较好的抗剪强度和高温稳定性。美国材料与试验协会给出了集料颗粒形状和表面纹理的测试方法，如ASTM C1252-03、ASTM D3398-00等，但仍属于间接评价方法^[1]。目前国内还没有直接的规范标准对粗集料的形状、棱角性、纹理特征进行描述。传统对于集料颗粒主要通过筛分实验得出的粒径指标进行评价。但筛分实验对于粗集料的形态研究远远达不到要求，对于粗集料形态对其力学性能的影响也需要进一步研究。

1、国内对于粗集料二维形态特征的描述

汪海年、郝培文在《粗集料二维形状特征的图像描述》一文中利用了粗集料形状特征研究系统（MASCA）提出了以长细比和圆度这两个指标来衡量粗集料的形状特征。文中利用数字图像信息，对集料面积、周长、主次轴长度等进行了二次运算，综合比较后采用了长细比和圆度这两个指标来衡量集料的特性，对于长细比方面分别进行了同档集料的个体变异性分析、不同档集料整体特征分析、不同岩性整体特征分析，对于圆度方面分别进行了不同粒径集料的圆度对比、不同岩性整体圆度分析找出其中的相关性。这种方法对传统的一次参数参数评价方法进行了改进，更加全面高效的评价了集料的形态，但其对于集料的图像处理采集效率过低，无法实现大规模的应用，图像的评价指标也过于单一，图像精度方面也并未做说明^[2]。为了弥补评价指标的单一，涂新斌、王思敬在《图像分析的颗粒形状参数描述》中对二维图像分析的颗粒参数进行了分析比较，在试验中，利用布拉谢克形状系数对SKM和KT共计38个花岗岩样本进行了分析并与样品实际轮廓进行了对比得出一致的结论。文章中利用了离散元进行统计分析，可以大规模的处理集料形态^[3]。

刘振清、杨永顺、刘清泉、高雪池、曹东伟在《沥青路面粗集料棱角性表征方法及技术标准》中基于ASTM D3398-97试验方法提出使用改进的颗粒指数I_ap以及基于数字图像处理技术提出使用半径法棱角性指数I_Arm和梯度法棱角指数I_Agm表征粗集料的棱角性。并分析了棱角性表征指标对沥青混凝土性能和抗剪参数相关关系。但这种方法依然是基于ASTM的间接测量方法，并且很难应用到实际生产过程中^[4]。

在对多个集料进行拍照的过程中由于镜头原因，难免在边缘处的图像会发生形状的改变。为了对图像进一步的修正减少误差，李嘉、林辉在《基于数字图像处理的粗集料棱角性量化研究》中采用了”逆光灯”数码取象的方法，在拍照时在图像中等距放置硬币，后期运用photoshop进行图像的矫正，最大程度减少图像失真。为避免间接测量导致棱角性评价的不准确，文中利用数字图像处理技术，采用等效椭圆的方式量化粗集料的棱角性。最后，通过图像处理技术与传统的未压实空隙率进行相关性比较，验证了其相关性，具有一定的参考意义^[5]。

以上的集料形态评价多集中在集料的棱角性，王勇、杨公训、路迈西在《图像识别中颗粒形状表征方法的研究》中较为全面的总结了形态评价的层次，提出形状系数主要有三类：面积形状系数、体积形状系数和比表面积形状系数。考虑到颗粒表面积测量技术发展缓慢，因而采用图像处理技术表征集料形态。文中提出了圆度指标，而在实际运用中误差较大，因而在后期需要采用圆度参数修正的方法来减小误差，数据处理也较为麻烦^[6]。

传统的数码相机拍照后进行图像处理的方式对于宏观的形状和棱角性具有较好的评价，而对于较小的研究对象，比如细骨料、矿粉或者微观表面纹理，由于照相精度原因却很难进行有效评价。温喜廉、欧阳东、李建友在《细骨料颗粒形貌特征、显微及微观结构研究》中对筛分后代表性颗粒运用扫描电子显微镜进行观察，运用数字图像处理技术对尾砂、河砂和海沙的圆度、公称粒径和表面组织进行研究得出三者之间的对比关系。根据研究对象的不同采用的扫描电子显微镜可以很好的获得细集料的形态特征，研究方法灵活，值得肯定^[7]。