宋永朝，梁乃興，閆功喜，楊永前

(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，400074重慶;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，400074重慶)

水泥混凝土路面具有強度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，同時亦存在抗滑性能差、行車噪聲高、易產(chǎn)生眩光等問題.我國擁有豐富的水泥資源，高品質(zhì)的水泥混凝土路面具有廣泛的應(yīng)用前景.露石水泥混凝土路面(exposed-aggregate cement concrete pavement，簡稱 EACCP)作為一種新型的水泥混凝土路面［1］，擁有獨特的露石表面，克服了普通水泥混凝土路面的諸多缺陷，具有剛度大、高抗滑、低噪聲、防眩等特點，能廣泛適用于城市交叉口、公路隧道、陡坡彎道等路段的鋪面工程，顯著提高潮濕不利狀態(tài)下路表抗滑性能，有效降低行車噪聲，大大改善機動車行車安全和行車舒適性能.

道路表面抗滑性能與路表紋理構(gòu)造密切相關(guān)［2］，國際道路協(xié)會將路面紋理構(gòu)造分為微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)給出了宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的定量描述(ASTM E867)，道路表面紋理構(gòu)造常用平均斷面深度或平均構(gòu)造深度進行描述［3-4］，表面紋理構(gòu)造深度0.5 mm以下為微觀構(gòu)造，0.5 mm以上為宏觀構(gòu)造.EACCP經(jīng)露石工藝處理后獲得豐富的宏觀與微觀構(gòu)造，形成良好的抗滑表面.露石紋理構(gòu)造深度、露石顆粒分布狀態(tài)是影響EACCP高抗滑性能的關(guān)鍵因素.路表紋理構(gòu)造主要通過構(gòu)造深度指標(biāo)來評定［5-6］，王端宜等提出了運用數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青路面表面構(gòu)造深度檢測方法［7］，宋永朝等通過數(shù)字圖像技術(shù)對EACCP露石表面構(gòu)造深度進行測量［8］，認為該方法精度高、信息量大、操作簡便，是一種有前景的路表功能測試方法.對于露石表面紋理構(gòu)造分布狀況通常采用現(xiàn)場目測的方法，主觀性太大，并不能很好地評判露石表面紋理構(gòu)造分布優(yōu)劣程度.

為此，本文通過對露石混凝土試驗塊、EACCP實體路段的露石表面進行大樣本量的數(shù)字圖像采集，運用數(shù)字圖像技術(shù)分析露石表面紋理特征，探討露石紋理構(gòu)造深度、紋理構(gòu)造分布與抗滑性能的內(nèi)在關(guān)系，為穩(wěn)定露石表面高抗滑品質(zhì)提供依據(jù).

1 數(shù)字圖像技術(shù)運用的基本原理

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用.數(shù)字圖像是圖像在空間坐標(biāo)(x，y)和亮度F(x，y)的數(shù)字化，一個數(shù)字圖像可以看成一個矩陣或一個二維數(shù)組，數(shù)字圖像是以二維矩陣在計算機中進行存儲的，數(shù)字圖像處理的實質(zhì)是對二維矩陣的處理［9］.平行光線照射在粗糙的物體表面上時，反射到相機感光底片上各點的光線強度存在差異，圖像各點亮度或灰度不同，拍攝到表面的上凸點位亮度較大(即灰度值較大)，下凹點位較暗(即灰度值較小)，可根據(jù)圖像各點明暗程度(灰度值大小差異)來區(qū)分物體表面的凸凹程度［10-11］，數(shù)字圖像的空間曲面構(gòu)造模型為

式中:Z為像素值;x，y分別為該像素所對應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo).

露石表面數(shù)字圖像通過數(shù)字圖像處理獲得圖像像素分布矩陣.為了說明數(shù)字圖像技術(shù)在EACCP表面紋理構(gòu)造中的應(yīng)用效果，將露石表面數(shù)字圖像旋轉(zhuǎn)90°與像素空間分布圖像進行對比，如圖1所示.將露石表面數(shù)字圖像圖1(a)與像素空間分布圖1(b)的各部分進行逐一對照，數(shù)字圖像的像素大小與露石表面凸凹狀態(tài)呈一一對應(yīng)關(guān)系，圖像像素值的分布情況能客觀地反應(yīng)露石表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài).

圖1 露石表面數(shù)字圖像與像素空間分布

采用數(shù)碼相機對露石表面進行拍攝時，露石表面上凸、下凹各個點位的亮度不一，反射到底片上的光線強度存在差異，根據(jù)所采集的數(shù)字圖像中各點位像素值來獲得露石表面紋理構(gòu)造的凸凹狀態(tài)信息，運用計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析露石表面紋理構(gòu)造深度和紋理構(gòu)造分布狀態(tài)，確定EACCP露石表面紋理構(gòu)造的質(zhì)量水平.

2 露石表面紋理構(gòu)造分析

2.1 露石表面圖像采集

基于數(shù)字圖像技術(shù)的露石表面紋理構(gòu)造分析方法，其分析對象為露石表面數(shù)字圖像，原始圖像應(yīng)能真實反映露石表面紋理構(gòu)造.露石表面圖像采集過程中的光照狀態(tài)是決定數(shù)字圖像質(zhì)量的主要因素，表面清潔程度會影響露石表面數(shù)字圖像質(zhì)量，露石表面組成材料的穩(wěn)定程度亦影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

通過規(guī)范EACCP露石表面數(shù)字圖像的采集操作過程，以便減少或避免露石表面原始圖像的信息誤差.數(shù)字圖像的拍攝設(shè)備采用普通數(shù)碼相機，在進行數(shù)字圖像采集前需清掃道路表面，確保拍攝區(qū)域清潔干凈.在露石表面數(shù)字圖像采集過程中，綜合考慮發(fā)光源的亮度、照射角度等影響因素，在受照狀態(tài)相同情況下進行多個測點圖像采集，拍攝的垂直距離固定為50 cm，拍攝時保持鏡頭平面與道路表面平行，同時將校準(zhǔn)條(或刻度尺)放置于拍攝區(qū)域的邊緣，在同一畫面內(nèi)拍下測點區(qū)域和校準(zhǔn)條.露石表面數(shù)字圖像如圖2所示，刻度尺置于拍攝區(qū)域下緣，用于紋理構(gòu)造計算過程中的尺寸換算.

圖2 露石表面原始數(shù)字圖像

2.2 露石表面圖像分析

按圖像采集要求對露石表面進行數(shù)字圖像采集，將拍攝的數(shù)字圖像輸入計算機進行資料存檔和圖像分析處理，對數(shù)字圖像進行灰度分級處理，處理后的灰度圖像如圖3所示.

從灰度圖像中提取圖像的像素值，得到露石表面紋理構(gòu)造的像素曲面分布，將給定平面區(qū)域D內(nèi)各點的像素空間曲面F(x，y)與像素極大值所在平面圍成的體積，確定為該區(qū)域D內(nèi)的表面構(gòu)造像素空間體積，像素空間體積的數(shù)學(xué)模型為

式中:Vpixel為像素空間體積;(x，y)為圖像坐標(biāo);F(x，y)為(x，y)對應(yīng)的像素值;Fmax為像素極大值;D為積分區(qū)域.

圖3 露石表面灰度圖像

計算選定的數(shù)字圖像區(qū)域面積A內(nèi)的像素差平均值Hpixel.參照文獻［7-8］，即可計算出數(shù)字圖像相對應(yīng)露石紋理構(gòu)造深度大小，則

采用材料組成穩(wěn)定、露石工藝相同的露石表面進行數(shù)學(xué)圖像樣本采集，得到各樣本像素曲面分布狀態(tài)，計算相應(yīng)的Hpixel.同時，在各圖像采集點位進行鋪砂法試驗，測量其紋理構(gòu)造深度H.分析各樣本點H與Hpixel之間的相關(guān)性，分析結(jié)果如圖4所示，H與Hpixel呈線性相關(guān)，回歸效果顯著.

圖4 露石表面H與Hpixel之間關(guān)系

我國行業(yè)技術(shù)規(guī)范中路表紋理構(gòu)造深度檢測方法包括鋪砂法和激光法［5-6］，鋪砂法的檢測設(shè)備便宜、操作簡單，但費時費力，檢測結(jié)果受人為因素影響較大，激光法要通過專用的檢測設(shè)備，設(shè)備昂貴，操作比較復(fù)雜.與常規(guī)檢測方法相比，數(shù)字圖像采集便捷，運用數(shù)字圖像技術(shù)的露石表面紋理構(gòu)造深度檢測方法易于增加測試樣本數(shù)量，數(shù)字圖像能客觀反映露石表面紋理構(gòu)造的凸凹信息，分析過程可實施程序化運算，便于實現(xiàn)露石表面紋理構(gòu)造深度的連續(xù)化檢測.

從灰度圖像中提取圖像的像素分布矩陣，運用圖像形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論進行圖像分割、邊緣提取等，將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像.轉(zhuǎn)換后的二值圖像如圖5所示，二值圖像中的白色小區(qū)域代表露石表面紋理構(gòu)造各上凸小區(qū)域的分布形態(tài)，即露石顆粒分布狀態(tài).

圖5 露石表面二值圖像

提取二值圖像中白色小區(qū)域形態(tài)特征，計算白色小區(qū)域的個數(shù)、面積及大小組成.統(tǒng)計平面區(qū)域內(nèi)校準(zhǔn)條刻度尺寸對應(yīng)數(shù)字圖像長度范圍內(nèi)的像素數(shù)量，數(shù)字圖像的像素當(dāng)量為

式中:ε為數(shù)字圖像的像素當(dāng)量;L為校準(zhǔn)條長度;M為校準(zhǔn)條長度范圍內(nèi)的像素數(shù).

通過計算程序?qū)Χ祱D像中各白色小區(qū)域的非零像素個數(shù)進行統(tǒng)計，并計算二值圖像中各白色小區(qū)域的上凸面積大小，可通過計算機運算得二值圖像中各白色小區(qū)域的面積為

式中:Si為第i個白色小區(qū)域反映的上凸面積;Ni為第i個白色小區(qū)域范圍內(nèi)非零像素數(shù).

露石表面擁有豐富的紋理構(gòu)造，在路面潮濕狀態(tài)的行車過程中，EACCP紋理構(gòu)造的下凹部分能快速排離車輪下的路表水，上凸裸露顆粒能嵌入輪胎，提高了輪胎與路面的有效接觸面積，從而顯著提高了路面的抗滑性能.在潮濕狀態(tài)下行車時，如何使露石表面既能快速排水又能有效增大輪胎接觸面積，是確保露石表面抗滑性能有效發(fā)揮的關(guān)鍵，將露石表面紋理構(gòu)造中的上凸、下凹面積控制在合適范圍有利于穩(wěn)定露石表面的抗滑性能.在此，本文提出用上凸面積百分數(shù)作為露石表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)，來分析EACCP表面紋理構(gòu)造的抗滑性能，露石表面上凸面積百分數(shù)為露石表面上凸部分累計面積占被測表面面積的百分數(shù)，即

式中:Ka為上凸面積百分數(shù);∑Si為路表各上凸小區(qū)域的面積和;S為數(shù)字圖像相應(yīng)實際面積.

二值圖像的各白色小區(qū)域代表露石顆粒的形態(tài)特征，可根據(jù)二值圖像中各白色小區(qū)域的數(shù)量、面積及組成，計算露石表面紋理構(gòu)造的上凸小區(qū)域數(shù)量、面積及組成，得到露石表面上凸面積百分數(shù).

運用數(shù)字圖像技術(shù)檢測露石紋理構(gòu)造深度及紋理構(gòu)造分布狀態(tài)，定量分析紋理構(gòu)造質(zhì)量水平，具有效率高、費用低、操作便捷、信息量大、客觀性強、適用面廣等特點，分析過程實行計算機程序化計算，便于實現(xiàn)露石表面紋理構(gòu)造檢測工作的連續(xù)化.基于數(shù)字圖像技術(shù)的路面紋理構(gòu)造分析方法，能很好地適用于EACCP露石表面，亦可在瀝青路面紋理構(gòu)造質(zhì)量檢測工作中推廣應(yīng)用.

3 露石表面紋理構(gòu)造抗滑性能

3.1 露石表面上凸面積百分數(shù)

通過調(diào)整混凝土粗集料粒徑、砂率等參數(shù)［12］，制作大量的尺寸為 30 cm×30 cm×6 cm 水泥混凝土試驗塊，在試驗塊邊長為30 cm正方形表面上進行露石工藝處理，形成紋理構(gòu)造各異的露石表面.采用數(shù)碼相機對大樣本量試驗塊的露石表面進行數(shù)字圖像采集，計算各試驗塊露石表面的上凸面積百分數(shù).同時，采用擺式摩擦系數(shù)測定儀對各試驗塊表面進行測試，檢測各露石表面相應(yīng)的抗滑值y大小，試驗結(jié)果如圖6所示.

圖6 露石表面上凸面積百分數(shù)與抗滑值關(guān)系

由圖6可知，露石表面抗滑值與上凸面積百分數(shù)呈近似拋物曲線關(guān)系.當(dāng)上凸面積百分數(shù)少于一定數(shù)值時，上凸面積百分數(shù)與抗滑值呈正相關(guān)，露石表面抗滑性能隨上凸面積百分數(shù)的增大而增強;上凸面積百分數(shù)超過一定數(shù)值時，上凸面積百分數(shù)與抗滑值呈負相關(guān)，露石表面抗滑性能隨上凸面積百分數(shù)的增大反而有所下降.綜合考慮露石表面上凸面積百分數(shù)與抗滑值擬合曲線的區(qū)間［0.95ymax，ymax］，建議在進行露石混凝土配合比設(shè)計、露石工藝設(shè)計時，露石表面上凸面積百分數(shù)控制在［0.25，0.43］，有利于穩(wěn)定露石表面的高抗滑性能.

3.2 露石紋理構(gòu)造深度

運用計算機圖像處理技術(shù)對露石表面的數(shù)字圖像樣本進行分析，計算各圖像樣本對應(yīng)的露石紋理構(gòu)造深度.同時對露石表面相應(yīng)位置進行抗滑試驗，測試其抗滑值大小，試驗結(jié)果如圖7所示.

圖7 露石表面紋理構(gòu)造深度與抗滑值關(guān)系

根據(jù)露石紋理構(gòu)造深度與抗滑值之間的擬合曲線可知，露石紋理構(gòu)造較小時，露石表面抗滑性能隨露石紋理構(gòu)造深度的增大而增強，當(dāng)構(gòu)造深度超過一定數(shù)值后，露石表面抗滑性能隨構(gòu)造深度的增大反而有所降低.露石表面紋理構(gòu)造較小則單位面積內(nèi)露石表面的裸露顆粒多，露石表面紋理構(gòu)造較大則單位面積內(nèi)露石表面的裸露顆粒少.現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)規(guī)范［6］對路面構(gòu)造深度只提出了最低值要求(高速公路、一級公路不少于0.8 mm，其他公路為 0.6 mm)，本文認為 EACCP表面紋理構(gòu)造深度，應(yīng)既有最小值又有最大值的雙重要求更為合理.根據(jù)露石紋理構(gòu)造深度與抗滑值擬合曲線的區(qū)間［0.95ymax，ymax］抗滑極值區(qū)間，建議 EACCP表面紋理構(gòu)造深度控制在［0.58 mm，1.05 mm］.

3.3 露石表面粗集料粒徑級配組成

2010年11～12月份在重慶市涪陵區(qū)李渡鎮(zhèn)、云南省瑞麗市等秀至河邊街分別攤鋪了EACCP試驗路段，考慮到施工成本因素，就地取材，選用了當(dāng)?shù)厥規(guī)r碎石作為粗集料.兩段試驗路采用相同的露石工藝，露石深度均以1.5 mm為控制要求，主要差別在于選用不同粒徑級配的石灰?guī)r碎石作為粗集料:重慶試驗路段采用 4.75～19 mm級配，云南試驗路段采用 4.75～31.5 mm級配.

采用數(shù)碼相機對不同粗集料級配試驗路段的露石表面進行數(shù)字圖像采集，通過計算機圖像處理技術(shù)計算兩試驗路段各測點的露石表面上凸面積百分數(shù)、露石紋理構(gòu)造深度，同時測試相應(yīng)點位露石表面的抗滑值大小，檢測結(jié)果分別如圖8、9所示.

圖8 不同級配的上凸面積百分數(shù)與露石表面抗滑值關(guān)系

圖9 不同級配的表面紋理構(gòu)造深度與露石表面抗滑值關(guān)系

從圖8、9中可以看到，重慶試驗路段的數(shù)據(jù)曲線整體抗滑值高于云南試驗路段;云南試驗路段的數(shù)據(jù)曲線變化幅度相對較大，靠近極大值附近變化明顯;重慶試驗路段的數(shù)據(jù)曲線相對平緩，抗滑值大于60 BPN對應(yīng)的上凸面積百分數(shù)、表面紋理構(gòu)造深度的取值范圍相對較寬.從檢測結(jié)果可知，采用4.75～19 mm級配的重慶試驗路段抗滑性能優(yōu)于4.75～31.5 mm級配的云南試驗路段，說明4.75～19 mm級配的EACCP獲得較高抗滑值，其對應(yīng)的上凸百分數(shù)、露石紋理構(gòu)造深度技術(shù)指標(biāo)所選擇范圍相對較大，4.75～19 mm級配的EACCP露石表面施工質(zhì)量可控性更強，粗集料粒級組成情況影響露石表面紋理構(gòu)造質(zhì)量狀態(tài)較顯著.

4 結(jié) 論

1)提出了采用上凸面積百分數(shù)作為露石表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)，分析得出露石表面上凸面積百分數(shù)與露石表面抗滑值呈近似拋物曲線關(guān)系，上凸面積百分數(shù)的建議控制在［0.25，0.43］.

2)運用計算機圖像處理技術(shù)對露石表面的數(shù)字圖像樣本進行分析，建立了露石表面抗滑性能與露石紋理構(gòu)造深度的關(guān)系曲線，建議露石紋理構(gòu)造深度控制在［0.58 mm，1.05 mm］.

3)根據(jù)不同粗集料級配試驗路段的露石表面抗滑性能檢測分析，得出4.75～19 mm級配的EACCP抗滑性能整體較高，其露石表面的施工質(zhì)量可控性更強.

4)基于數(shù)字圖像技術(shù)的EACCP露石表面紋理構(gòu)造分析方法，可避免人為主觀性，具有效率高、費用低、操作便捷、信息量大、客觀性強、適用面廣等特點，分析過程實行計算機程序化計算，便于實現(xiàn)露石表面紋理構(gòu)造質(zhì)量檢測的連續(xù)化.

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