文 献 综 述

沥青混合料中的集料，特别是粗集料在体积和质量分数上均占主导地位，粗集料的形态特征对沥青混合料的骨架组成及其力学性能起关键性作用^［1］。因此，对粗集料的深度认识并揭示粗集料的形态特征尤为重要。传统的混合料对集料的颗粒指标分析主要是通过筛分取得，得到的只是一个粒径的尺寸，而且测试方法繁琐，耗时多，工作量大，受测试者主观影响较大，不易得到客观及时的结果。对于集料的颗粒特性和三维分析远远不能满足要求，揭示粗集料的特性，及其与混合料性能的相关性还有待深入研究。

目前对于粗粒料几何特征的评估方式普遍采用传统的机械筛分法，根据不同孔径的金属筛中粗粒料的质量筛余率来绘制其级配曲线从而评估颗粒尺寸的分布状况。该方法仅能描述其筛分粒径的分布状况，对于颗粒几何形状特征的评估十分笼统，完全无法对球度、长细比等特征进行评估，并且有着操作过程噪音大时间长，结果容易受到人工操作因素和筛孔变形的影响等缺点。目前对于粗粒料更加具体的几何形状特征如长细比、扁平度等，往往只能采用一些定性的描述进行分类，缺乏定量分析的手段。实际上粗粒料的几何形状和大小分布同样都对其力学特性产生影响^［2］，当我们将粗粒料作为研究对象来进行模拟计算的时候仅仅知道其尺寸分布是远远不够的，必须要获得精确的粗粒料几何特征参数才能建立合理的模拟计算模型。

近年来，随着计算机图像处理技术越来越多地应用到工程材料领域，运用数字图像处理技术对颗粒材料的三维形状参数进行定量表征已成为当前研究热点之一^［3］。通常集料颗粒的综合形态特征可以用3个不同层次且相互独立的的特征分量来描述，即轮廓形状特征、棱角性与纹理。轮廓形状特征是第一层次特征，反映集料的宏观整体变化特征与形态；棱角性是第二层次特征，反映集料颗粒细观局部的变化特征与状态；纹理是第三层次特征，反映集料颗粒微观尺度范围内的变化状态。目前该领域的研究多集中在颗粒形态的前两个层次特征，即轮廓形状特征和棱角性。

目前有不少国内外学者利用图像方式来研究颗粒的形状特征，如王宝军^［4］采用扫描电镜法对土颗粒进行分析，利用GIS实现对颗粒表面积、体积的计算，并引入分形维数来表达土微观结构图像颗粒的形态。李智等人^［5］采用数字图像处理技术分析通过CCD相机获取沥青混合料断面图像后得到试件颗粒主轴方向。张肖宁等人^［6］利用工业CT扫描技术结合图像处理来研究沥青混合材料中颗粒的材质和形状，王端宜等人则进一步通过MATLAB程序对CT图像进行处理从而完成三维模型重建，得到等效直径、表面积、体积等三维几何信息^［7］，使用CT扫描得到三维模型有着很好的精确度，但是扫描和效率较慢，适合实验室研究但不符合工程实践所需要的高效率。长安大学的汪海年、郝培文等^［3，8］采用单个数码相机采集平台上的多个颗粒，1次拍摄可以获得1组多个集料颗粒的图像，为了克服拍摄过程中集料图像阴影对形态特征结果的影响，设计了多角度光照入射方法消除颗粒周围阴影。配套开发的集料形态特征研究系统(MASCA)，可对集料颗粒的的形态特征进行定量分析，该系统包括的形态特征参数主要有：轴向系数和粗糙度与分形维数。通过轴向系数和圆度这两个指标来描述粗集料的二维形状特征。利用自行研制的粗集料形态特征研究系统（MASCA），对粗集料的棱角性、轴向系数、圆度、级配特征等进行了大量的研究。刘振清等利用ASTMD3398-97试验方法的改进表征法计算了粗集料颗粒指数，采用数字图像处理技术提出了粗集料半径法棱角性指数和梯度法棱角性指数的计算公式，结合沥青混凝土路用性能要求，提出了沥青混凝土路面粗集料棱角性技术标准^［9］。涂新斌等运用图像分析方法对花岗岩、云母、石英等不同岩石颗粒的形态特征进行研究，提出了一些二维形状参数^［10］。袁峻等使用数字图像处理技术，从形状、棱角性和表面纹理描述了粗集料二维形态特征，运用等效椭圆法和筛孔尺寸修正系数识别了粗集料级配，并结合MATLAB软件提取了粗集料形态参数，确定了与沥青混合料高温抗剪强度相关的粗集料二维形态特征指标^［11］。李嘉、林辉从颗粒的等效椭圆概念出发，建立了基于半径和周长的4个粗集料棱角性的量化指标。设计了一套利用CCD相机和”逆光箱”获取粗集料图像的图像采集装置，自行开发Image#8212;proplus(Ipp)图像分析软件对粗集料图像进行识别^［12］。胡江萍^［13］采用傅立叶分析法和体视学，对颗粒的二维投影轮廓图像进行分析。体视学理论很容易根据投影图像，从二维形状信息中推导出三维全局尺寸或形状特征。利用傅立叶分析，可将轮廓的起伏变化转化成一系列傅立叶系数，来反映颗粒的形状信息，通过对颗粒边缘点二维坐标进行计算，以获得集料轮廓特征值。结果表明：通过傅立叶分析，可获得比传统方法定义的圆度或环形度更有效的形状参数，即纵横比、形状系数、块度、粗糙度和纹理。黄碧霞、陆阳^［14］利用二维图像采集和处理方法定量分析了沥青混合料内部骨料的方位、分布和形状、测量针片状颗粒含量等。以CCD摄像机获取沥青混合料截面图像，以截面上颗粒的面积作为集料尺度评价指标。应用数字图像处理分析粗集料颗粒大小分布的方法在将面积级配转换成质量级配过程中，获得了形状参数，也可获得扁平率。杜少文、洪斌等使用UIAIA集料图像分析仪定量评价粗集料尺寸和形状特性。针对粗集料形状特征提出了棱角性指数A，和表面构造指数ST两个指标^［15］。李霜等^[16]运用图像分析方法对粉煤灰颗粒的粒度特征进行研究,提出了丰度、圆度、粗糙度等形态特征分析指标。窦竞等^[17]利用图像分析仪对矿粉的粒度特征进行分析，提出了圆度、粒度等分析参数。王勇等^[18]运用数字图像方法对二维图像颗粒进行研究，指出形状系数F可以较好地表征绿豆等植物颗粒的基本形状。

Tutumluer等人使用基于三视图模型重建的方法建立了用于分析粗粒料颗粒的外形几何特征的装置，并根据不同几何特征的颗粒进行了离散元模拟^［2］。该方法用于采集粗粒料颗粒的几何特征具有较高的效率，并可以完成对多种参数的同时采集，但是仍存在着采集装置的造价较高、三台相机之间需要精确标定以及标定过程复杂等不足之处。L.B.Wang,Jin#8212;Young Park等^［19］用傅里叶级数分析沥青混合料截面集料的图像特征，评价其大小、形状、棱角性和纹理。利用图像技术进行采集和分析，可知颗粒尺寸和断面面积同筛孔尺寸大小有很好的对应关系。L.B.Wang等^［20］利用一射线断层摄影术来研究沥青混合料中集料的三维特征，使用一射线断层摄影术扫描沥青混合料试件获取断层图像，通过相连断层图形中单个颗粒的出现与消失判断颗粒位置及大小，最后通过三维重构进行3D评价。研究提出了比表面积、球径率、圆度、粗糙度和分形维数等参数。Hyoungkwan Kim等人利用激光技术开发的集料的激光断面扫描系统，它能快速准确地评价集料的大小形状特征。利用该系统对200个颗粒进行测定，分别测量其宽厚比、长宽比和体积^［21］。Masad等对通过传送带的集料利用成像分析仪获取图像，采用数字图像处理技术研究了粗集料轮廓形状、棱角性和表面纹理^［22］。

参考文献

[1] 杜小婷,汪海年.基于图像分析的粗集料三维形态指标研究[J].中国公路学报，2013(8):250-253.

[2] Tutumluer E, Huang H, Bian X.Geogrid- aggregate interlock mechanism investigated through aggregate imaging-based discrete element modeling approach[J]. International Journal of Geomechanics,2010,12(4):391-398.