沥青路面施工质量过程控制

'沥青路面施工质量过程控制——沥青混合料级配实时检测高英东南大学SchoolofTransportation,SEU12018/2/6 沥青路面施工质量过程控制——沥青混合料级配实时检测1研究背景2级配对沥青混合料性能影响3基于图像的沥青混合料级配实时检测4预期成果SchoolofTransportation,SEU22018/2/6 1.研究背景•沥青路面施工质量是影响其使用性能最为主要的因素之一•将施工质量由事后控制转变为过程中控制•将施工质量由人为管理控制转变为信息化自动控制车辙SchoolofTransportation,SEU32018/2/6 2.级配对沥青混合料性能影响•影响施工的质量因素，1000100.0可归结为材料和工艺。90.080.0•材料：相对于材料自波动上限70.0设计级配波动下限60.0身的技术性能，级配级配范围上限50.0级配范围下限和油石比变异强烈40.0级配范围中值通过率（%）30.0•工艺：碾压遍数、碾20.0压温度10.0000.00.07500.150.30.61.182.364.759.513.216筛孔（mm）SchoolofTransportation,SEU42018/2/6 2.级配对沥青混合料性能影响针对常用的改性AC‐13沥青混合料，以高温性能为例，分析拌和站级配、油石比和成型温度的影响情况马歇尔方法确定根据施工规范确定正交试验设计编号级配油石比成型温度Flowtime(s)1波动上限4.7%1402波动上限5.0%1553波动上限5.3%170单轴静态蠕变试验4设计级配4.7%1555设计级配50%5.0%1706设计级配5.3%1407波动下限47%4.7%1708波动下限5.0%1409波动下限53%5.3%155SchoolofTransportation,SEU52018/2/6 2.级配对沥青混合料性能影响正交试验结果与极差分析A(级配)B(油石比)C(击实温度)试验号123Flowtime（s）11（波动上限）1（4.7%）1（140℃）139721（波动上限）2（5.0%）2（155℃）296931（波动上限）3（5.3%）3（170℃）167342（设计级配）1（4.7%）2（155℃）182052（设计级配）2（5.0%）3（170℃）231662（设计级配）3（5.3%）1（140℃）105573（波动下限）1（4.7%）3（170℃）71383（波动下限）2（5.0%）1（140℃）22793（波动下限）3（5.3%）2（155℃）115Ⅰ603939302679‐jⅡ519155124904‐jⅢ105528434702‐jⅠ/32013.01310.0893.0‐jⅡ/31730.31837.31634.7‐jⅢ/3351.7947.71567.3‐jR1661.3889.7741.7‐极差jSchoolofTransportation,SEU62018/2/6 2.级配对沥青混合料性能影响2500.02000.02000.01800.0)s((s)160001600.01500.0timetime1400.01000.0FlowFlow1200.05000500.0166131661.38897889.71000.00.0800.0波动上限设计级配波动下限4.555.5级配油石比（%）1700.01500.0(s)1300.0time1100.0Flow741.7900.0级配粗细＞油石比＞成型温度700.0135145155165175成型温度（℃）SchoolofTransportation,SEU72018/2/6 2.级配对沥青混合料性能影响方差分析数据表A(级配)B(油石比)C(击实温度)试验号123Flowtime（s）平方（s2）11（波动上限1（4.7%）1（140℃）1397(Y)1951609121（波动上限2（5.0%）2（155℃）2969(Y)8814961231（波动上限3（5.3%）3（170℃）1673(Y)2798929342（设计级配1（4.7%）2（155℃）1820(Y)3312400452（设计级配2（5.0%）3（170℃）2316(Y)5363856562（设计级配3（5.3%）1（140℃）1055(Y)1113025673（波动下限1（4.7%）3（170℃）713(Y)508369783（波动下限2（5.0%）1（140℃）227(Y)51529893（波动下限3（5.3%）2（155℃）115(Y9)13225Ⅰ603939302679K=12285W=23927903jⅡ519155124904‐‐jⅢ105528434702‐‐jU21509675.717969897.717778353.7P=16769025‐Q4740650.71200872.71009328.7‐‐SchoolofTransportation,SEU82018/2/6 2.级配对沥青混合料性能影响方差分析结果来源离差自由度均方离差F值A（级配）4740650.722370325.322.8B（油石比）1200872.72600436.35.8C（温度）1009328.72504664.34.9误差208026.02104013.0‐总和7158878.08‐‐给定α=0.05，F=19，F＞FαAα只有级配粗细显著影响高温性能综上，对于给定的因素水平：（1）级配粗细（显著影响）＞油石比＞成型温度；（2）施工过程中，相对于油石比和压实温度，应重点监控级配变异性。SchoolofTransportation,SEU92018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测3.1已有检测方法《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40‐2004）规定的级配检测方法。无法及时预估每盘沥青混合料的级配。SchoolofTransportation,SEU102018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测基于数字图像处理技术的热料仓级配预估。颗粒下落面较宽；采用振动筛，粉尘较多，容易污染镜头，拍摄的图像噪声较大；由于粉尘的存在，光线不均匀。SchoolofTransportation,SEU112018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测冷料仓石料输送：不会引起较大的粉尘，而且经过人工光源的补充，可以消除自然光的不均性。本研究欲采用数字图像处理技术计算冷料的级配，进而预估沥青混合料的级配。SchoolofTransportation,SEU122018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测3.2实时检测冷料仓集集料颗粒料下落处LED光源监控示意图传送带摄像机SchoolofTransportation,SEU132018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（1）选取曝光时间和帧速符合要求的摄像机。V2ght2h像元长度2t曝光Vht1式中，g为重力加速度（m/s2）；h为颗粒总的下落距离（m）；V为石料颗粒t下落h的速度（m/s）；μ为像元的长度（m）；h为焦距（m）；h为摄像元长度12像机到石料颗粒的距离（m）。曝光时间内，物体下落不能超过2个像素（2）结合摄像机焦距和颗粒下落距离，调整摄像机的拍摄位置；在集料颗粒下落装置处，安装LED灯，减少自然光不均匀给拍摄带来的影响。SchoolofTransportation,SEU142018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测室内试验装置LED光源高速摄像机SchoolofTransportation,SEU152018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（3）利用MATLAB将彩色图像转变为二值图像颗粒黏连SchoolofTransportation,SEU162018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测黏连颗粒处理方法：分水岭分割+凹点检测分水岭分割：容易过分分割利用凹点检过度测判断是否分割出现过分分割凹点SchoolofTransportation,SEU172018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测去掉过分分割后的二值图像SchoolofTransportation,SEU182018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（4）固定摄像机的位置和焦距，利用集料颗粒开始下落处的装置的实际测量距离对二值图像进行距离标定，即确定二值图像长度（像素数）与实际长度的换算关系。实际距离：300mm图像距离：1088像素SchoolofTransportation,SEU192018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（5）利用MATLAB编制代码获得连通区域最小外接矩形的短轴长度。据此，利用最小外接矩形的宽度对各连通区域进行虚拟筛分。由连通区域的最小外接矩形宽度进最小行虚拟筛分外接矩形SchoolofTransportation,SEU202018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测虚拟筛分举例SchoolofTransportation,SEU212018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（6）利用MATLAB的regionprps函数确定等效椭圆的长轴和短轴，从而计算石料颗粒的极半径。更进一步地，计算集料颗粒的体积。d1.16b1.35a/b4dVab体积32式中，a和b分别为等效椭圆的长轴和短轴长度的一半（cm）；d为石料颗粒的极径（cm）；V为集料颗粒的体积（cm3）。体积SchoolofTransportation,SEU222018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（7）由给定的石料毛体积密度，根据上述步骤确定的颗粒体积，就可以确定单张图片集料颗粒的通过率。计算示例SchoolofTransportation,SEU232018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测由数理统计知识可知，当图片数量达到一定程度时（例如百张级别），该档集料的虚拟通过率将达到稳定。例如，9.5‐13.2档集料的虚拟筛分结果稳定后与手工筛分的对比。筛孔1613.29.54.752.361.18手工筛分10090.214.60.60.30虚拟筛分10088588.512112.1111.1080.80SchoolofTransportation,SEU242018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测（8）重复上述步骤确定其他档集料的虚拟筛分级配。采用上述方法处理2.36‐4.75mm，4.75‐19.5mm档集料后，便可以计算矿料的合成级配。筛孔1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075手工10097797.779879.851351.333133.123523.514314.3979.7797.9606.0筛分虚拟10094.977.352.33424.114.69.97.96.0筛分SchoolofTransportation,SEU252018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测3.3现场检测以溧阳某一级公路改扩建工程（SUP25）为依托，验证基于数字图像处理的冷料级配监控的可行性和准确性。目前正处于数据处理和对比阶段。0‐2.36mm档集料2.36‐4.75mm档集料SchoolofTransportation,SEU262018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测4.75‐9.5mm档集料959.5‐19mm档集料SchoolofTransportation,SEU272018/2/6 3.基于图像的沥青混合料级配实时检测9.5‐26.5mm档集料目前，正对高速摄像机拍摄的大量图片进行虚拟筛分，确定各档集料虚拟筛分结果稳定时需要处理的图片数量，并将稳定的合成级配与抽提结果对比，验证该方法的可行性和准确性。与图片拍摄对应的抽提结果筛孔31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075（mm）通过率10097.285.774.363.053.136.927.017.812.67.85.94.4（%）SchoolofTransportation,SEU282018/2/6 4.预期成果（1）基于数字图像处理技术，建立冷料实时监测体系。（2）防止溢料与冷料监控协作。（3）施工现场混合料级配控制。SchoolofTransportation,SEU292018/2/6 SchoolofTransportation302018/2/6'