SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像分析方法

摘要

本发明公开了一种SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像分析方法，首先对标准方法采集的荧光显微图像进行滤波分析、分割处理得到表示沥青相和聚合物相的二值图像，然后提取图像中的聚合物形态并转为二值文件，最后对二值图形文件矩阵进行分块操作，将图像主矩阵（主图）等分为若干子矩阵（子图）并提取主图连通域的数量及各个子图中的目标聚合物粒子数量，并据此计算主图的克里斯钦森系数。与传统试验相比，本发明克服了室内试验估测聚合物分布相容性的不足，避免了传统试验耗费大量的人力物力的缺点。本发明方法引入了荧光显微图像技术，具有效率高、成本低等优点，可以快速、定量地分析亚微观尺度SBS改性沥青的相态分布特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像分析方法，具体涉及一种适 用于荧光显微手段分析试验室高速剪切乳化机制备聚合物改性沥青相态分布特征的方法。

背景技术

传统方法主要通过破坏性试验评价共混材料中外掺物的相容程度，如沥青离析试验，试 验过程繁杂，需消耗大量人工、材料、能源和时间，故而基于共混材料显微相态的分布特征 理论得到了快速发展。聚合物改性沥青属于典型的两相共混体系，聚合物相态分布特征是决 定其各项使用性能的重要指标，其相态结构特征主要包括沥青单相连续、两相互锁、聚合物 单相连续三种形式。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于荧光显微图像的SBS改性沥青相态分布特性分析方法，本 发明给出了聚合物改性沥青相态分布特性的图像评价方法，并确定了定量的评价参数，避免 了传统试验的大量器具和时间耗费。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像 分析方法，首先对标准方法采集的荧光显微图像进行滤波分析、分割处理得到表示沥青相和 聚合物相的二值图像，然后提取图像中的聚合物形态并转为二值文件，最后对二值图形文件 矩阵进行分块操作，将图像主矩阵(主图)等分为若干子矩阵(子图)并提取主图连通域的 数量及各个子图中的聚合物粒子数量，并据此计算图的克里斯钦森系数；根据其连通域的数 量判断聚合物改性沥青的相态结构特征，即沥青单相连续、两相互锁、聚合物单相连续，并 结合聚合物粒子分布的克里斯钦森系数定量刻画聚合物在沥青中的分布特征。

首先对标准方法采集的荧光显微图像进行滤波分析、分割处理得到表示沥青相和 聚合物相的二值图像，然后提取图像中的聚合物形态并转为二值文件，最后对二值图形文件 矩阵进行分块操作，将图像主矩阵等分为若干子矩阵并提取图像主矩阵连通域的数量及各个 子矩阵中的聚合物粒子数量，并据此计算图的克里斯钦森系数；根据其连通域的数量判断聚 合物改性沥青的相态结构特征，即沥青单相连续、两相互锁、聚合物单相连续，并结合聚合 物粒子分布的克里斯钦森系数定量刻画聚合物在沥青中的分布特征。

优选的，所述分析方法具体包括如下步骤：

(1)采集SBS改性沥青荧光显微图像，以其灰色图像为研究对象；

(2)对所述灰色图像进行滤波分析，确定最佳邻域水平；

(3)对所述经过最佳邻域水平处理的灰色图像进行分割处理，按照“类间方差最大”原 则，寻找经滤波图像的全局最佳分割阈值，将经滤波处理的灰色图像二值化，得到表示聚合 物和沥青背景的二值图像；

(4)对所述二值图像的数字矩阵进行分块处理，按照4连通寻找主图连通域的数量C， 并提取各子图的聚合物粒子数n_i；

(5)计算克里斯钦森系数：

(6)分别以所述克里斯钦森系数、连通域的数量为纵坐标，绘制其随剪切时间和改性剂 掺量变化的曲线。

优选的，所述采集SBS改性沥青荧光显微图像，包括以下步骤：

(1)采用高速剪切乳化法制备SBS掺量分别为3％、4％、5％、6％、7％的改性沥青， 并按照规范要求在剪切90分钟时取样、浇筑、冷却、刮平软化点试样，以备观测使用；

(2)使用荧光采集系统获取SBS改性沥青软化点试样图像文件。

优选的，所述对图像进行滤波分析，确定最佳邻域水平，包括以下步骤：

(1)将彩色图像转换为灰度图像；

(2)采用不同邻域水平的维纳滤波器对灰度图像进行滤波处理；

(3)提取滤波后图像的聚合物粒子数量；

(4)绘制“粒子数量-邻域水平”关系曲线；

(5)取用粒子数量趋于稳定时对应的邻域水平为最佳邻域水平，对应的滤波图像为最终 研究对象。

优选的，所述计算克里斯钦森系数的方法为：

(1)计算分块子图中聚合物粒子数的平均值，记为u；

(2)计算分块子图中聚合物粒子的绝对离差平均值，记为v；

$v=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|n_i-u\right|}{n};$

(3)计算克里斯钦森系数K；

$K=1-\frac{v}{u}.$

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明提供的SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像分析方法，通过软化点 试样即可采集得到SBS改性沥青的微观图像，通过标准的图像处理、特征提取步骤即可获得 聚合物相态结构的定量描述参数，即连通域的数量和克里斯钦森系数。与传统破坏性试验相 比，既避免了大量的时间、材料和能源消耗，又能直观、定量分析改性沥青的微观结构。

第二，与传统试验相比，本发明克服了室内试验估测聚合物分布相容性的不足，避免了 传统试验耗费大量的人力物力的缺点。

第三，本发明方法引入了荧光显微图像技术，具有效率高、成本低等优点，可以快速、 定量地分析亚微观尺度SBS改性沥青的相态分布特性。

附图说明

图1为荧光显微图像方法分析SBS改性沥青相态分布特性的实现步骤。

图2为SBS改性沥青荧光显微图像的灰度图像。

图3为图像滤波操作对聚合物微小粒子的“吞噬”现象，随着邻域水平的增加(从左到 右)，图像中细微粒子在逐步消失，其中图3(a)为经邻域水平5×5滤波处理的图像，图3(b) 为经邻域水平10×10滤波处理的图像，图3(c)为经邻域水平20×20滤波处理的图像，图3(d) 经邻域水平40×40滤波处理的图像。

图4为粒子数随邻域水平的变化曲线。

具体实施方式

量化评价SBS改性沥青相态分布特性的实现过程:

在本发明中，微观观测样本按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011) 中软化点试样制备；待试样冷却至室温，置于OLYMPUS荧光显微镜下，以放大倍数20X、 图像大小4140×3096采集其微观图像；先将彩色图像转换为灰度图像，经过滤波分析确定图 像滤波的最佳邻域水平；按照“类间方差最大”原则寻找图像的全局最优阈值并得到二值图 像；根据4连通寻找主图连通域的数量C；对二值图像的数字矩阵进行分块处理后，提取各 子图的聚合物粒子数n_i；按照定义公式计算克里斯钦森系数，并分别以克里斯钦森系数、连 通域的数量为纵坐标，绘制其随剪切时间和改性剂掺量变化的曲线。

SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像分析方法，首先按照规范要求在实验室利用 高速剪切乳化剂制备SBS改性沥青软化点试样，通过OLYMPUS荧光系统对其进行图像采集， 以其灰色图像为研究对象，如图2所示，经滤波分析、阈值分割得到二值图像，在提取主图 连通域的数量后，对其进行分块操作并提取各个分块的聚合物粒子数量，计算主图的克里斯 钦森系数，最后分别以克里斯钦森系数、连通域的数量为纵坐标，绘制其随剪切时间和改性 剂掺量变化的曲线。

滤波分析的目的是为确定最佳的邻域水平。高速剪切过程会产生大量细微改性剂粒子， 这些粒子对改性沥青性能的贡献虽然微乎其微，但其数量却会对整体分布特征的分析造成很 大影响。随着滤波邻域水平的增大，这些粒子会被“吞噬”，如图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所 示。因此，粒子数随邻域水平的变化曲线趋于稳定时，这些粒子被“吞噬”干净，对应的邻 域水平为最佳邻域水平，如图4所示。

主图克里斯钦森系数是通过各分块子图中聚合物粒子数n_i求得的。计算公式如下：

$v=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|n_i-u\right|}{n}$

$K=1-\frac{v}{u}$

式中，u为分块子图中聚合物粒子数的平均值；v为分块子图中聚合物粒子的绝对离差平 均值；n_i为聚合物粒子数；K为克里斯钦森系数。

本发明提供的SBS改性沥青相态分布特性的荧光显微图像分析方法，通过软化点试样即 可采集得到SBS改性沥青的微观图像，通过标准的图像处理、特征提取步骤即可获得聚合物 相态结构的定量描述参数，即连通域的数量和克里斯钦森系数。与传统破坏性试验相比，既 避免了大量的时间、材料和能源消耗，又能直观、定量分析改性沥青的微观结构。

与传统试验相比，本发明克服了室内试验估测聚合物分布相容性的不足，避免了传统试 验耗费大量的人力物力的缺点。

本发明方法引入了荧光显微图像技术，具有效率高、成本低等优点，可以快速、定量地 分析亚微观尺度SBS改性沥青的相态分布特性。