不同空隙率下雙層瀝青混合料的細觀特性研究★

李 依 　 丁 燕

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州　225000)

0　引言

瀝青路面在使用過程中，整體強度降低的根本原因是外界環境和行車荷載的藕合作用而導致混合料內部空隙的擴展、瀝青結合料的老化[1]。事實上，瀝青混合料的宏觀力學性能受其細觀結構控制，宏觀的破壞行為是細觀尺度上的損傷行為累積和發展的結果[2]。僅有宏觀唯象研究，而無細觀結構損傷演化分析，難以揭示材料破壞的物理機制。

吳文亮等[3]選擇粗集料顆粒長軸方向為車轍性能指標，利用圖像處理技術分析截面粗集料主軸方向的變化規律。傅香如等[4]通過縱斷面內部結構信息，統計計算集料主軸方向角，發現成型方式影響集料取向。

1　數字圖像處理研究

數字圖像處理(Digital Image Processing)是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術。

本節將以基于旋轉壓實成型的雙層瀝青混合料組合試件的曲面切面圖像的處理作為論述對象，兩種試件級配組合分別為SMA+SUP和SMA+AC，闡述數字圖像處理基本過程，見圖1。

1.1　截取截面

采用曲面切割方法，選用芯樣圓柱體側面為采集對象。切割設備以及切割完成的試件見圖2。

1.2　圖像采集

圖像采集時，在采集面正面兩側布置LED燈管，保證光照的均勻性，如圖3所示。然后利用CCD線陣掃描相機采集圖像，后期進行截取拼接，最終得到相應尺寸的圓柱體試件表面圖像。

1.3　灰度處理

本文實現灰度轉化，采用平均值處理法，結果如圖4所示。

1.4　圖像二值化

對1.3灰度化的圖像進行二值化處理。首先確定一個灰度閾值，當某個像素點的灰度不小于閾值時就認為是集料，反之則判斷為瀝青，結果見圖5。

2　切面圖像特征參數獲取

由于雙層瀝青混合料層間粘層油用量較少，對特征參數研究影響較小，故本節僅對無粘層油的雙層瀝青混合料試件切面圖像進行分析。

2.1　集料主軸角度排列分布

集料的主軸角度由每個像素點所代表的實際面積及長度求得。方向角為顆粒主軸或者長軸方向和豎直方向的夾角，如圖6所示。當方位角為0°或180°時，表示集料顆粒處于“站立”狀態；當方位角為90°時，表示集料顆粒處于“平躺”狀態。從受力穩定角度考慮，普遍認為平躺狀態是最穩定的狀態。

本研究采用IPP軟件對切面圖像的顆粒主軸角度進行統計分析，研究模擬不同車轍形變程度下試件切面顆粒主軸角度分布情況。實驗結果為兩種級配組合(SMA+SUP和SMA+AC)試件對應車轍形變5 mm,10 mm,15 mm,20 mm時，對應不同空隙率，顆粒主軸方向角度分布情況，見圖7,圖8。原始數據的標準差和平均值分布情況見圖9,圖10。

由圖7，圖8可知，車轍形變程度加深，兩種結構組合切面內所有顆粒的主軸角度分布規律均服從正態分布，呈現良好的一致性。且試件內部顆粒主軸角度多接近90°，處于“平躺”狀態，說明壓實狀態良好。當混合料整體受軸向荷載作用時，內部豎向集料處于運動狀態，集料會主動保持“平躺”狀態，即有使主軸方向垂直于重力場方向的趨勢，以保持自身穩定。

由圖9可知，隨著車轍形變程度的增加，空隙率降低，標準差逐漸減小，表明隨著壓密程度加深，數據趨于穩定，主軸方向角度接近90°的顆粒逐漸增多。由圖10，對比兩種級配組合混合料顆粒主軸角度的平均值，前者更接近90°。分析認為SUP-20級配中骨料較多，更易形成骨架嵌擠結構，從而擁有更好的高溫穩定性。

2.2　瀝青面積比變化

瀝青混合料二維切面圖像主要是明暗相間的兩相體系，礦料顆粒呈現明相，瀝青、礦粉和空隙構成的體系呈現暗相，因此單靠集料形態特征不能表征混合料表面全部圖像特征。研究表明，混合料的體積組成更能決定其性質，而瀝青含量直接影響瀝青混合料的體積指標。基于前期研究，認為瀝青面積比可以從一定程度上表征瀝青混合料膠漿(瀝青)的含量。

由二值化處理圖像獲得相應識別數據，經統計分析得到不同空隙率下的瀝青面積比，計算公式見式(1)。試驗結果見圖11。

(1)

其中，PA為瀝青面積比；Nb為閾值分割點左邊各灰度對應像素點個數；Na為閾值分割點左邊各灰度孔洞對應像素點個數；N為像素點總和。

由圖11可知，車轍形變程度增加，空隙率降低，瀝青面積比整體呈先降低后增長的趨勢。空隙率較大時，瀝青的蠕動遷移比較頻繁，導致瀝青面積比變化較大；后期空隙率減小，混合料逐漸密實，局部骨料可能被壓碎，被瀝青吞噬，導致瀝青膠漿含量增多，瀝青面積比緩慢增加。

3　抗剪性能

本節從集料顆粒主軸方位角標準差和瀝青面積比兩個方面研究分析混合料組合抗剪性。

由圖12可知，車轍形變量增大，空隙率降低，顆粒主軸方向角標準差緩慢減小，抗剪強度隨之增加。主軸方向角標準差逐漸減小，表明更多的集料顆粒主軸方向角約為90°，即集料處于穩定狀態，嵌擠能力提高，抗剪強度固然增強。

由圖13可知，對比不同車轍階段，瀝青面積比的變化略有不同。車轍前期，瀝青面積比減小，抗剪強度增大；車轍后期，瀝青面積比與抗剪強度的關系較為復雜，整體呈現遞增趨勢。究其原因，主要是混合料試件上面層是骨架密實結構，下面層是懸浮密實結構，這兩種結構在壓密過程中表現不一致，故車轍后期才會出現復雜的變化情況。

4　結語

1)兩種典型級配組合在路面使用階段，隨著車轍形變程度不斷加深，兩種結構組合切面內所有顆粒主軸角度分布呈正態，呈現良好的一致性，試件內部顆粒主軸角度大多接近90°。且車轍形變程度增加，主軸方向角度接近90°的顆粒逐漸增多。SMA+SUP級配組合混合料顆粒主軸角度的平均值更接近90°。

2)瀝青面積比變化反映了瀝青的蠕動遷移情況，隨著車轍深度的逐漸加深，空隙率逐漸下降，瀝青面積比整體呈先降低后增長趨勢。

3)抗剪強度隨著顆粒主軸方向角標準差減小而增加。對比不同車轍階段，瀝青面積比對抗剪強度的影響略有不同。車轍前期，抗剪強度隨瀝青面積比的減小而增大；車轍后期，瀝青面積比與抗剪強度較為復雜，整體呈現遞增趨勢。