粗集料三維棱角對瀝青混合料體積指標及性能的影響

蔣 進，寇 博，楊 剛，鄧 超，張 東

(1.安順公路管理局，貴州 安順 561000;2.南京工業大學,江蘇 南京 211816)

0 引言

瀝青混合料是由粗集料、細集料、礦粉和瀝青組成的多相復合材料。其中，粗集料的比例占瀝青混合料總質量的50%以上。棱角是粗集料的重要形態特征之一，對瀝青混合料的性能具有重要影響。因此，研究粗集料棱角性的評價方法以及粗集料棱角與瀝青混合料性能之間的關系對于粗集料的質量控制和瀝青混合料的優化設計具有重要意義。

國內外在粗集料棱角評價方法以及粗集料棱角與瀝青混合料性能之間的關系方面做了大量研究。在過去20 a中， 二維圖像處理方法被廣泛用于評價粗集料的棱角特征， 提出了一系列評價方法， 包括基于圖像尺寸和半徑的方法、腐蝕-膨脹法、分形維數法、梯度法、多邊形擬合法、霍夫變換法以及傅立葉變換法等[1-6]。 基于粗集料的二維棱角指標，國內外研究人員對粗集料棱角對瀝青混合料高溫性能的影響進行了研究[7-11]。研究表明，瀝青混合料的高溫穩定性隨著粗集料棱角的增加而增加。在粗集料棱角性對瀝青混合料低溫抗裂性和水穩定性的影響方面，陳國明等[12]和袁明園[13]分別進行了研究，但沒有得到一致的結論。

粗集料屬于空間三維形體，二維圖像僅反映了粗集料的部分棱角特性，基于二維圖像計算的粗集料棱角指標不能完整地表征粗集料的三維棱角性。隨著粗集料三維重構技術的發展，三維圖像處理方法被用于研究粗集料的三維棱角特征。Yang和Chen等[14]通過X射線CT掃描技術重構粗集料三維圖像，采用Sobel-Feldman算子研究了粗集料的三維棱角特征。Nie和Wang等[15]通過拐角識別和球體擬合算法，研究了粗集料的三維棱角問題。Jin和Zou等[16]利用粗集料表面三角面片的頂點計算最小擬合球體和最小擬合立方體，提出了計算粗集料三維棱角的方法。上述研究提出了粗集料三維棱角的評價方法，但未研究粗集料三維棱角指標與瀝青混合料性能之間的關系。

針對二維圖像處理方法評價粗集料棱角性的缺陷，本研究基于粗集料三維點云圖像，采用橢球擬合的方法構建粗集料三維棱角指標，研究了粗集料三維棱角對瀝青混合料AC-13最佳油石比、體積指標和力學性能的影響。

1 粗集料三維棱角評價

近年來，三維重構技術快速發展，X射線CT掃描技術和三維掃描儀被用于采集和重構粗集料的三維圖像。在本研究中，采用高精度藍光掃描儀獲取粗集料的三維圖像，三維圖像以表面點云的方式表示。表1顯示了本研究采用的藍光掃描儀的掃描參數。

表1 粗集料掃描參數Tab.1 Scanning parameters of coarse aggregate

本研究所采用的高精度藍光掃描儀是基于多視點三角測量原理，可以精確捕捉標志點中心的三維坐標值。首先通過編碼點標定相機各個視點的位置和姿態，然后依據多視點幾何成像關系計算標志點的三維坐標，最后利用全局優化方法生成高精度的三維數據。粗集料三維圖像掃描的主要步驟如下：

(1)儀器校正，包括焦距調節、光圈調節和系統標定。保持相機姿態不變，在旋轉轉盤上放置標定板，按照系統設定完成焦距調節和光圈調節。通過改變標定板的位置，完成系統標定。

(2)粗集料三維掃描。系統標定完成后，將標定板取走，在轉盤中央放置一塊橡皮泥，用于固定粗集料。在系統中選擇“標志點拼接”掃描模式，調整曝光度，進行旋轉全幅掃描。上部掃描完成后，將粗集料倒置，以下部區域為作為頂部，再次進行掃描。

(3)粗集料三維圖像拼接。在粗集料上部、下部掃描完成后，進行掃描數據的拼接。借助儀器自帶的三維圖像處理軟件，通過手動注冊、全局注冊及合并功能得到完整的粗集料三維點云圖像。

基于粗集料三維點云圖像，本研究采用橢球擬合的方法構建粗集料的三維棱角指標，主要步驟如下：

(1)基于最小體積包圍橢球(Minimum Volume Enclosing Ellipsoids，簡稱MVEE)經典擬合問題，通過Khachiyan算法[17]，得到滿足包圍粗集料所有點數據的橢球方程，通過線性規劃思想，利用凸優化方法求解能夠包圍所有點體積最小的橢球。

(2)調整橢球的重心，與粗集料的重心重合。建立擬合函數，如式(1)和圖1所示。式中，A點為粗集料表面上的點，OA為A點到粗集料(橢球)重心的距離(dOA)，B點為OA與橢球的交點，OB為B點到粗集料(橢球)重心的距離(dOB)，dAB為AB點之間的距離，N為粗集料表面數據點個數，i為數據點編號。編寫軟件程序，改變橢球的軸長，當擬合函數F值最小時，得到的橢球為最佳擬合橢球。

圖1 粗集料三維棱角計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of computing 3D angularity of coarse aggregate

(3)基于粗集料表面點云數據和最佳擬合橢球，構建粗集料三維棱角指標，如式(2)所示。式中，δ為臨界判別系數，用于過濾粗集料表面微小的凸起，本研究取10%。本研究使用的粗集料三維棱角指標消除了尺寸效應，可以用于表征粗集料的三維棱角性。

(1)

(2)

2 材料和試驗

采用洛杉磯磨耗儀磨耗不同次數的方法，制備具有不同棱角性的粗集料[11, 13]。根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)，本研究所用粗集料的主要技術指標如表2所示。將粗集料進行篩分，得到13.2～16 mm、9.5～13.2 mm及4.75～9.5 mm 3檔粗集料。將每檔粗集料分成4份，分別使用洛杉磯磨耗儀磨耗0次、300次、600次和900次制備試驗所需粗集料。

表2 粗集料主要技術指標Tab.2 Main technical indicators of coarse aggregate

為了驗證高精度藍光掃描儀采集粗集料圖像的可重復性和取樣的代表性，選取石灰巖9.5 mm原樣集料進行驗證。驗證方法如下：(1)對于可重復性檢驗，隨機選取40顆集料進行掃描，掃描完成后將集料樣品重新混合，再進行第2次掃描；(2)對于取樣代表性檢驗，隨機選取兩份40顆集料樣品，分別進行掃描。

粗集料的三維形態指標服從正態分布，可以使用t檢驗的方法檢驗兩組樣品的三維棱角指標是否存在顯著差異。可重復性檢驗采用相關雙樣本t檢驗，取樣代表性檢驗使用獨立雙樣本t檢驗。檢驗中，所用的顯著性水平為0.05。

表3是可重復性和取樣代表性t檢驗結果。其中：t是t檢驗的t值，df是自由度，Sig.(2-tailed)是t檢驗概率。由表3可知：

表3 可重復性和取樣代表性t檢驗結果Tab.3 t-test result of repeatability and sample representativeness

(1)可重復性t檢驗概率顯著大于0.05，接受了均值相等的假定，證明了本研究三維掃描方法的可重復性。這是因為本研究在進行三維掃描時，采用了固定式相機及旋轉掃描轉盤，提高了掃描的精度，避免了人為操作的影響。

(2)取樣代表性t檢驗概率也遠大于0.05，接受了均值相等的假定，證明了所取樣本的代表性。這也表明，當所取集料的樣本容量大于40時，樣本具有代表性。本研究在粗集料三維掃描時，集料樣本數量為50，所取樣本計算得到的三維棱角指標具有統計意義。

采用藍光掃描儀采集不同粒徑粗集料樣品的三維點云圖像，并計算每檔粗集料的棱角指標。對于某粒徑的粗集料，其棱角指標采用體積加權平均的方法計算。在瀝青混合料中，所有粗集料的復合棱角指標按照每檔粗集料的質量比例加權平均計算。圖2是不同磨耗次數的粗集料棱角指標。由圖2可知，隨著磨耗次數的增加，每檔粗集料的棱角指標都逐漸減小。這是由于隨著磨耗次數的增加，粗集料顆粒被逐漸磨圓，導致棱角指標下降。

圖2 不同磨耗次數的粗集料棱角指標Fig.2 Coarse aggregate angularity indicators with different abrasion times

采用洛杉磯磨耗儀磨耗不同次數是改變粗集料棱角性的一種方法。胡力群等[11]和袁明園[13]采用洛杉磯磨耗儀制備具有不同棱角性的粗集料，研究了粗集料棱角對瀝青混合料性能的影響。在洛杉磯磨耗儀轉動過程中，撞擊作用使得粗集料的邊角被磨圓，粗集料顆粒表面由于受力時間短，表面紋理不會發生顯著改變。為了證明這個判斷，隨機選取10顆4.75 mm石灰巖粗集料，在粗集料顆粒上做好標志并采集三維點云圖像。將選取的10顆粗集料混入粗集料樣品中，采用洛杉磯磨耗儀分別磨耗300次、600次和900次，每次磨耗后采集粗集料顆粒的三維點云圖像。作者在前期研究中，提出了基于三維點云圖像表征粗集料紋理的方法[18]，本研究采用文獻[18]中的Taubin平滑算法計算粗集料顆粒的紋理指標，其中平滑范圍為0.38 mm、平滑水平為1.1、反向平滑水平為-1.5。圖3顯示了10顆粗集料磨耗不同次數后的紋理指標。由圖3可知，隨著磨耗次數的增加，粗集料顆粒的紋理指標逐漸下降，但是下降幅度很小，降幅都在3.5%范圍內。因此，本研究采用洛杉磯磨耗儀磨耗的方法制備的粗集料，改變了粗集料的棱角性，但未顯著改變粗集料表面的紋理。

圖3 同磨耗次數的粗集料顆粒紋理指標Fig.3 Coarse aggregate texture indicators with different abrasion times

分別采用磨耗0次、300次、600次和900次的粗集料制備瀝青混合料AC-13，經過加權平均后，瀝青混合料中粗集料的復合棱角指標如表4所示。瀝青混合料采用規范中值級配，瀝青采用70#重交通瀝青。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，本研究所用瀝青的主要技術指標如表5所示。通過馬歇爾試驗確定瀝青混合料最佳油石比，并得出最佳油石比下的體積指標。采用最佳油石比制備瀝青混合料，進行高溫穩定性試驗、低溫抗裂性試驗和水穩定性試驗。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)及道路工程行業慣例，試驗得到的動穩定度、破壞應變、殘留穩定度及凍融劈裂強度比都取平均值進行分析，試驗誤差均在規范規定的范圍內。

表4 瀝青混合料中粗集料的復合棱角指標Tab.4 Composite angularity indicator of coarse aggregate in asphalt mixture

表5 瀝青主要技術指標Tab.5 Main technical indicators of asphalt

3 粗集料棱角對瀝青混合料體積指標的影響

分別采用磨耗0次、300次、600次和900次的粗集料制備瀝青混合料AC-13，通過馬歇爾試驗確定瀝青混合料的最佳油石比。圖4顯示了粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13最佳油石比的影響。由圖4可知，隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的最佳油石比逐漸增加，二者呈現顯著的線性正相關性，相關系數高達0.95。這表明，粗集料的棱角性越大，瀝青混合料AC-13的最佳油石比越大。

圖4 粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13最佳油石比的影響Fig.4 Influence of coarse aggregate composite angularity indicator on optimal asphalt-aggregate ratio of asphalt mixture AC-13

圖5顯示了粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13體積指標的影響。由圖5可知：(1)隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的毛體積密度和瀝青飽和度都逐漸減小，呈現顯著的線性負相關性；(2)隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的空隙率和礦料間隙率都逐漸增大，呈現顯著的線性正相關性。這表明，粗集料棱角性的增大，降低了瀝青混合料AC-13的密度指標，提高了瀝青混合料AC-13的空隙指標。

圖5 粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13體積指標的影響Fig.5 Influence of coarse aggregate composite angularity indicator on volume indicators of asphalt mixture AC-13

造成上述結果的原因是：隨著粗集料三維棱角的增加，粗集料表面可裹覆的瀝青增加，從而提高了瀝青混合料的最佳油石比。但是，粗集料棱角性的增加降低了可壓實性，從而使得瀝青混合料的密度指標降低，空隙指標提高。

4 粗集料棱角對瀝青混合料性能的影響

4.1 高溫穩定性

采用車轍試驗評價瀝青混合料的高穩定性。圖6顯示了粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13高溫穩定性的影響。如圖6所示，隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的動穩定度逐漸增加，二者呈現顯著的線性正相關性，相關系數高達0.99。這表明，粗集料的棱角性越大，瀝青混合料AC-13的高溫穩定性越好。Pan等[9]、譚憶秋等[10]及袁明園[13]的研究也得到了相同的結論。產生上述結果的原因是，粗集料的棱角性越大，有助于集料形成更強的骨架結構，增加了集料間的摩阻力，從而能更好地抵抗高溫變形。

圖6 粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13高溫穩定性的影響Fig.6 Influence of coarse aggregate composite angularity indicator on high-temperature stability of asphalt mixture AC-13

4.2 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性。圖7顯示了粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13低溫抗裂性的影響。如圖7所示，隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的破壞應變先減小后增大，二者呈較強的二次相關性。這與陳國明等[12]的研究結果一致，但與袁明園[13]的研究結果相反。對于本研究得到的研究結果，原因解釋如下：粗集料的棱角性越大，顆粒之間的摩擦作用和嵌擠作用越強，表現出更好的抗彎拉能力；隨著棱角性的下降，顆粒之間的嵌擠作用減弱，破壞應變逐漸降低。但是隨著棱角的進一步降低，粗集料顆粒趨于圓滑，組成的瀝青混合料更密實，顆粒之間的黏結力增加，導致瀝青混合料的破壞應變增加。

圖7 粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13低溫抗裂性的影響Fig.7 Influence of coarse aggregate composite angularity indicator on low-temperature crack resistance of asphalt mixture AC-13

4.3 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩定性。圖8顯示了粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13水穩定性的影響。如圖8(a)所示，粗集料的復合棱角與瀝青混合料AC-13的殘留穩定度沒有明顯的規律性。但從折線走向和擬合結果來看，隨著粗集料復合棱角的增加，瀝青混合料AC-13的殘留穩定度呈下降趨勢。這個結果和袁明園[13]的研究結果一致，但和陳國明等[12]的研究結果相反。對于本研究得到的研究結果，原因解釋如下：隨著粗集料棱角的增大，瀝青混合料的空隙率增大，浸水時穩定度降低。如圖8(b)所示，隨著粗集料復合棱角的增大，瀝青混合料AC-13的凍融劈裂強度比先減小后增大，二者呈較強的二次相關性。這和陳國明等[12]及袁明園[13]的研究結果都不一樣。陳國明等[12]的研究結果顯示，瀝青混合料的凍融穩定性隨著粗集料棱角性的增加而增加。但袁明園[13]的研究結果顯示，瀝青混合料的凍融穩定性隨著粗集料棱角性的增加而下降。對于本研究得到的研究結果，原因解釋如下：當粗集料棱角性大時，顆粒之間的嵌擠作用強，從而抵抗凍脹應力的能力較強；隨著棱角性的下降，骨架結構嵌擠作用減弱，抵抗凍脹的能力下降；但是當棱角性進一步降低時，瀝青混合料的密實度增加，空隙率減小，減少了水分的進入，從而提高了凍融穩定性。

圖8 粗集料復合棱角指標對瀝青混合料AC-13水穩定性的影響Fig.8 Influence of coarse aggregate composite angularity indicator on water stability of asphalt mixture AC-13

從以上分析可知，粗集料的棱角性對瀝青混合料浸水穩定性和凍融穩定性的影響不一致，這主要跟瀝青混合料的浸水破壞和凍融破壞機理有關。浸水主要是影響集料和瀝青之間的黏附性，凍融主要是影響瀝青混合料的骨架結構，這導致粗集料棱角對兩者的影響出現差異。

本研究采用三維棱角指標研究了粗集料棱角與瀝青混合料性能之間的關系。在粗集料棱角對瀝青混合料低溫抗裂性、浸水穩定性和凍融穩定性的影響方面，得到了與現有研究不一致的結果。由于二維棱角指標只能反映粗集料的一小部分棱角特性，在計算瀝青混合料中粗集料的復合棱角指標時，可能導致累積誤差，從而得到錯誤的結果，使得復合棱角指標與瀝青混合料性能之間建立不正確的關系。相對于二維棱角指標，三維棱角指標具有明顯的優越性，能真實反映粗集料棱角與瀝青混合料性能之間的關系。在粗集料三維棱角指標對瀝青混合料性能的影響結果方面，本研究給出了解釋。為了進一步證明本研究的研究結果，后續應采用不同級配、不同類型的混合料進行試驗，并深入研究宏觀現象背后的微觀機理。

5 結論

本研究基于粗集料三維點云圖像，采用橢球擬合的方法構建了粗集料的三維棱角指標。采用洛杉磯磨耗儀磨耗的方法，制備具有不同棱角性的粗集料，研究了粗集料三維棱角對瀝青混合料AC-13最佳油石比、體積指標和力學性能的影響。論文的主要結論如下：

(1)隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的最佳油石比逐漸增加，二者呈現顯著的線性正相關性。

(2)隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的毛體積密度和瀝青飽和度都逐漸減小，空隙率和礦料間隙率都逐漸增大。

(3)隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的動穩定度逐漸增加，二者呈現顯著的線性正相關性。隨著粗集料復合棱角指標的增大，瀝青混合料AC-13的破壞應變先減小后增大，二者呈較強的二次相關性。

(4)隨著粗集料復合棱角的增加，瀝青混合料AC-13的浸水穩定性呈下降趨勢。隨著粗集料復合棱角的增大，凍融劈裂強度比先減小后增大，二者呈較強的二次相關性。粗集料棱角對浸水穩定性和凍融穩定性的影響不一致，這主要跟瀝青混合料的浸水破壞和凍融破壞機理有關。