基于工業CT技術的瀝青混合料內部空隙分布特性

吳文亮，王端宜，張肖寧，李智

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510640)

瀝青混合料作為一種具有流變特性的多尺度不規則粒子堆積在一起的復合材料，空隙在其中起著重要的作用[1-3]。目前采用的瀝青混合料設計方法中只有VV，VCA和VMA等參數，這些參數只能從宏觀上描述瀝青混合料的整體特征，不能從微觀(細觀)上反映混合料內部空隙的分布情況，而空隙的微觀分布直接影響路面的使用性能。工業 CT(Industrial computerized tomography)是一種無損檢測(NDT)和無損評價(NDE)技術，它能在無損條件下對各類工業材料或產品等進行檢測，最終以計算機數字化的斷層圖像形式顯示被測物體的內部結構、材料組成及缺陷狀況等情況[4-5]。應用工業CT對瀝青混合料三維體積結構進行識別與分析，是瀝青混合料研究領域的一大進步。Masad等[6-9]較早開展了CT技術用于瀝青混合料微觀結構的研究，采用CT技術和數字圖像處理技術研究了混合料試件內部空隙在不同深度的分布情況，并用Weibull模型進行了描述。Wang等[10-11]采用CT技術和體視學方法研究混合料的空間體積分數和空隙分布，并提出一些表征混合料內部結構和性能的參數。在國內，徐科[12]對空隙面積比分布進行了統計分析，得出空隙面積比平均值與用表干法測定的空隙率非常接近的結論；裴建中等[13]采用CT對多孔瀝青混合料空隙的分布特性進行了研究。以上研究大多針對斷層圖像中的面空隙，而不是反映空隙真實狀態的體空隙；另外，受圖像獲取條件的限制，所得到的斷層圖像數量偏少。為此，本文作者采用高精度工業CT獲取大量斷層圖像，首先對體空隙進行研究，掌握其分布特性；而后對不同成型方法、路面不同層位取芯試件中的面空隙沿深度方向的分布情況進行研究。

1 工業CT簡介

工業CT是借助計算機將X線斷層掃描裝置掃描的斷面再現出來的一種全新成像技術，可以無損地檢測非透明物體的組成結構。在射線穿透物質的過程中，其強度呈指數關系衰減。物質的密度是由物質對射線的衰減系數來體現的，不同物質對射線的吸收系數不同。

CT的定量描述是CT 數。Hounsfield將空氣和水的CT數分別定義為0和1 000，所以，被檢測物體對射線的吸收系數與CT 數nCT之間的換算關系為[14]：

式中：μ為被測物體對射線的吸收系數；μw為水對射線的吸收系數。

利用正比于CT數nCT的亮度成像，即可得到完整的 CT圖像。本文采用德國 YXLON公司生產的Compact-225型高精度工業CT產品，其性能指標見表1。掃描得到的瀝青混合料試件如圖1所示。

圖1 瀝青混合料試件圖像Fig.1 Images of asphalt mixture specimen

2 空隙的三維分布特性

利用馬歇爾擊實儀成型級配為AC-13C的瀝青混合料試件。集料采用廣東增城花崗巖，礦粉采用廣東云浮石灰巖礦粉，瀝青為中油70號瀝青。級配如表2所示。

成型的AC-13C試件參數如表3所示。對成型后的試件進行CT掃描，層間距為0.1 mm，獲得斷層圖像635幅，導入VGStudio MAX 2.0中進行三維圖像重建。選擇試件為研究區域，并消除外部陰影的影響，通過反復試算確定分割空隙的閾值T1[15]后，提取出其中灰度介于0和T1之間的部分，如圖2所示。對提取出的每個空隙的體積參數進行測量，空隙數量為4 901個，輸出結果如表4所示。

從表4可見：統計測量到的4 901個空隙，最大空隙體積為177.17 mm3，最小的空隙為0.01 mm3。體積大于10.00 mm3的空隙共計52個，占總量的1.06%，其頻率分布直方圖如圖3所示。

表1 Compact-225型工業CT產品性能指標Table 1 Industrial CT performance of Compact-225

表2 AC-13C瀝青混合料級配Table 2 Gradation of AC-13C

表3 AC-13C試件參數Table 3 Volumetric parameter of AC-13C specimen

表4 空隙的測量結果Table 4 Measurement results of air voids

圖2 空隙的三維圖像Fig.2 3D image of air voids

體積介于1～10 mm3的空隙共計433個，占總量的8.83%，其頻率分布直方圖如圖4所示。體積小于1 mm3的空隙共計4 416個，占總量的90.1%。可見：混合料內部大部分空隙為體積小于 1 mm3的微小空隙。

圖3 體積大于10 mm3的空隙分布頻率直方圖Fig.3 Histogram of air voids’ volume larger than 10 mm3

圖4 體積介于1～10 mm3的空隙分布頻率直方圖Fig.4 Histogram of air voids’ volume between 1 mm3 and 10 mm3

3 空隙的平面分布特性

利用工業CT掃描獲得瀝青混合料試件的連續截面，若不進行三維重建，而只分析連續截面的幾何信息，則這種方法實質上是一種偽三維的分析方法。圖5所示為1幅提取空隙并進行了二值化的空隙圖像。

圖5 空隙圖像Fig.5 Image of air voids

選取試驗室成型的馬歇爾擊實試件和旋轉壓實試件，仍采用表1所示的AC-13C級配以及路面取芯的上、中、下面層試件進行CT掃描，各試件的參數如表5所示。由于缺少施工中數據，因而無法測定路面取芯試件的空隙率進行對比。

表5 各試件的參數Table 5 Parameter of each specimen

將斷層圖像中的空隙面積與截面面積的比值定義為面空隙率，對面空隙率的分布進行統計分析，結果如表6所示。從表6可知：空隙分布波動均較大，路面取芯的面空隙率變異系數比室內成型試件的高；比較馬歇爾擊實成型和旋轉壓實成型 2種室內成型方法，旋轉壓實試件的面空隙率變異系數比馬歇爾擊實成型試件的小。另外，CT掃描的馬歇爾擊實試件和旋轉壓實試件的面空隙率平均值均小于實測的空隙率(分別小 0.97%和 0.58%)。各類試件的面空隙率與試件深度的關系如圖6所示。從圖6可以看出：

(1) 馬歇爾擊實成型的試件，空隙沿試件深度方向不斷變化，呈先減小后增大的漸變過程，面空隙率最小值在試件深度的1/2處，空隙分布不均勻；若以試件中央位置為軸，則兩側的面空隙率基本對稱。

表6 空隙分布統計結果Table 6 Statistic result of air voids distribution

圖6 空隙的分布特性Fig.6 Distribution characteristics of air voids

(2) 旋轉壓實成型的試件，兩端的面空隙率較大，中間部分較小，且中間部分的面空隙率變異性很小，這部分空隙沿試件深度方向分布很均勻。如圖6(b)所示，該試件在30～105 mm高度范圍內的面空隙率都介于2.8%～3.5%，從圖上看近似呈一條直線。

(3) 比較馬歇爾擊實和旋轉壓實的試件，旋轉壓實試件中面空隙率變異性較小，即該成型方法能獲得較均勻的空隙分布。這是由于旋轉壓實能對瀝青混合料產生一定的搓揉、振夯作用，集料會發生重新排列，從而產生較均勻的內部結構；而馬歇爾擊實僅為豎向的擊實作用，沒有搓揉作用，故內部結構的均勻程度較差。

(4) 上、中、下面層取芯的試件，三者的面空隙率變化趨勢基本相同：面空隙率最大值都出現在試件頂端；隨著深度增大，面空隙率不斷減小，中、上面層的面空隙率最小值出現在深度的 2/3～3/4處，下面層出現在1/2處，而后均為面空隙率逐漸增大。 另外，比較上、中、下面層試件可知：隨著最大公稱粒徑的增大，面空隙率變異性也逐漸增大。

4 結論

(1) 利用工業 CT能夠識別瀝青混合料內部的各空隙體積參數，為瀝青混合料微細觀結構研究提供了一種新方法。

(2) 統計各空隙的三維體積參數，最大空隙體積為177.17 mm3，最小空隙體積為0.01 mm3。體積大于10 mm3的空隙占總量的1.06%；體積介于1～10 mm3的空隙占總量的8.83%；體積小于1 mm3的空隙占總量的 90.1%；混合料內部大部分的空隙為體積小于1 mm3的微小空隙。

(3) 馬歇爾成型的試件，其面空隙率沿試件深度方向不斷變化，分布不均勻；對于旋轉壓實成型的試件，30～105 mm高度范圍內的面空隙率分布較均勻；對于上、中、下面層取芯的試件，三者的面空隙率變化趨勢基本相同，面空隙率最大值都出現在試件頂端；隨著最大公稱粒徑的增大，面空隙率變異性也逐漸增大。

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