多孔瀝青混合料細觀構造研究

李棋倫

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司 廣東廣州 510060）

隨著中國經濟建設的飛速發展，城鎮化進程不斷加快。在發展過程中，越來越多的城鎮面臨著內澇、噪音等問題。多孔瀝青混合料（porous asphalt mixture，即PA）因具有透水、降噪、抗滑等優良特性而受到廣泛重視與推廣應用[1-2]。

瀝青混合料是由集料、粘彈性的膠漿及空隙組成的復雜構造體系[3]，具有十分顯著的非線性力學特征及顆粒特性，其路用性能是混合料細觀結構的外在體現。研究多孔瀝青混合料的細觀結構，從細觀結構上對瀝青混合料的特點進行分析，對于深入了解混合料的路用性能，進而優化瀝青混合料的結構組合設計，均具有十分重要的指導意義。

1 多孔瀝青混合料設計

本論文選用四種OGFC（open graded friction courses）研究多孔瀝青混合料的細觀構造，混合料的路用性能指標見表1。

表1 多孔瀝青混合料路用性能

OGFC因粗集料相互嵌擠構成緊密的骨架，混合料具有良好的高溫性能；但同時，也因為骨架之間存在大量且連通的空隙，混合料的穩定度較常用的AC、SMA混合料結構偏低。

2 多孔瀝青混合料試件成型

和普通的混合料成型方式相比，輪碾成型機通過控制試件的終碾高度，能夠較為精確的控制混合料的密度，從而達到控制試件空隙率的目的。同時，與一般的成型方式相比，輪碾成型機的荷載及成型方式與實際路面路用的壓路機更為接近，故而成型的混合料更為接近路面實際情況。

使用輪碾成型機，分次成型 10cm OGFC-13（1）、4cm OGFC-10+6cm OGFC-13（2）、4cm OGFC-13（1）+6cm OGFC-20 試件，用于分析排水路面的細觀構造。

3 多排水路面細觀構造

3.1 CT技術

本研究中使用德國YXLON公司制造的PrecisionⅡ型工業二級CT以識別混合料內部特征。

混合料由集料、膠漿、空隙三相組成。粗集料相互嵌鎖，構成了試件的骨架，而膠漿裹附在集料上，其余部分則為空隙。

3.2 數字圖像處理

為獲取混合料內部結構的細觀特征，使用直方圖均衡算法對灰度圖像進行增強處理，然后再通過中值濾波算法降噪，圖像閉運算填充混合料內部細小空洞，聯結鄰近物體，并在最后使用圖像分割算法分割混合料各組分，識別混合料內部特征。

本文使用OTSU算法用于圖像分割。OTSU算法該方法又稱作最大類間方差法，是一種自適應的閾值確定方法，該算法通過計算圖像的最佳閾值來區分目標圖像和背景圖像，由于簡單、快速以及性能穩定而被廣泛應用[4]。

本文以0.2mm為間隔，從底部開始由下至上掃描試件，獲取混合料內部灰度圖像，數字圖像處理，提取CT圖像的特征。本文接下來的分析中，對混合料的空隙率、空隙數量以及最大空隙的面積進行分析：

統計處理后圖像空隙部分與其他部分的像素點個數，則可確定空隙部分占混合料截面的面積比率，以此作為該0.2mm高度范圍混合料的空隙率。

使用regionprops函數度量圖像區域屬性，識別處理后截面范圍內的連通域為獨立的空隙，統計截面上獨立空隙的個數可認為是該0.2mm高度范圍混合料內部空隙的數量。

按照掃描圖像的比例關系，計算CT圖像內單位像素點的面積，統計單個空隙內部像素個數，則可得到截面上各空隙的面積，對混合料各截面上最大空隙的面積進行統計，可認為是0.2mm高度混合料內部最大空隙的面積。

3.3 多孔瀝青混合料空隙率縱向分布

一般來說，成型過程中瀝青混合料試件內部空隙的縱向分布會呈現出不均勻的分布。分別計算試件各斷面的空隙率，將其繪制于一張圖中，便可得到雙層排水路面內部空隙率的縱向分布，結果見圖1。

圖1 單層OGFC-13縱向空隙率分布

表2 多孔瀝青混合料空隙率統計結果

（1）混合料空隙率呈現出上、下高，中間低的縱向分布規律，其中雙層排水試件上下面層的界面附近空隙率會出現一個峰值，該峰值位置即為上下面層的交界處。

（2）下面層粗粒徑混合料試件中間空隙率的波動幅度往往又大于上面層細粒徑多孔瀝青混合料。對于多孔瀝青混合料來說，最大粒徑越大，空隙率越大，則混合料內部空隙變化也越大。

3.4 多孔瀝青混合料空隙數量及最大空隙面積縱向分布

統計CT圖像內的空隙數量和空隙面積，結果見圖2、圖3。

圖2 空隙數量縱向分布

圖3 空隙最大面積縱向分布

分析三種試件內部空隙分布規律，所用四種混合料按空隙數量多少排序為：OGFC-10>OGFC-13（1）>OGFC-13（2）>OGFC-20，按最大空隙面積大小正好相反，為 OGFC-20>OGFC-13（2）>OGFC-13（1）>OGFC-10。雙層排水路面下面層混合料的空隙率和粒徑均大于上面層混合料，這主要是因為，混合料中集料粒徑越大，粗集料之間的空隙則越大，故混合料內部最大空隙面積和平均面積越大，則單位面積內空隙數量越少。

雙層多孔瀝青混合料試件，上面層的空隙數量要多于下面層，而最大空隙面積和平均空隙面積的分布規律則完全相反，這種空隙分布使雙層排水路面形成“篩子效應”：上面層的混合料的空隙較小，阻止大粒徑的雜物進入混合料的內部；而下面層的空隙較大，水流可輕松排出進去混合料內部的細小灰塵與其他雜物，防止堵塞。因此，可以很容易地利用真空吸塵和水槍噴射等技術，將被堵塞的上面層清理干凈。即使雙層排水路面的上層被堵塞而沒有被及時清理，由于空隙被堵塞，當路面上有積水時，車輛行駛會產生很大的水壓力，將細小的堵塞物沖入下面層，而下面層的空隙則明顯更大而不會被堵塞，雜物被沖走，達到自清潔的效果。

4 總結

本文設計了三種排水路面結構組合（單層OGFC-13、雙層OGFC-13（1）+OGFC-20、雙層 OGFC-10+OGFC-13（2），并研究分析了多孔瀝青混合料的路用性能和細觀結構特征：

（1）混合料空隙率呈現出上、下高，中間低的縱向分布規律，其中雙層混合料試件中間空隙率會出現一個峰值，該峰值位置即為上下面層的交界處。

（2）混合料的粒徑越大，空隙率越大，則混合料內部最大空隙面積越大，空隙數量越少，空隙的平均面積越大。雙層排水路面結構中，上面層的空隙數量要多于下面層，而最大空隙面積和平均空隙面積的分布規律則完全相反，這種空隙分布使雙層排水路面形成“篩子效應”：上面層的混合料的空隙較小，阻止大粒徑的雜物進入混合料的內部；而下面層的空隙較大，水流可輕松排出進去混合料內部的細小灰塵與其他雜物，防止堵塞。