基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青混合料內(nèi)部粗集料接觸狀態(tài)分析

滿新耀 易強(qiáng) 鄒曉明

摘要：為研究不同成型方式的瀝青混合料內(nèi)部粗集料之間的接觸差異，文章對(duì)采用馬歇爾擊實(shí)方法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法制作的SMA-13瀝青混合料試件和現(xiàn)場(chǎng)面層取芯試件進(jìn)行高精度工業(yè)CT掃描，獲得含有試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的連續(xù)CT斷層圖像，并結(jié)合數(shù)字圖像處理系統(tǒng)（ipas-2）提取接觸點(diǎn)數(shù)量、接觸面積和接觸角度3個(gè)參數(shù)用以描述混合料內(nèi)部集料的接觸特性。結(jié)果表明：馬歇爾擊實(shí)法成型的試件內(nèi)部粗集料之間的接觸比較充分，可形成較好的骨架，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)的取芯試件粗集料之間接觸效果次之，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)較差。這從微觀層面上解釋了實(shí)際工程中適當(dāng)增加粗集料含量或碾壓遍數(shù)可以提高瀝青混合料的抗車轍性能這一情況。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;粗集料接觸特性;數(shù)字圖像處理;壓實(shí)方法

0 引言

瀝青路面已成為我國高等級(jí)公路建設(shè)中主要的路面形式。粗細(xì)集料、瀝青砂漿和空隙構(gòu)成瀝青混合料內(nèi)部極其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。研究表明瀝青混合料內(nèi)部荷載的傳遞主要由骨料和砂漿的相互作用以及相鄰骨料之間的接觸狀態(tài)所確定，骨料和砂漿幾何參數(shù)及其相互作用機(jī)制的改變會(huì)影響瀝青混合料應(yīng)力-應(yīng)變的分布[1]。瀝青混合料內(nèi)部粗集料之間的接觸面積、接觸區(qū)域的數(shù)量及接觸方向等接觸特性對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力分布有較大影響[2]。

意識(shí)到粗集料接觸狀態(tài)對(duì)混合料性能的巨大影響，先后有科研工作者通過切割試件，利用數(shù)碼相機(jī)獲取瀝青混合料斷面圖像，通過處理這些圖像來研究混合料內(nèi)部集料接觸的特點(diǎn)[3-5]。但是切割法終究是一種具有破壞性的斷面圖像獲取手段，且受切割設(shè)備的影響，一個(gè)試件一般只能獲取4～6個(gè)斷面，存在代表性不足、切割過程對(duì)混合料內(nèi)部造成擾動(dòng)等局限性。隨著科技的進(jìn)步，Sefidmazgi N R[6-7]、段躍華[8]、石立萬[9]、譚憶秋[10]等利用X-ray CT機(jī)掃描瀝青混合料試件獲取含瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的斷層圖像，再結(jié)合不同的數(shù)字圖像處理軟件分析在不同級(jí)配、不同孔隙率、不同混合料類型等條件下集料接觸特點(diǎn)及變化規(guī)律，取得了一些具有借鑒性和指導(dǎo)性的研究成果，但是以上研究都是基于“準(zhǔn)二維”層面上，接觸對(duì)、接觸對(duì)等參數(shù)并不能客觀地反映混合料內(nèi)部真實(shí)的三維接觸狀態(tài)。

本文將基于X-ray CT技術(shù)和ipas-2（Image Processing Analysis System）數(shù)字圖像處理技術(shù)，從微觀角度出發(fā)分析比較采用馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)兩種方式成型的SMA-13瀝青混合料及現(xiàn)場(chǎng)面層取芯試件內(nèi)部粗骨料分布和骨料-骨料之間接觸的差異。統(tǒng)計(jì)三種壓實(shí)方式下混合料不同斷面上的接觸點(diǎn)數(shù)目、接觸長(zhǎng)度（面積）、接觸角度的分布等指標(biāo)來量化骨料間接觸的差異。

1 集料接觸特性參數(shù)獲取方法

1.1 混合料斷層圖像獲取

本文采用奧影精密儀器（上海）有限公司的AX-5000CT型開放式高精度工業(yè)CT分別掃描馬歇爾擊實(shí)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的瀝青混合料試件及現(xiàn)場(chǎng)路面取芯試件以獲取含混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的斷層圖像（如圖1所示）。掃描間隔0.5 mm，該工業(yè)CT的電壓為50 kV/450 kV，功率為700 W/1 500 W，像素尺寸為139～200 μm。

1.2 確定集料“接觸閾值”

在提取粗集料接觸特征前，需明確粗集料處于什么情況下即可認(rèn)定形成“接觸關(guān)系”。本文通過設(shè)定“接觸閾值”來判斷粗集料之間是否已形成接觸。當(dāng)粗集料之間的距離小于“接觸閾值”時(shí)，表明粗料形成接觸關(guān)系。以參考文獻(xiàn)[11]的經(jīng)驗(yàn)，“接觸閾值”取集料最小計(jì)算粒徑的23%。本文選擇圖像二值化后，集料最小計(jì)算粒徑2.36 mm的23%作為“接觸閾值”。即當(dāng)集料間距離<0.54 mm時(shí)，則認(rèn)為已經(jīng)形成接觸關(guān)系。

1.3 確定分析對(duì)象

“接觸閾值”確定后，還需要設(shè)定計(jì)算的最小集料。在圖像處理過程中，只有粒徑大于設(shè)置的最小值的顆粒才會(huì)被分析。為保證分析的準(zhǔn)確性，所選擇粒徑的最小值不能小于“接觸閾值”的4倍。本文選擇的最小集料的粒徑為2.36 mm。圖2為集料接觸示例圖。

1.4 CT斷層圖像處理方法及過程[12]

本文采用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)ipas-2（Imaging Processing & Analysis System）對(duì)混合料的CT斷層圖像進(jìn)行處理，提取可以量化瀝青混合料內(nèi)部粗集料接觸特征的相關(guān)參數(shù)。基于ipas-2處理CT斷層圖像的流程如圖3所示。

基于上述處理流程，對(duì)馬歇爾擊實(shí)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的試件及面層取芯試件的CT圖像逐張進(jìn)行處理分析。處理的斷層圖像垂直于水平面，沿試件的直徑方向每隔2 mm取一張（如圖4所示）。本次3個(gè)試件共取96張斷層。表1為某一斷層圖像中粗集料接觸參數(shù)和角度參數(shù)。

2 粗集料接觸特征分析

2.1 骨料接觸狀態(tài)分析

瀝青混合料內(nèi)部粗集料之間通過相互摩擦、嵌鎖形成承受外部荷載的骨架。粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量和接觸長(zhǎng)度是衡量集料接觸是否充分的重要參數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三種壓實(shí)方式下的瀝青混合料內(nèi)部>2.36 mm的粗集料數(shù)量和接觸點(diǎn)數(shù)量及接觸長(zhǎng)度如表2所示。

由于試件大小不一樣，為了使得分析結(jié)果更加直觀，把表2的粗集料分析結(jié)果換算成體積為100 cm3時(shí)的瀝青混合料內(nèi)部集料接觸分析結(jié)果。

表3中粗集料的接觸點(diǎn)數(shù)量和接觸長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：

（1）馬歇爾擊實(shí)試件內(nèi)部形成“接觸關(guān)系”的粗集料數(shù)量最多，粗集料接觸最充分。

（2）粗集料接觸狀態(tài)數(shù)據(jù)提取時(shí)未將試件內(nèi)單個(gè)懸浮粗集料計(jì)算在內(nèi)，導(dǎo)致同體積情況下，三種壓實(shí)方式的瀝青混合料內(nèi)部粗集料數(shù)量表現(xiàn)出較大差異。這也從側(cè)面表明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件內(nèi)部懸浮顆粒較多，其內(nèi)部未形成良好的骨架，可能不利于荷載的傳遞。

2.2 接觸角度分析

集料間的接觸方向是反映集料接觸有效性的另一個(gè)重要參數(shù)。接觸方向用接觸角度來表征，其定義為接觸線（2D平面內(nèi)稱之為接觸線，3D時(shí)稱之為接觸面）的法線方向與水平方向的夾角。Sefidmazgi等[6]的研究表明，當(dāng)骨料間接觸方向的法線與荷載作用方向接近時(shí)（即接觸角度為90°），粗集料接觸效果較好，抵抗軸向荷載的能力較強(qiáng)。圖5為軸向荷載作用下瀝青混合料內(nèi)部接觸線和接觸方向法向示意圖。

本文統(tǒng)計(jì)得到馬歇爾擊實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和路面現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)三種壓實(shí)方式的SMA-13型瀝青混合料96個(gè)斷面共計(jì)11 707個(gè)接觸區(qū)域（馬歇爾壓實(shí)5 079個(gè)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)3 927個(gè)和上面層取芯2 701個(gè)）。每種壓實(shí)方式的瀝青混合料接觸方向在每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)的分布情況及所占比例如下頁表4所示;下頁圖6為每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)接觸區(qū)域的接觸角度所占百分?jǐn)?shù)。

從表4和圖6可以發(fā)現(xiàn)：

（1）三種壓實(shí)方式下的瀝青混合料，接觸角度分布在60°～100°這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的比例較高。其中馬歇爾擊實(shí)試件有53.59%，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件有48.25%，上面層取芯試件有53.1%。在上文提到接觸角度接近90°時(shí)，粗集料接觸效果較好，在80°～100°這個(gè)角度區(qū)間內(nèi)，馬歇爾擊實(shí)試件的比例最高，上面層取芯試件次之，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件最低。另外通過比較三者的接觸長(zhǎng)度也可以發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實(shí)試件的骨料接觸長(zhǎng)度最長(zhǎng)，這表明馬歇爾擊實(shí)試件和面層取芯試件內(nèi)部粗骨料接觸效果好，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件內(nèi)部粗集料接觸效果相對(duì)較差。

（2）接觸角度>60°時(shí)，每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)馬歇爾擊實(shí)試件和面層取芯試件的粗集料接觸角度所占比例十分接近;接觸角度<60°時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件和面層取芯試件的粗集料接觸角度所占比例比較接近。

3 結(jié)語

本文用高精度工業(yè)CT掃描我國常見的2種瀝青混合料試件成型方式成型的試件和現(xiàn)場(chǎng)取芯試件，獲得其CT斷層圖像，并結(jié)合ipas-2圖像處理系統(tǒng)對(duì)獲得的斷層圖像進(jìn)行處理分析，提取混合料內(nèi)部接觸區(qū)域數(shù)量、接觸長(zhǎng)度及接觸角度3個(gè)參數(shù)以分析不同壓實(shí)方式下的瀝青混合料內(nèi)部集料的接觸特征。分析結(jié)果表明：

馬歇爾擊實(shí)試件內(nèi)部粗集料形成的接觸區(qū)域最多，接觸長(zhǎng)度（面積）最長(zhǎng)（大），接觸角度在90°附近的接觸區(qū)域所占比例較高。筆者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因可能是：馬歇爾擊實(shí)試件在沖擊荷載作用下，粗集料位移大，彼此接觸充分，接觸面積大，接觸效果好。上面層取芯試件由于本身厚度小（40 mm），應(yīng)力擴(kuò)散小，擠壓也充分，接觸效果好。而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件由于試件高度大（90 mm），應(yīng)力在傳遞的過程中會(huì)有消散，使得其擠壓不夠充分，粗集料接觸區(qū)域數(shù)量少，接觸效果稍差。

SMA瀝青混合料作為一種典型的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，外部荷載主要由粗集料骨架承受，骨架失穩(wěn)會(huì)極大地削弱骨架的支撐作用。本文通過從微觀角度分析發(fā)現(xiàn)：馬歇爾擊實(shí)方式成型試件得到的瀝青混合料內(nèi)部集料接觸效果較好。但是在實(shí)際工程中，由于壓實(shí)方式的差異，內(nèi)部粗集料接觸效果較差，接觸不充分，導(dǎo)致瀝青混合料的粘聚力和摩擦力減小，從而使得路面的抗車轍性能、抗開裂性能低于預(yù)期。針對(duì)此現(xiàn)象，可以適當(dāng)?shù)靥岣叽旨系暮俊⒃黾幽雺捍螖?shù)，這有利于增強(qiáng)瀝青混合料內(nèi)部粗集料之間的接觸效果，減少懸浮粗集料顆粒，形成較好的骨架結(jié)構(gòu)。

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作者簡(jiǎn)介：滿新耀（1980—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理工作。