多孔排水瀝青混合料細觀空隙結構研究

康興祥，馬 骉，王小慶，司 偉，胡永平

(長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

多孔瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture，PAM)是一種典型的骨架-空隙結構，內部含有大量空隙，空隙率在15%～25%之間。與傳統的密實瀝青混合料相比，內部充足的空隙結構使得PAM兼顧排水、降噪和抗滑等優異的性能[1-3]。因此，PAM被越來越多地應用于城市道路和高速公路。

空隙一般可分為開口空隙和閉口空隙，開口空隙又包含連通空隙和半連通空隙(圖1，Ⅰ連通空隙，Ⅱ半連通空隙，Ⅲ閉口空隙)，其中空隙特征是瀝青混合料最重要的體積特征參數之一，直接影響著瀝青混合料的力學強度和耐久性能[4-6]。傳統研究中關于瀝青混合料內部空隙特征問題，僅針對空隙率而言，依據試驗規程[7]，有表干法、水中重法、蠟封法以及體積法等獲取混合料的空隙率的方法，但研究發現各類空隙率測試方法所得結果都存在一定的不確定性，尤其是對空隙率大且復雜的PAM而言，傳統的空隙測試方法，得到的數據變異系數較大，無法解釋實際工程中出現的一系列深層問題。鑒于此，越來越多的研究學者開始將目光聚焦于從細觀角度研究PAM內部空隙結構分布特性[8]。

圖1 瀝青混合料空隙類型[4]Fig.1 Void types of asphalt mixture [4]

隨著科學技術的進步，數字圖像收集和圖像分析等關鍵技術的應用為PAM細觀空隙結構研究提供了基礎。裴建中(2009)等[9]采用X-CT掃描和數字圖像處理技術相結合的方法，獲取了PAM的空隙特征圖像、空隙特征參數及空隙豎向分布級配，較為準確地反映了PAM內部空隙空間分布信息；Gao(2020)等[10]和Qian(2019)等[11]基于CT掃描、圖像處理技術獲取了PAM內部空隙結構特征，包括空隙率、空隙數量、平均空隙等效直徑、空隙比表面積等，并借助圖像重建和數值模擬的方法分別構建了PAM聲學系數預測模型和三維滲透模型，分析表明PAM降噪吸聲、滲透特性與空隙結構和分布密切相關。此外，隨著對PAM內部細觀空隙結構研究的不斷深入，研究人員[12-17]發現PAM在長期的服役期間，受到荷載、水和溫度等不同條件的耦合作用，其空隙結構不斷衰變，甚至會發生空隙堵塞，嚴重影響PAM排水、降噪等性能。Sanudo-Fontaneda(2018)等[18]通過對室外環境中排水路面進行長達10 a的現場研究，發現多孔排水路面9 a后內部空隙完全堵塞，喪失了功能特性。由此可見，借助X-ray CT、DIP圖像處理等技術從細觀角度獲取PAM內部空隙的大小、形貌、分布等特征參數將是未來研究的趨勢[19-21]。鑒于此，為了讓研究學者更好地了解目前PAM空隙結構的細觀研究方法，詳細介紹了目前3種常用于細觀空隙結構研究的技術方法，評述了不同技術方法的優缺點；同時根據近年來研究學者對PAM細觀空隙結構研究進展，闡述了關于PAM細觀空隙結構的各類空隙特征評價指標，分析了各評價指標與PAM性能之間的關系；最后對PAM細觀空隙結構未來的研究方向和發展趨勢進行了展望，以期豐富PAM空隙結構研究內容，并為后續多孔瀝青排水路面的研究和應用提供參考。

1 PAM細觀空隙研究方法

在美國SHRP計劃中，研究學者[2, 22-23]已經開始逐漸意識到微細觀結構對于瀝青混合料性能的影響。汪海年(2008)等[8]首次利用圖像處理技術對所獲取的原始圖像進行處理，定量分析了瀝青混合料中集料的形狀和分布特性。隨著研究的不斷深入，X-ray CT無損檢測技術被應用到瀝青混合料細觀研究中，所獲得圖像更具研究價值。尤其針對空隙結構復雜的PAM而言，DIP圖像處理技術、X-ray CT掃描技術以及三維模型構建等新手段的創新型應用，極大推動了PAM內部細觀研究進程。

1.1 DIP圖像處理技術

圖像處理技術是從原始圖像中提取圖像信息，經過離散化轉化為數字信息，并通過對數字信息施加某種特定的運算程序和方法進行圖像重組，將原始圖像中的相關特性再現為研究學者所需的圖像，進行相關分析和研究[24]。近年來，圖像處理技術被廣泛應用于路面材料工程等領域。對多孔瀝青混合料而言，眾多研究學者通過圖像處理技術(如Photoshop、Matlab等成熟軟件)對多孔瀝青混合料內部細觀結構有了更清晰直觀的認識，為PAM路面的數值模擬和建立相關的三維模型提供一定基礎，OGFC多孔混合料利用Matlab處理后圖像如圖2所示。

圖2 多孔瀝青混合料圖像處理步驟示意圖[25]Fig.2 Schematic diagram sof image processing steps of porous asphalt mixture[25]

汪敏等[26]通過數字圖像處理技術Matlab軟件，提取PAM混合料內部結構斷面空隙數量、大小以及分布情況，借助獲得的相關參數開展了PAM混合料細觀特性研究；基敏雪等[27]利用Matlab軟件對不同空隙的瀝青混合料原始圖像進行處理，獲取空隙結構的一系列指標，包括斷面空隙總面積A；單個空隙面積的等效直徑Di；斷面平均單個空隙的等效直徑D；斷面空隙率n，如表1所示。

表1 多孔瀝青混合料細觀空隙特征[27]Tab.1 Mesoscopic void characteristics of porous asphalt mixture[27]

1.2 X-ray CT掃描技術

X-ray CT掃描技術是一種較為前沿的無損檢測方法。利用X射線從各個方向穿透瀝青混合料試件，可獲取其內部三維空間結構[28]。X-ray CT掃描儀一般由4個部分組成，包括X-ray射線源、準直器、試件控制器、X-ray輻射探測器，其工作原理如圖3所示。

圖3 X-ray CT掃描工作原理[29]Fig.3 X-ray CT scanning principle[29]

X-ray CT掃描可以獲取不透明固體材料的3D幾何特性的數值信息，將材料內部情況進行一個完整的視覺轉移。Plessis A等[30]對X-ray CT掃描技術在瀝青混合料等建筑材料細微觀結構研究進行了綜述，介紹了其在瀝青混合料細觀空隙結構研究中的相關應用，指出CT掃描過程涉及樣品設置、掃描、重建及圖像可視化和分析等，通過對CT圖像分割選擇空隙空間，獲取空隙體積、比表面積及每個空隙的其他參數，可對空隙結構進行定量分析。對于空隙結構復雜的PAM而言，X-ray CT掃描技術作為有效研究手段，被越來越多的研究人員所青睞[31]。肖鑫等[32]和Zhang等[23]基于工業CT掃描得到斷層圖像和3D圖像(圖4)，通過改進的大律法[33]有效提取了PAM內部空隙信息，提出空隙率、連通空隙率、比表面積以及彎曲度的算法進行空隙空間分布特性分析，為研究PAM排水特性提供了一定支撐。Jiang等[34]通過CT技術對多孔瀝青混合料切片掃描，得到多孔瀝青混合料的內部空隙特征，分析發現空隙直徑與多孔瀝青混合料的肯塔堡飛散損失、動穩定度、抗剪強度、降噪性能以及堵塞性能呈線性相關；Zhou等[35]利用CT掃描和圖像處理研究堵塞顆粒粒徑和空隙大小對堵塞的影響，結果表明空隙結構尺寸的大小對堵塞顆粒是否堵塞空隙起決定性作用。

圖4 試件3D可視化和2D斷面CT圖像示例[35]Fig.4 Examples of 3D visualization and 2D section CT images of specimen[35]

大量研究表明，X-ray CT掃描技術在工程領域的創新型應用，促進了細觀空隙結構的研究，通過CT掃描得到的斷層圖像和3D圖像極具研究和應用價值，但X-ray CT掃描設備費用價格昂貴，所以CT掃描技術不宜作為常規試驗手段，應在了解試驗性能優勢的情況下，作為一種驗證或探索性方法合理地選擇應用。

1.3 數值模擬技術

隨著多孔瀝青混合料內部微細觀結構研究的不斷深入，越來越多的學者運用數值模擬方法構建試件的三維模型[36]，可視化地將試驗過程中PAM細觀空隙結構的狀態通過圖形、圖表等方式輸出，得到的信息更加豐富，借此更為簡單有效地研究PAM混合料性能。周韡等[37]和馬濤等[12]通過PFC離散元軟件構建了PAM的三維模型，借助開發的離散元模型空隙結構提取分析方法，通過模擬試驗，研究了不同影響因素下多孔瀝青混合料的空隙衰變規律，荷載、外界環境溫度均為空隙衰變的不利因素；Gruber等[38]通過Avizo有限元軟件模擬了水流在多孔瀝青混合料內部空隙結構中的滲水過程，發現3個不同水流方向的滲水系數的差異達到50%；Qian[11]等基于晶格玻耳茲曼方程(Lattice Boltzmann Method，LBM)建立了多孔瀝青混合料內部空隙介觀滲透率數值模型，其中圖5(a)為水流滲透模型3D圖像，通過應用不同的邊界條件可以準確地得到多孔瀝青混合料試樣內部任意點的滲透流速的大小及分布情況。由此可見，利用數值模擬技術構建PAM三維模型的方法，已成為研究人員常應用的有效技術手段之一，尤其是對于試驗量龐大的問題，例如空隙衰變等，數值模擬技術的應用不僅可以大幅度地縮減試驗量，同時隨著模型軟件的不斷更新以及模型邊界條件處理的不斷合理化，其試驗結果越來越接近實際值。但數值模擬技術需要研究人員擁有較強的計算機基礎，并需要學習復雜的模型軟件。

圖5 孔隙介觀滲透率數值模型[11]Fig.5 Numerical model of void mesoscopic permeability[11]

綜上所述，隨著科學技術的不斷進步，研究學者對于多孔瀝青混合料內部細觀空隙結構的認識逐漸深入，特別是CT掃描無損檢測技術和圖像處理技術在工程領域的應用，極大地促進了細觀空隙結構的研究。空隙尺寸、空隙連通路徑、空隙比表面積以及彎曲度等一系列指標的相繼提出，為利用有限元、離散元以及邊界元等數值模擬方法建立多孔瀝青混合料模型提供了基礎。通過改變邊界條件模擬不同環境和因素下所對應的PAM三維模型，簡單并更有效地研究多孔瀝青混合料內部細觀空隙結構對性能的影響。

2 PAM細觀空隙分布特征指標分析

傳統的空隙率指標對PAM性能研究具有很大的局限性，無法解釋實踐中出現的深層問題。從細觀角度獲取PAM空隙特征參數，提出的有效空隙率、空隙等效直徑、比表面積、空隙彎曲度等一系列空隙特征指標，為深入研究空隙結構與其性能之間的復雜關系提供新思路。

2.1 有效空隙率

有效空隙率是指多孔瀝青混合料中相互連通空隙占總空隙的比例，大量研究表明PAM路面的優異性能主要源于有效空隙率的直接作用。Kutay等[39]、Edith Arambula等[40]和Zhao等[41]通過工業CT掃描和圖像處理技術對PAM內部空隙結構分布和空隙連通性進行相關研究，識別和區分了有效空隙和無效空隙結構(圖6)，發現無效空隙一般分布在試驗的中心區域，而有效空隙多處于試件的邊緣的位置，同時研究還表明PAM內部有效空隙率約占總空隙率的82.1%左右；馬翔等[42]通過研究建立了有效空隙率、豎向滲水系數、橫向滲水系數之間的關系，發現豎向滲水系數與有效空隙率之間存在對數關系，橫向滲透系數與有效空隙存在線性相關；此外，李翔等[43]和Alber等[44]通過研究發現連通空隙率下降，會對路面的排水、降噪效果產生較大的影響。因此，在PAM滿足力學強度的前提下，需要確保足夠的有效空隙率。

圖6 PAM試件內部空隙有效性結構示意圖[41]Fig.6 Schematic diagram of void effective structure in PAM specimen[41]

2.2 空隙等效直徑

空隙等效直徑是指運用等效圓法求出每個橫截面全部空隙直徑的平均值，如式(1)、(2)所示；而平均空隙等效直徑則是指計算試件全部截面空隙等效直徑的平均值，如式(3)所示[45]。

(1)

(2)

(3)

式中，S為試件每個截面的空隙總面積；p為空隙面積的像素點面積；n為空隙數量；d截面為每個截面的空隙等效直徑；h為試件截面的數量；d為試件的空隙平均等效直徑。

Yang等[46]通過CT掃描和圖像處理獲取PAM內部空隙結構特征參數，并借助閾值方法計算出斷層的空隙等效直徑，發現空隙等效直徑與PAM的耐久性、滲透性和降噪等性能密切相關，其中最大空隙等效直徑對混合料的性能影響最大。黃寧等[47]采用相似的方法獲取空隙平均等效直徑，研究了空隙平均等效直徑與宏觀性能、滲水性能之間的關系，發現空隙平均等效直徑增大，劈裂強度、彎曲應變、疲勞壽命呈線性關系減小，滲水系數呈二次函數關系增大；汪敏等[26]通過Matlab對CT圖像進行處理得到空隙有效直徑等指標，并給出了不同有效直徑空隙占總空隙的比例(圖7)，發現空隙有效直徑主要集中分布在3～12 mm 之間，空隙有效直徑d≥20 mm的總空隙面積占總空隙面積的6.8%。

圖7 不同有效直徑空隙面積占總空隙的比例[26]Fig.7 Proportion of void area with different effective diameters in total void area [26]

2.3 比表面積

空隙比表面積是空隙總表面積與空隙材料的總體積之比，其物理意義是指單位體積內的多孔介質空隙表面積，計算公式如式(4)所示。

(4)

式中,Pij為空隙周長；M為單張圖像中空隙的數目；N為圖像張數;AT為單張圖像總面積。

Zhao等[41]通過研究發現沿試件厚度方向，有效空隙的比表面積在試件兩端較大，而在試件中部相對較小(圖8)；肖鑫等[48]通過CT和圖像處理技術，提取了各個截面的空隙數據，計算出了整個試件的比表面積等空隙分布特征指標，并以此分析PAM試件的滲透性能，發現比表面積越大，其滲透性能越好。

圖8 試件比表面積沿厚度方向分布情況[41]Fig.8 Distribution of specific surface areas along thickness direction[41]

2.4 空隙彎曲度

多孔瀝青混合料在排水過程中，由于混合料材料固有的不均勻性和各向異性，水在其內部的流動并不是直線前進的，而是迂回曲折地流動[41,49-50]。華南理工大學肖鑫[29, 32, 48]等提出用空隙彎曲度來反映混合料內部空隙結構迂回的程度，并給出了空隙彎曲度T的定義(圖9)，即實際水流長度Le與該水流路徑出、入孔的直線垂直長度L的比值，表達式為式(5)；通過計算不同空隙彎曲度下的水流流速，發現空隙彎曲度與流速比具有良好的相關性。Ma等[51]和Chen等[52]通過CT掃描和圖像處理方法得到PAM內部空隙特征參數，以有效空隙率和空隙彎曲度指標量化了空隙在水平和垂直方向上的分布規律，發現水平方向的滲透系數約是垂直方向的滲透系數的2倍。

圖9 空隙彎曲度計算示意圖[41, 48]Fig.9 Schematic diagram of calculating void bending[41, 48]

(5)

綜上所述，PAM內部富含大量復雜的空隙結構，為更好地研究PAM內部空隙結構對其性能的影響，研究人員不再僅以空隙率為唯一指標，研究學者越來越多從細觀角度出發，利用X-ray CT掃描、圖像處理、數值模擬模型等先進研究手段獲取空隙結構的空隙數量、面積等基本數據，并在此基礎之上提出了有效空隙率、空隙等效直徑、比表面積以及空隙彎曲度等細觀特征指標，對PAM內部細觀空隙結構進行深入的研究，研究發現，空隙等效直徑與PAM的耐久性、滲透性和降噪性等密切相關，最大空隙等效直徑對混合料的性能影響最大。

3 進一步展望

近年來，眾多學者從細觀角度對PAM空隙結構進行了大量研究，雖然在空隙結構特征指標分析方面取得了階段性成果，然而PAM試件中的空隙結構極其復雜，目前尚未形成統一的空隙結構特征指標、眾多空隙特征指標與PAM性能之間的關系也不明確。因此，對未來關于PAM內部細觀空隙結構的研究進行了以下3點展望：

(1)關于細觀空隙結構研究方法方面，未來一段時間內還應以當前使用較為廣泛的X-ray CT掃描、圖像處理以及數值模擬等技術為主要的研究手段，三者的有機結合和創新應用，是以后探索細觀空隙結構的分布特性的關鍵所在；其次，上述3種研究方法都需要進行一定的基本假定，回避了一些關于瀝青混合料的細節問題，因此，一些新的研究方法，如當前較為前沿的3D打印、大數據等新技術，也將成為深入研究細觀空隙結構特性的突破口之一。

(2)在細觀空隙結構研究方面，目前以研究細觀空隙分布特性和空隙分布對PAM功能特性的影響為主，未來的研究應貼近工程實際，從空隙結構特征情況全方位地評價多孔排水路面的排水、降噪以及使用壽命等路用性能，并依據空隙變化程度定量表征多孔排水路面的服役狀況，以此作為對路面空隙進行養護、清理的依據。

(3)PAM內部復雜的大空隙結構雖然帶來了排水、降噪、抗滑等性能的提升，提升了路面的使用質量，但初期的強度低、耐久性差以及空隙堵塞等問題都極大地制約了多孔瀝青混合料的應用。因此，如何改善PAM的初始性能，提高耐久性，防止空隙堵塞都將成為未來一段時間內研究的重點。

4 結論

(1) X-ray CT掃描、DIP圖像處理、三維模型構建等技術是當前研究細觀空隙結構的主流方向，尤其是X-ray CT掃描與DIP圖像處理在工程領域的創新應用，以直觀的角度對混合料內部空隙結構進行深入的研究，豐富了細觀空隙結構的內容；同時各種數值模擬方法也為PAM混合料研究提供了新思路。

(2) 基于各種先進設備的應用，研究人員提出了有效空隙率、空隙等效直徑、比表面積以及空隙彎曲度等細觀空隙特征指標，并建立了空隙特征指標與PAM性能之間的關系，其中最大空隙等效直徑對PAM性能影響最為顯著。

(3) PAM是一種在排水、降噪以及抗滑等方面性能優異的路面材料，為使PAM具有更廣闊的應用前景，后續研究重點應集中在提高其力學強度和耐久性能方面。