基于CT技術的瀝青混合料微細觀結構研究進展

楊旋，趙毅，田澤宇，楊小丁

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074；3.河北省高速公路京衡管理處，河北 衡水 050000 )

瀝青混合料通常視作是由集料、瀝青砂漿和空隙組成的具有復雜內部結構的三相復合材料，且集料和瀝青砂漿本身均是各向異性的材料，具有多尺度特性[1-2]。瀝青混合料的研究尺度可分為宏觀、細觀、微觀和納觀四個水平[3]。傳統室內試驗方法主要從宏觀尺度對瀝青混合料的整體特性與路用性能進行研究，無法反映瀝青混合料內部結構各組分的空間分布特征。瀝青混合料的微細觀結構如集料分布、空隙分布、瀝青膠漿性質以及不同微細觀結構與路面性能之間的關系等方面的研究相對較少[4]。

CT技術是一種無損檢測技術，用于獲取試件內部微觀結構的大量連續截面圖像。近年來，該技術已越來越多地用于瀝青混凝土[5-6]、水泥混凝土[7]和巖石[8]的結構表征。可用于重建樣品的3D結構，以便在各種載荷和環境條件下對材料的性能進行數值模擬。同時，由于CT技術是一種非破壞性技術，經過CT掃描后的樣品仍然保持其完整性，可用于其他非破壞性或破壞性的宏觀性能試驗，如強度或模量試驗。因此，CT技術是研究微觀結構與宏觀性能關系的最有效工具之一。

1 X-CT掃描技術

利用 X 射線掃描探測被檢測物體獲取垂直于試件高度方向上的圓形斷面圖像，X-ray斷層掃描原理見圖1[9]。CT掃描技術是利用 X 射線與探測器對物體進行斷面掃描的，由于物體不同部位對X射線的吸收率和通過率不同，X射線穿透物體后，其強度會發生不同程度的衰減，探測器可以探測到X射線穿透物體后的強度信息，將該信息錄入計算機進行處理，即可獲得掃描物體的斷面或立體圖像。

圖1 X-ray斷層掃描原理[9]

2 瀝青混合料空隙分布特征

細觀空隙分布特征對瀝青混合料的性能有重要影響[10-11]。目前，關于細觀空隙分布的研究主要集中于以下方面：細觀空隙分布特征及其影響因素和細觀空隙識別精度及其對宏觀性能的影響規律。

2.1 細觀空隙分布特征

對瀝青混合料空隙細觀分布特征的研究主要采用統計學的方法，需要統計計算的空隙特征參數可分為兩類：一類為表征空隙數量的參數；另一類為表征空隙大小的參數(表1)。連通空隙分布特征是透水瀝青混合料細觀空隙研究的重點，Masad等[12]根據瀝青混合料CT圖像提出了識別空隙是否連通的算法。該算法從瀝青混合料試件頂部第一幅圖像開始，對于每個識別出的空隙，檢查下一張圖像中的相同及其周圍位置，如果在這些位置中的任何一處存在空隙，則認為該空隙在這兩幅圖像中連通，重復相同的步驟，直至檢查完底部最后一幅圖像。表征連通空隙特征的參數見表1、表2。

表1 表征空隙的參數

表2 表征連通空隙的參數

裴建中等[13]基于多孔瀝青混合料試件CT掃描圖像，采用空隙率、空隙輪廓分維數與空隙面積分維數等參數對空隙的豎向分布特征進行研究。郭乃勝等[14]利用CT技術和DIP技術獲取了瀝青混合料的計算空隙率，發現單層截面計算空隙率與試件高度有關，據此提出了三段式的劃分方法(圖2)，建立了中部空隙貢獻值與整體計算空隙率的關系，從而快速預測瀝青混合料空隙率。

圖2 三段式分區法示意[15]

2.2 細觀空隙識別精度

CT機參數的合理配置對瀝青混合料細觀結構重建的準確性有重要影響，在CT掃描瀝青混合料過程中，提高掃描精度最有效的途徑是參數調節和優化[15]。譚憶秋等[16]對CT機參數配置及混合料級配類型對空隙率測試精度的影響進行研究，確定了最優CT設備參數配置。此外，由于CT成像機理及瀝青混合料級配組成變化(級配越細，射線相對出入界面的次數越頻，能量損失越大，反射射線的干擾越嚴重)等因素，使得瀝青混合料CT圖像的差異性物質很難被有效識別。同時，理論上具有相同密度的物質在不同位置的灰度值應一致，但由于工業CT機掃描能量的限制，使其在距試件中心軸不同距離的位置呈現不同的明暗程度。這些都給集料、空隙以及瀝青膠漿信息的準確識別帶來困難，因此，必須對CT圖像進行精細化處理后才能準確地識別空隙信息，主要包括圖像增強、圖像分割及圖像識別等操作[17-18]。

通過圖像增強技術，能夠突出圖像中各組分物質的顯著特征，真實反映圖像的有效信息，改善圖像的判讀和識別效果。瀝青混合料CT圖像的增強主要采用灰度變換、直方圖處理、中值濾波、圖像平滑、維納濾波等方法實現。灰度變換和直方圖處理等方法可以提升CT圖像的對比度，中值濾波、圖像平滑及維納濾波等能降低CT圖像的噪聲，提高信噪比。增強后的CT圖像，噪聲明顯降低，且不同物質像素間的對比度顯著提升。之后，可對瀝青混合料的各相材料進行識別，獲取目標物質的圖像信息。圖像的識別方法主要包括閾值法、區域法、邊緣法和特定理論法[17]。閾值分割方法是瀝青混合料CT圖像分割中應用最多的，常用的方法包括OTSU閾值分割和迭代閾值分割等。圖像閾值分割的關鍵問題是確定合適的閾值。密級配瀝青混合料細集料顆粒較多，圖像處理過程中常發現很多粘連顆粒需要分割。Zhang等[19]研究認為，對路面芯樣的CT圖像分割，OTSU方法不夠有效，并建立了基于環形分割的迭代閾值分割算法，可有效地分割圖像中粗集料顆粒；洪浩等[20]提出OTSU算法與遺傳算法(GA)相結合的閾值分割方法。

2.3 細觀空隙分布影響因素

瀝青混合料的空隙細觀分布特征受級配類型、壓實方式、試件尺寸等多種因素的影響，而且在瀝青混合料設計階段做出的微小改變，都會使其細觀結構發生巨大的變化。

王聰等[21]運用不同成型方法成型瀝青混合料試件，采用CT技術研究其內部空隙特征，發現試件成型方法及級配類型對空隙的空間分布有重要影響。Xu等[22]通過對體積參數相同的樣品(如VCA和VMA)進行CT掃描，發現相同體積參數的樣品內部空隙分布不同。Lublóy 等[23]通過 CT 技術對瀝青路面鉆芯試樣進行研究，發現在瀝青路面不同面層內部的空隙呈不均勻分布，且不同面層交界處的空隙含量會發生突變。

2.4 細觀空隙分布與宏觀性能關系

瀝青混合料作為一種多孔性材料，其宏觀性能受空隙的尺寸、形貌、空間分布及連通性等影響很大。蔣瑋等[24]基于CT技術研究了多孔瀝青混合料細觀空隙特征對混合料性能之間的關系，研究表明，對于相近空隙率的多孔瀝青混合料，不同的材料組成會造成路用性能和降噪功能的不同，并認為空隙等效直徑的變化是造成這種差異的重要因素。Torres[25]研究認為，連通空隙的分布特征對瀝青混合料滲透性有重要影響。肖鑫等[26-27]利用CT技術研究了排水瀝青混合料連通空隙細觀特征對滲流的影響，建立了滲水數值模型。Zhao等[28]采用CT技術研究了連通空隙對多孔瀝青混凝土滲透性的有效性，將連通空隙分為有效連通空隙和無效連通空隙，發現有效連通空隙率與總空隙率高度相關，無效連通空隙以向樣品中心集中的方式分布，而有效連通空隙則稍微靠近樣品外部邊緣分布，并提出采用位置偏心率作為空隙分布均勻性評價指標。

基于統計方法的瀝青混合料空隙細觀分布研究，其結果的精確程度極大地得受到CT掃描精度、圖像質量以及圖像處理技術的限制，因此，必須進一步發展CT技術掃描精度和圖像分析技術，以對瀝青混合料的空隙分布進行更加詳細和全面的分析，從而更好地理解瀝青混合料細觀空隙分布特征及其對宏觀性能的影響規律。

3 瀝青混合料均勻性

隨著公路瀝青路面的大規模應用和早期損害的頻繁出現，對瀝青路面均勻性的評價和控制變得越來越重要。測試瀝青路面均質性的常規方法包括鋪砂法、目測法和核子密度測量法，旨在通過研究瀝青混合料的空隙和密度等來間接研究瀝青混合料的均質性。但這些方法只能用于評估瀝青混合料表面的均勻性，而無法獲得有關垂直均勻性的信息。隨著CT技術的迅猛發展，其被越來越多地應用于瀝青混合料均勻性研究。

3.1 二維均勻性評價

采用CT技術獲取瀝青混合料的內部結構圖像，然后對其典型斷面圖像進行不均勻程度分析，進而評價集料的均勻性。葉飛[29]采用CT掃描技術對不同均勻程度的集料進行掃描，選擇其典型部位的斷面圖像，通過格子方差法、MATLAB法和繪制三角形法進行不均勻程度判斷，最后計算出每檔集料的離析程度。胡力群等[30]采用CT掃描儀獲取不同離析程度的集料截面圖像，提出顆粒分布離散系數作為路面混合料均勻性評價指標，并將此評價指標應用于實際工程中，同時給出了基于離散系數為評價指標的離析程度等級劃分建議值，離散系數在 0～0.5 屬于無離析、0.5～1.0屬于輕度離析、1.0～1.5屬于中度離析，大于 1.5 屬于嚴重離析。

3.2 三維均勻性評價

運用CT技術三維重構瀝青混合料的內部結構，能夠真實地反映集料顆粒的空間形態。因此，CT技術被更多地應用于集料結構三維均勻性評價。

Azari[31]基于瀝青混合料試件CT掃描圖像，建立了以標準正態分布參數為評價指標的瀝青混合料集料分布均勻性評價方法。Liu等[32]采用CT技術和分形理論研究了瀝青混合料鉆芯試樣的均勻性，研究表明，分形維數與均勻性系數具有良好的負相關性，分形維數可以定義瀝青路面的離析。李智等[33]基于CT技術虛擬重構了瀝青混合料試件，并對重構試件進行虛擬抗壓試驗，據此提出了采用截面壓應力均值和應力分量分布不均勻系數指標評價瀝青混合料質量均勻性。

郭乃勝等[34-35]運用CT技術獲取瀝青混合料試件截面粗集料、砂漿和空隙的分布特征，分析各組分的密度和面積，建立了瀝青混合料內部結構均勻性評價方法。單層截面均勻性評價指標(Kd)，見式(1)，單一瀝青混合料試件均勻性評價指標(Kz)，見式(2)。

(1)

(2)

其中，ρij、ρdij分別為試件第j層截面中第i個區域的均勻性評價參數和評價參數標準值；n為試件數字圖像截面層數；t為單層截面同心圓數。

國內外研究學者雖然應用CT技術對瀝青混合料均勻性評價方法及指標和判定標準等方面已取得大量研究成果，但國內外尚未形成統一的規范或標準，現有研究成果尚不成熟。而且，由于CT圖像分辨率及圖像處理技術等的限制，也會影響最終集料分布均勻性的評價結果。

4 瀝青混合料微觀結構損傷

導致宏觀強度降低的微觀結構演變，例如微裂紋或微孔隙的生長，稱為損傷。Wang等[36]認為，空隙過多會降低瀝青混合料對路面損壞的抵抗力，因為空隙無法傳遞載荷，從而使可用來抵抗施加力的有效面積減小(單位面積上的集中力更高)而使材料變弱，并提出了損傷參數表征損壞以及兩個損壞面之間的相互作用強度。空隙和裂縫決定了瀝青混合料試樣的破壞參數值。使用CT掃描系統以及數字圖像分析技術，可以檢測出空隙和裂縫，以檢測瀝青混合料樣品中的損傷參數。在瀝青混合料微觀結構損傷的研究中，通過CT技術比較變形前后空隙率、平均空隙尺寸和空隙形狀等空隙特征的變化能夠反映不同載荷條件下瀝青混合料的損傷累積。

4.1 疲勞

瀝青混合料的疲勞通常由三種狀態組成，即裂紋萌生、裂紋擴展和破壞。第一步是裂紋萌生，首先產生微裂紋，然后微裂紋擴展，形成大裂紋。最后一個狀態是破壞，這是由于不穩定的裂紋擴展導致的。

Hassan等[37]利用CT技術對比分析了瀝青混合料試件在進行單軸壓縮試驗和間接拉伸疲勞試驗前后的空隙和裂紋特性。對于壓縮下變形相關的損傷，推薦采用空隙率和空隙形狀進行表征；而對于裂紋擴展的表征，推薦采用分形維數、裂紋密度、裂紋彎曲度和裂紋分支因子。肖佳哲[38]基于CT技術和凍融循環試驗對凍融條件下瀝青混合料內部細觀參數的變化進行研究，分析比較了各參數對凍融作用的敏感性，提出將空隙率作為敏感參數修正疲勞方程。

4.2 永久變形

永久變形由兩種不同的機制組成：致密化和反復剪切變形。永久變形與微裂紋有關，當進行反復加載時，瀝青混合料會隨著塑性變形的積累而硬化。由于無法快速愈合，瀝青混合料會產生微裂紋。

Tashman等[39]在三軸壓縮試驗之前和之后，使用CT技術研究了瀝青混合料在高溫下的損傷演變，發現試樣的頂部顯示出明顯的開裂，中間的部分顯示出明顯的膨脹，而底部則發生了微小的組織變化。Li等[40]采用ARLPD試驗和CT技術研究了不同類型的瀝青路面在反復荷載和高溫下的破壞模式。根據測試前后空隙分布的變化，發現覆蓋層的永久變形主要是由致密化作用引起的，而在中部和底部瀝青層中，剪切流對變形起主要作用。對于新建的HMA路面結構，致密化作用是瀝青面層的主要車轍機制。Hu等[41]采用CT技術研究了級配類型對瀝青混合料高溫變形的影響，發現瀝青混合料的級配不同，高溫損傷方式不同，在相同級配類型的瀝青混凝土中，空隙隨著NMAS的減少而增加，微裂紋的出現是由于細集料的作用。

4.3 水損害

就損傷力學而言，瀝青混合料是一種有微缺陷的材料，由于水分、環境及負載的影響，混合料內部的微缺陷會萌生并且逐漸擴展，形成宏觀裂紋和裂縫，降低混合料性能。

Xu等[42]采用CT技術研究了凍融循環后三種瀝青混合料(AC、SMA和OGFC)的內部結構變化規律，發現瀝青混合料的內部結構特性不同，會導致在凍融循環下內部結構變化和微裂縫形成的形式不同，而且設計空隙率和飽水率對凍融循環前后瀝青混合料內部結構演變有重要影響。Chen等[43]采用CT技術研究了不同堵塞程度的OGFC瀝青混合料在凍融循環作用下的殘余膨脹和性能的變化，研究發現堵塞會降低OGFC瀝青混合料的連通空隙率，且堵塞會使OGFC瀝青混合料受凍融作用的影響加劇。Xu等[44]通過SEM、CT掃描技術、界面剪切試驗和間接拉伸試驗對凍融循環作用下瀝青混合料的破壞進行了系統研究，發現瀝青混合料的水損壞是內部結構破壞和材料性能綜合作用的結果。在初始凍融循環的作用下，內部結構破壞是瀝青混合料力學性能破壞的主要原因，而瀝青與集料之間的界面鍵合參數的影響貫穿整個凍融循環的運行過程。認為在凍融循環作用下，集料和瀝青完全分離是瀝青路面松散的根本原因。

由空隙結構變化控制的瀝青混合料破壞以多種方式發生。首先，現有單個空隙的尺寸增加，并發展形成裂縫；其次，兩個分開的空隙結合并擴散，從而在損傷附近形成裂紋；第三，產生了新的空隙。因此，基于CT技術無損檢測的特點，能夠較好地識別瀝青混合料試件在加載試驗前后內部結構的變化，但目前，采用CT技術僅能夠無損地檢測出瀝青混合料試件損傷前后空隙和裂縫的變化，而不能實時監測混合料損傷變化的過程，而這對進一步理解瀝青混合料的損傷規律至關重要。

5 瀝青混合料虛擬力學試驗

虛擬力學試驗與宏觀試驗相比具有高效、經濟的優勢，同時能建立瀝青混合料的微觀結構與宏觀力學性能間的聯系。

5.1 有限元法

有限元方法在瀝青混合料的虛擬力學試驗中被廣泛應用。You等[45]采用CT技術和ABAQUS有限元軟件建立密集配瀝青混合料有限元模型，成功模擬了單軸試驗和重復蠕變-恢復試驗，驗證了基于CT技術和有限元方法的3D模型用于模擬宏觀熱力學響應的可行性。Hu等[46]利用CT掃描技術和有限元方法建立了瀝青混合料的有限元模型，以研究集料對界面剝離的影響。研究發現高溫下，粗集料會導致復雜的應力集中和分布，并嚴重破壞界面。且集料的比例會影響裂紋的數量，粗集料會引起較大的界面裂紋，細集料會導致微小的界面裂紋，破壞過程可分為三個階段。Kollmann等[47]運用CT掃描和數字圖像處理(DIP)技術重建瀝青混合料樣本的微觀結構，利用二維雙線性內聚力模型，建立了有限元模型，通過模擬間接拉伸試驗(IDT)對有限元模型進行優化和驗證，然后，使用驗證的模型研究溫度和空隙對瀝青混合料開裂行為的影響，發現不同類型的空隙在不同溫度下對性能的影響有差異。

5.2 離散元法

許多學者采用離散單元法模擬瀝青混凝土試驗。You等[48]基于瀝青混合料試件的三維CT掃描圖像，建立了2D和3D離散元模型，發現3D離散元模型成功地預測出溫度和加載頻率范圍內的混合模量，而2D模型預測的模量低于3D模型。焦麗亞[49]運用CT技術掃描瀝青混合料試件，基于離散元方法建立虛擬試驗模型，模擬單軸壓縮試驗，對受力加載過程中試件內部結構的變化規律進行研究，發現集料顆粒在受壓時的運動具有普遍規律，且級配類型對瀝青混合料內部受力有影響。李雪連等[50]結合CT技術和PFC3D軟件，建立了瀝青混凝土模型，對其進行間接拉伸模擬試驗，并基于分形理論分析裂縫的維數變化，提出了裂縫擴展過程的定量指標。

以上研究表明，基于CT圖像的有限元及離散元模型能夠實現瀝青混合料內部結構的二維及三維重構。二維數值模型與三維數值模型相比，雖然求解效率高，但不能真實地反映瀝青混合料三維結構的力學響應，導致仿真結果的可靠性相對有限。因此，建立高精度的三維數值模型，設定更加合理的虛擬試驗條件，是提高瀝青混合料虛擬試驗結果可靠性的關鍵。

6 結論

(1)利用CT技術結合圖像處理技術可以準確地獲取瀝青混合料的微觀結構，實現對瀝青混合料的空隙分布特征、集料均勻性以及微觀損傷特性等的定量分析，從微觀的角度理解瀝青混合料的宏觀性能。

(2)基于CT技術的虛擬力學試驗能夠實現瀝青混合料的微觀結構與宏觀力學性能的聯系。同時將虛擬力學試驗結果同宏觀試驗進行對比，能驗證所建數值模型的準確性，以進一步研究瀝青混合料在不同試驗下內部結構的變化規律。

(3)瀝青混合料空隙細觀分布的研究主要采用統計學的方法，這極大地受到CT技術掃描精度范圍的限制，而且圖像處理技術過程復雜，未形成統一的標準。因此，需要進一步發展CT技術掃描精度和圖像處理的標準方法和圖像的自動化分析。

(4)基于CT技術的集料均勻性評價方法大多只考慮了粗集料對瀝青混合料質量均勻性的影響，而瀝青混合料是多相體，各相物質對內部結構均勻性的影響都應予以考量。

(5)基于CT技術的微觀損傷研究僅能夠無損地檢測出瀝青混合料試件損傷前后空隙和裂縫的變化，而不能實時監測混合料損傷變化的過程，這對理解瀝青混合料的損傷演變至關重要。因此，應當考慮如何利用CT技術實時捕獲在加載作用下瀝青混合料內部結構的損傷演變行為。

(6)基于CT技術的虛擬力學試驗受到模型精度不夠、物質間接觸關系定義和標準材料特性的參數設定不夠準確，以及計算效率低下的限制，使得模擬結果的可靠性不足，而不能廣泛地應用虛擬仿真取代真實試驗。隨著CT掃描技術和數值仿真技術的發展，三維幾何模型的精度提高，虛擬試驗條件設定更加合理，仿真試驗的結果也將能反映真實宏觀試驗的結果。