密級配瀝青混合料均勻性評價

張建飛，郭 輝，陳小麗，武金婷，徐亦冬

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶市 400074；2.浙大寧波理工學院土木建筑工程學院，浙江 寧波 315100；3.廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450）

0 引 言

瀝青混合料由礦料、礦粉、瀝青及空隙組成，其均勻性對瀝青路面的使用性能和壽命存在顯著影響[1-2]。基于數字圖像技術的瀝青混合料均勻性評價已開展較多研究。梁乃興等[3-5]建立了以集料靜矩為主要研究參數的瀝青混合料均勻性評價指標，并在試驗路段進行了應用，取得了良好的評價效果，但該方法僅能評價道路表面的混合料均勻性，而無法評價路面以下結構均勻性，存在一定局限性。彭勇等[6-8]根據馬歇爾試件截面的集料分布位置、集料分布數，建立了不同截面的集料水平分布指標，但由于圓形試件受到模具影響，截面邊緣部分的集料會對均勻性評價產生影響。李智[9]和郭乃勝等[10]采用截面不同區域集料面積比和混合料各組分面積比作為評價參數來評價試件截面內的均勻程度。面積比評價方法參數簡單，易計算得到混合料的均勻性。然而，這類方法評價均勻性受區域劃分影響，當區域繞截面幾何中心旋轉時，同一個截面所得到的均勻性指標存在一定波動性。

已有研究均取得了一定的成果，但仍存在評價區域的相關問題。室內成型的瀝青混合料由于模具尺寸和形狀的限制，試件在成型過程中邊緣集料的分布必然受模具影響，導致結合工程芯樣驗證均勻性指標時往往不具備充分的參考價值。本文通過粗集料間劃分區域的方法來評價混合料的均勻性，減小模具邊緣效應對均勻性評價帶來的影響。

1 試驗

1.1 均勻性評價分析參數介紹

為減小邊緣集料分布對均勻性分析的影響，以切片截面上三顆粗集料的外側公切線所包圍的集料作為均勻性評價的集料單元。均勻性評價區域包括評價單元內的集料和與評價單元內的集料直接相鄰的外部集料，避免了切片截面上邊緣集料參與計算和評價。從混合料切片中周圍相鄰粗集料的角度出發，針對一顆粗集料，尋找與其相鄰的粗集料，同時將相鄰粗集料的質心相連，圖1為評價單元和相鄰粗集料區域示意圖。

圖1 評價單元和相鄰粗集料區域示意圖

給出關系式：

式中：A為相鄰粗集料區域面積比值；SJL為質心圍成區域內粗集料面積；SQY為質心圍成區域面積。將面積比作為均勻性評價的基礎數據源，對截面上均勻性評價區域內相鄰粗集料構成的面積比進行統計和分析。利用MATLAB軟件編寫相關程序提取面積比參數，面積比參數用圖像前景像素個數與區域內像素總個數的比值近似代替。

將提取到的相鄰粗集料區域面積比的相對平均差作為單個水平截面均勻性評價的指標，如式（2）所示：

式中：C為相鄰粗集料區域面積比相對平均差；n為質心圍成區域個數；Ai為不同相鄰粗集料區域面積比值為相鄰粗集料區域面積比平均值。系數反映了不同區域相鄰集料構成面積比與面積比平均值的偏差程度。式（3）為局部均勻性表達式：

式中：Ci為相鄰粗集料區域相對面積差，反映了截面的局部均勻性，可與評價區域的截面均勻性指標形成對照關系。

1.2 瀝青混合料試驗設計

參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）設計AC-13C和SMA-13兩種類型的瀝青混合料配合比。兩種類型混合料的設計級配見表1。

表1 瀝青混合料集料通過率

為了消除集料種類和瀝青型號對混合料中粗集料分布帶來的影響，試驗集料均采用玄武巖，瀝青均采用SBS類改性瀝青。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）成型上述類型試件各5個，并進行試件切割和圖像采集，試驗過程如圖2所示。

圖2 試驗過程

利用圖像處理技術，對混合料試件的水平切割截面進行預處理，包括圖像灰度化、圖像分割、形態學處理等，如圖3所示。

圖3 S MA-13混合料切片預處理流程

2 結果分析

2.1 相鄰粗集料區域面積比參數

圖4分別為兩種類型混合料切片二值圖像，其中紅色區域為部分相鄰粗集料區域。通過相關程序獲取相鄰粗集料區域面積比參數，計算截面上均勻性評價區域內粗集料面積比的平均值。

圖4 相鄰粗集料區域

由圖5可知，兩種類型混合料相鄰粗集料區域面積比的差異性，SMA-13比AC-13C提高了40.7%。由于SMA-13為骨架-密實結構混合料，內部粗集料形成的骨架結構相互嵌鎖，壓實過程中可供粗集料移動的空間小。AC-13C為懸浮-密實結構混合料，粗集料移動空間大，無法形成嵌鎖骨架。因此，在圖像上，SMA-13提取到的相鄰粗集料區域面積比會高于AC-13C。這與兩類混合料的結構類型相符合。

圖5 相鄰粗集料區域面積比

圖6為分計粗集料的相鄰粗集料區域面積比柱狀圖，其中以相鄰粗集料區域中的中心集料作為分計集料。由圖可知，隨著粗集料粒徑的增大，兩種類型混合料相鄰粗集料區域面積比均呈現增長趨勢，其中AC-13C各檔位粗集料面積比相比次級檔位粗集料面積比分別提高了9.8%、20.1%和13.14%，而SMA-13分 別 提 高 了4.3%、11.2%和10.51%。SMA-13各檔位粗集料的相鄰粗集料區域面積比增長程度較小，面積比更接近，說明SMA-13有更好的骨架穩定性，變異性比AC-13C更小。

圖6 分計粗集料的相鄰粗集料區域面積比

2.2 AC-13C和S MA-13瀝青混合料均勻性對比

圖7為兩種類型混合料單個截面面積比相對平均差和單個試件面積比相對平均差的統計圖。

圖7 截面面積比相對平均差

按照均勻性評價參數，面積比相對平均差越小，瀝青混合料中粗集料的分布就越均勻。由圖7可知，兩類混合料均勻性存在顯著區別。AC-13C和SMA-13相鄰粗集料區域面積比相對平均差的平均值分別為0.144 0和0.215 3，SMA-13比AC-13C降低了33.1%，說明SMA-13的瀝青混合料均勻性整體好于AC-13C。根據圖5所得的結論可知，SMA-13的相鄰粗集料區域面積比平均值顯著高于AC-13C，使得式（2）中分母項增大，從而面積比相對平均差整體小于AC-13C。通過計算得到AC-13C和SMA-13面積比相對平均差的標準差分別為0.044 6和0.025 2，即AC-13C面積比相對平均差的離散程度較SMA-13更大，說明AC-13C瀝青混合料不同截面上均勻性差異較大。這是由于AC-13C的粗集料在成型過程中更易發生隨機地遷移，造成局部粗集料堆積和部分區域瀝青膠漿過多；而SMA-13由于骨架相互嵌鎖，成型過程中粗集料可遷移空間較小，因此均勻性變化相對較小。

雖然兩種類型混合料整體均勻性存在差異，但部分截面上差異性小，均勻性程度相近，較難以單個截面的面積比相對平均差區分出兩種混合料類型。因此，以同一試件不同截面面積比相對平均差的平均值作為單個試件的均勻性評價指標。圖8給出了單個試件的面積比相對平均差相關數據，其中AC-13C的均勻性最小值為0.186 8，SMA-13的最大值為0.167 1，二者在均勻性數值上不存在重疊區域。因此，可有效區分AC-13C和SMA-13。

圖8 試件面積比相對平均差

2.3 分計粗集料的分布對集料結構均勻性的影響分析

混合料中集料粒徑的差異也會有不同的均勻性表現。分計后的相鄰粗集料區域相對面積差可以體現出不同檔位粗集料對整體均勻性貢獻的差異性。

圖9為試件分計粗集料的相鄰粗集料區域相對面積差與面積比關系圖。根據圖中數據回歸發現，兩種類型混合料隨著相鄰粗集料區域面積比（集料粒徑）的增大，相對面積差并非呈線性分布，而是呈現出先有一定減小而后增大的趨勢。回歸曲線為二次拋物線，復相關系數AC-13C為0.714 87，SMA-13為0.765 92，說明面積比與相對面積差存在較大的相關性。由圖可知，AC-13C的4.75~9.5 mm檔位粗集料的相對面積差為0.202 2，是最小的，因此均勻性是最好的；而大于13.2 mm檔位粗集料的相對面積差為0.316 2，是最大的，因此均勻性最差。SMA-13的4.75~9.5 mm和9.5~13.2 mm檔位的粗集料相對面積差非常接近，分別為0.136 8和0.134 8，均屬于最小的檔位，因此這兩檔均勻性最好；而大于13.2 mm檔位的粗集料相對面積差為0.221 8，是最大的，因此均勻性最差。

圖9 試件分計粗集料的相鄰粗集料區域面積比與相對面積差關系

2.4 均勻性評價效果

根據圖7中的均勻性數據并結合觀察法，按面積比相對平均差等分的原則，將瀝青混合料均勻性程度分為四類（見表2）。

表2 均勻性分級

表中的“均勻”和“輕度不均勻”屬于均勻性較好的一類，截面上粗集料的分布較為合理，而“中度不均勻”和“重度不均勻”屬于均勻性較差一類，截面上存在粗集料堆積和瀝青膠漿集中的現象。均勻性評價效果如圖9所示。

由圖10可知，隨著均勻性指標的增大，混合料的均勻性程度分別由均勻變為重度不均勻。

圖10 混合料截面圖

從圖10可以較好地反映出兩種類型瀝青混合料截面的整體均勻性，但局部均勻性較差的部分也是最易引發混合料病害的薄弱點。分別取圖10中均勻性最差的4個截面進行圖像分割并計算局部均勻性。圖11反映了混合料截面上局部區域的均勻性，圖中紅色集料標記區域為截面上局部均勻性最差的部分。

圖11（a）為AC-13C的局部均勻性區域，根據計算得出紅色標記的局部均勻性為0.613 1和0.640 6。圖11（b）為SMA-13的局部均勻性區域，根據計算得出紅色標記的局部均勻性為0.363 8和0.434 9。因此，可知評價區域的局部均勻性和整體均勻性的對比效果明顯。

圖11 混合料截面局部均勻性

3 結 語

（1）SMA-13的相鄰粗集料區域面積比比AC-13C提高了40.7%，且SMA-13各檔位粗集料面積比變異性小于AC-13C，SMA-13有更好的骨架穩定性。

（2）SMA-13的相鄰粗集料區域面積比相對平均差比AC-13C降低了33.1%，SMA-13均勻性整體好于AC-13C。單個試件作為均勻性評價單元，可有效區分兩種類型的瀝青混合料。

（3）AC-13C的4.75~9.5 mm和大于13.2 mm檔位粗集料的相對面積差分別為0.202 2和0.316 2，是AC-13C中均勻性最好和最差檔位的集料。SMA-13的4.75~9.5 mm和9.5~13.2 mm檔位粗集料的相對面積差分別為0.136 8和0.134 8，是SMA-13中均勻性最好的兩檔粗集料。大于13.2 mm檔位粗集料的相對面積差為0.221 8，是SMA-13中均勻性最差檔位的集料。