考慮黏層油遷移影響的OGFC面層空隙結構表征

宋衛民，徐飛，吳昊，詹易群

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075)

開級配磨耗層(OGFC)是一種高空隙率的瀝青混合料，一般由高黏性的改性瀝青和較多的粗骨料以及少量的細骨料組成。其主要特征是具有較多的連通空隙，空隙率一般為15%～25%[1]。作為路面抗滑磨耗層，較高的連通空隙率可以保證路面的快速排水功能，在減少濺水、噴霧以及眩光的同時，還能降低噪音和增加摩擦力，極大地降低事故發生率，改善行車舒適度[2-4]。歐美和日本等發達國家和地區對OGFC的研究和使用有著較長的歷史[2,5-6]。隨著近年來中國對海綿城市的建設投入不斷加大，具有高滲透性的OGFC路面受到了廣泛的關注。此外，過去數十年全國范圍內大力建設的公路也逐漸進入了養護階段，作為一種先進的預防性養護技術，OGFC同樣有著極為廣闊的應用前景，是道路工程可持續化發展的一個方向，對我國的經濟社會發展具有重要的意義[1,7-8]。

OGFC的空隙率和空隙結構是影響OGFC路面功能的重要因素。OGFC的級配和瀝青摻量是影響空隙率的重要因素，從而影響OGFC 的滲透系數；滲透系數一般和空隙率呈冪指數關系[9-10]。一般而言，隨著瀝青摻量的增多，OGFC空隙率呈下降趨勢[11]；但較高的瀝青摻量容易產生析漏現象，影響OGFC 的滲透性能和耐久性。需要注意的是，OGFC的空隙由連通空隙、半連通空隙以及閉合空隙組成[9,12]，但只有連通空隙具有滲透作用。研究表明，連通空隙率和總空隙率之間存在線性相關關系[9,13-15]。王旭波[13]的研究表明，在空隙率相近的情況下，最大公稱粒徑顯著影響混合料的空隙和數量；粒徑越大，空隙數量越小，但單個空隙平均面積越大。楊旋[14]研究發現針對旋轉壓實的OGFC試件，沿高度方向各二維斷層的空隙數量和空隙率的分布較為均勻。但是，也有很多學者的研究表明，與密級配的瀝青混凝土試件類似，OGFC沿高度方向的空隙率分布呈現先減小后增加的趨勢，即試件中間部分的空隙率較小，但是試件兩端的空隙率較大[15-17]。由于OGFC路面雨水滲流在豎向和水平方向同時發生，也有學者研究了OGFC的滲透性能與滲流方向的相關性[17-18]。研究表明，OGFC空隙率、空隙結構和滲透系數在垂直方向和水平方向都表現出一定的差異性[17-18]。

OGFC 面層一般鋪筑在密級配瀝青混凝土層上；為了保證OGFC 面層與下臥層有足夠的黏結性，一般需要在鋪筑OGFC之前撒布黏層油[19]。目前常用的黏層油材料為改性乳化瀝青。在鋪筑壓實的過程中，高溫OGFC混合料會使黏層油流動性增大；黏層油有可能沿著OGFC 的空隙向上遷移，會改變界面附近OGFC 的空隙結構，進而影響OGFC 的透水性能和降噪性能。CHEN 等[20]利用CT 掃描觀測到乳化瀝青黏層油會從界面處向OGFC 遷移，并且對黏層油的遷移高度進行了計算，但其并未對黏層油遷移對OGFC空隙率和空隙結構的影響進行研究。另一方面，黏層油的遷移也會影響OGFC與下臥層的黏結程度，過量的黏層油甚至有可能削弱層間的黏結。為了更好地分析黏層油遷移對OGFC面層空隙結構的影響，進而更好地理解黏層油摻量對OGFC面層滲透性能的影響規律，本文作者對4種黏層油摻量的OGFC與下臥層組合試件進行三維CT掃描，并選取空隙結構參數對OGFC面層的空隙結構進行分析，以期從黏層油遷移的角度指導OGFC面層的施工，為OGFC路面的耐久性和功能性設計提供指導。

1 原材料及試驗設置

為研究黏層油沿界面向OGFC 層的遷移行為，分別制作2 種不同的OGFC-下臥層組合試件，其中OGFC 材料相同，下臥層材料包括A 和B 這2種。下臥層選用的瀝青為基質瀝青，瀝青質量分數分別為5.8%和6.2%。OGFC 面層選用的瀝青為SBS 改性瀝青，瀝青質量分數為6.4%。黏層油為改性乳化瀝青，黏層油的灑布量分別為0、0.5、1.0 和1.5 kg/m2。基質瀝青、SBS 改性瀝青和改性乳化瀝青的基本性能見表1、表2和表3。

表1 基質瀝青基本性能Table 1 Basic properties of basis asphalt

表2 SBS改性瀝青基本性能Table 2 Basic properties of SBS-modified asphalt

表3 改性乳化瀝青基本性能Table 3 Basic properties of modified emulsified asphalt

試驗所用集料為石灰巖集料，3種混合料的級配見圖1。下臥層A、B 和OGFC 的最大公稱粒徑分別為9.5、19.0和12.5 mm。

圖1 OGFC和下臥層的級配Fig. 1 Gradations of OGFC and underlying layers

為了制作OGFC-下臥層組合試件，首先使用旋轉壓實儀壓實直徑為150 mm的下臥層試件，下臥層試件的厚度為60 mm。下臥層A和B的空隙率控制在(4±0.5)%。下臥層試件壓實后，將其取出在室溫下冷卻；之后在下臥層的表面按照0、0.5、1.0、1.5 kg/m2的灑布量涂抹改性乳化瀝青。將改性乳化瀝青在常溫下放置2 h，待改性瀝青破乳后，將下臥層試件裝入加熱后的試模鋼筒，將OGFC混合料倒入模具中進行壓實，壓實次數設定為50次，OGFC 層壓實后的高度控制為60 mm。OGFC 層和下臥層混合料的拌和溫度為150 ℃；由于稱量好的混合料從烘箱中拿出后即被迅速壓實，可以將壓實溫度近似視為150 ℃。OGFC層的空隙率為18%左右。對下臥層A 和B 的表面構造進行鋪砂法試驗，測得下臥層A和B的構造深度分別為1.70 mm和0.49 mm[21]。

2 CT掃描及空隙特征參數提取

使用錐形束投照計算機重組斷層影像設備(CBCT)對雙層組合瀝青混合料試件進行掃描重構。CBCT 工作原理如下：射線源發出錐形束射線源，經過旋轉壓實試件，另一側的平板探測器進行數據采集和傳輸，最后利用計算機軟件NNT 進行三維圖像重建與處理。

CT 掃描后，選取二維圖片作為分析對象，其中在OGFC 面層每1 mm 提取一張二維圖像，如圖2所示。對其進行一系列圖像處理，其中包括圖像二值化、降噪、腐蝕和膨脹等程序，如圖3 所示。圖像處理完成后，可以用Matlab 軟件對二維空隙率、平均空隙半徑、平均配位數等空隙特征進行定量計算。

圖2 CT三維圖像和二維圖像切割Fig. 2 CT 3D image and 2D image separation

圖3 CT圖像處理Fig. 3 CT image processing

本研究中，選取界面空隙率、平均空隙半徑和平均配位數來表征OGFC面層的空隙結構。截面空隙率是指試件截面中空隙面積之和占截面總面積的比率，是評價OGFC 截面透水性最直接的參數。由于截面上空隙的形狀不規則且形式各異，不便于直接計算空隙尺寸。本研究中將二維圖像上不規則空隙等效為面積相等的圓，即可求取空隙半徑。平均空隙半徑(RAVR)是某一個二維表面上所有空隙尺寸的平均值，計算公式如式(1)所示。空隙平均配位數(NACN)表示每個空隙所連通相鄰空隙的個數，即每個空隙擁有“喉道”的個數。

式中：RAVR為截面平均空隙半徑；Si為第i個空隙的面積；n為截面上的空隙數。

式中：NACN為截面空隙平均配位數；Ni為第i個空隙的配位數；n為截面上的空隙數。

為了計算平均空隙半徑和平均配位數，需要引入“喉道”的概念，其定義為相互連通空隙之間的相對狹窄連接處。文獻[22]中提出了一種自動提取空隙網絡特征的計算算法，可以呈現真實的空隙和喉道結構。該方法通過耦合距離函數和分水嶺分割這2種圖像處理算法，直接檢測和分離空隙和喉道，對OGFC面層截面圖像上的連通空隙喉部進行識別和提取。

分水嶺分割可以表述為當水滴落在起伏的地形上時，水滴會流向“距離最近的”最小值處。“最接近的”的最小值是位于最陡下降路徑末端的最小值。在地形方面，如果水滴落點位于該最小值的流域內，那么就會發生這種情況。分水嶺線是數學形態學中分割圖像的基本工具。在本研究中，連通空隙示意圖見圖4，假設代表空隙的黑色區域具有深度，且黑色區域中每個像素的深度隨著該像素與最近的白色像素的距離增加而增加，這意味著每一個空隙區域的中心代表該區域最深的地方，根據區域內各像素的深度可繪制出等高線，2個相互連通的空隙區域可視為2個流域盆地，如圖5所示。為方便理解該算法，現假設相鄰盆地中的水因為降雨而上升，2 個盆地中水相遇的第1條接觸線稱為流域脊線。在這個水平位之后，2個盆地中的水被連接起來。這條脊線被稱為“喉道”，2 個圓形物體被認為是空隙。通過切割分水嶺脊線上的結構，可以得到2 個分離空隙和連接喉道。

圖4 連通空隙及喉部分割線Fig. 4 Interconnected pores and the secant line between pores

圖5 相鄰流域盆地及分水嶺脊線Fig. 5 Adjacent watershed basins and watershed ridges

3 結果分析與討論

3.1 空隙率

圖6所示為不同黏層油摻量情況下下臥層A和B對應的OGFC面層空隙率沿厚度方向的分布。當黏層油摻量為0 kg/m2時，不管下臥層A還是B，空隙率沿OGFC層高度方向的分布都是兩端較大、中間部分較小，基本呈對稱分布，這與文獻[15-17]中的結果基本一致。當黏層油的摻量為0.5 kg/m2時，相比黏層油為0 kg/m2時，從高度54 mm到60 mm，OGFC二維斷層的空隙率明顯減小，說明即使是低摻量的黏層油(0.5 kg/m2)也會沿著高度方向進行遷移，從而堵塞界面處OGFC的空隙；由圖6還可以看出，黏層油的遷移高度約為6 mm。當黏層油的摻量進一步增大到1.0和1.5 kg/m2時，黏層油的遷移現象更顯著，并且遷移高度可以達到10 和12 mm。圖7所示為OGFC-A在不同黏層油摻量下的CT 掃面圖像。從圖7 可以看出，隨著黏層油摻量的增大，界面附近的OGFC 的空隙被逐漸填充。黏層油在OGFC 面層發生遷移，其主要原因如下：1) 高溫的OGFC 混合料會提高黏層油的流動性，當OGFC壓實時，由于擠壓作用，黏層油會在自由空間內流動；2) OGFC本身的大空隙結構為黏層油的遷移提供了孔道。所以，OGFC混合料的壓實溫度、壓實功效以及黏層油的種類對黏層油的遷移有重要的影響。當黏層油摻量為0 kg/m2時，界面處的空隙率約為25%；當黏層油的灑布量增加到0.5、1.0 和1.5 kg/m2時，界面處的空隙率降低為6%、4%和4%。圖8所示為4種黏層油摻量下界面處的空隙率。由圖8可以看出，在相同的黏層油摻量下，同一高度處下臥層A 的空隙率更大。這是因為下臥層A比下臥層B的級配更粗糙，構造深度的試驗結果也顯示A 的構造深度大于B 的構造深度，所以下臥層A 的表面積也相對較大；當使用同樣摻量的黏層油時，對于下臥層A 來說，會有較大一部分黏層油被用于填充表面的空隙，可用于向OGFC 面層遷移的黏層油的量就會相對減少，因此，界面處的空隙率偏高。不同下臥層上黏層油分布示意圖見圖9。

圖6 不同黏層油摻量情況下OGFC面層空隙率分布Fig. 6 Porosity distribution of OGFC under different tack coat dosages

圖7 不同黏層油摻量情況下CT掃描圖像Fig. 7 CT scan images under different tack coat dosages

圖8 不同黏層油摻量時界面處的空隙率Fig. 8 Porosity at the interface under different tack coat dosages

圖9 不同下臥層上黏層油分布示意圖Fig. 9 Schematic diagram of tack coat distribution on different underlying layers

3.2 平均空隙半徑

圖10 所示為不同黏層油摻量下平均空隙半徑沿OGFC面層高度方向上的分布。與圖6中空隙率分布類似，當黏層油摻量為0 kg/m2時，在OGFC面層的上下兩端空隙的半徑較大；沿高度方向從兩端到中間的空隙半徑逐漸減小。這主要是因為在旋轉壓實的過程中，由于上下界面的邊界效應使得中間部分的混合料更容易被壓密實，相對空隙半徑就越小。當黏層油摻量為0.5 kg/m2時，從高度54 mm 到60 mm，空隙半徑逐漸減小，這主要是由于黏層油的遷移使得OGFC層靠近界面的空隙被堵塞，越靠近界面，空隙被堵塞得越嚴重，平均空隙半徑也就越小。當黏層油的摻量增大到1.0 和1.5 kg/m2時，由于黏層油的遷移現象愈加明顯，所以在50 和48 mm 處OGFC 面層的空隙半徑開始減小。當黏層油摻量為0 kg/m2時，界面處空隙半徑約為1.65 mm；當黏層油摻量增大到0.5、1.0和1.5 kg/m2時，界面處的空隙半徑大約為1.05、0.95和0.90 mm。

圖10 不同黏層油摻量情況下OGFC面層的平均空隙半徑Fig. 10 Average pore radius of OGFC under different tack coat dosages

3.3 空隙平均配位數

空隙平均配位數表征的是某一個空隙與周圍空隙連通的數量，可以在一定程度上反映連通空隙率和滲透性能。圖11 所示為不同黏層油摻量下OGFC空隙配位數沿厚度方向上的分布情況。當黏層油摻量為0 kg/m2時，空隙配位數的分布規律與空隙率和平均空隙半徑基本一致。在OGFC面層的兩端，空隙配位數較大，說明上下兩端的連通空隙較多；從兩端到OGFC面層的中部，配位數逐漸減小，說明中部連通的空隙數減小。當黏層油摻量增大到0.5、1.0和1.5 kg/m2時，界面處的平均空隙配位數顯著減小。對比黏層油摻量為0 kg/m2時的配位數分布圖可以看出：當黏層油摻量增大到0.5、1.0 和1.5 kg/m2時，黏層油的遷移對配位數影響的范圍為5、6和8 mm。

圖11 不同黏層油摻量情況下OGFC面層的空隙平均配位數Fig. 11 Average coordination number of OGFC under different tack coat dosages

3.4 黏層油最佳摻量

考慮黏層油在OGFC面層的遷移以及對OGFC骨料的包裹來確定黏層油的最佳摻量。OGFC混合料的最大公稱粒徑為12.5 mm，12.5～19.0 mm粒徑范圍內的集料占比為3%；當黏層油摻量為1.5 kg/m2時，黏層油的遷移高度在12 mm 左右，基本會將粒徑最大的骨料全部包裹在內。但研究表明過量的黏層油不能提高層間的黏結性能，甚至會削弱層間黏結[20-21,23]，所以1.5 kg/m2的黏層油摻量偏高。9.5～12.5 mm 粒徑的骨料占比為28%，50%集料累計通過率的粒徑區間為4.75～9.50 mm；當黏層油摻量為0.5和1.0 kg/m2時，黏層油的遷移高度分別為5 mm和10 mm左右。考慮到黏層油對界面處OGFC骨料的裹覆作用，建議黏層油的最佳摻量為0.5～1.0 kg/m2。但是，為了更準確地確定黏層油的最佳摻量，還需對層間黏結強度以及功能性進行測定。

4 結論

1) 當界面未撒布黏層油時，OGFC面層空隙率沿高度方向的分布與密級配瀝青混凝土的類似，呈現兩端高、中間低的規律；隨著黏層油摻量的增大，黏層油向上遷移，使得界面處OGFC的空隙率顯著降低，并且黏層油摻量越大，遷移的高度越大。

2) 下臥層的種類會影響黏層油的遷移，下臥層表面構造深度越大，用于填充表面的空隙的黏層油就越多，用于遷移的黏層油就越少，界面處的空隙率就會越大。

3) 當界面未撒布黏層油時，OGFC面層空隙半徑沿高度方向的分布呈現兩端大、中間小的對稱分布；隨著黏層油摻量的增加，黏層油的遷移會堵塞界面處OGFC的空隙，使平均半徑變小。

4) 空隙配位數的變化規律與空隙率的類似；黏層油遷移會使靠近界面處的連通孔隙閉合，從而使空隙平均配位數降低。