几种典型沥青混合料车辙横断面变形特征分析

陈 华，英 红

(1.深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518029；2.桂林电子科技大学广西高校图像图形智能处理重点实验室, 广西 桂林 541004)



道路工程

几种典型沥青混合料车辙横断面变形特征分析

陈 华1，英 红2

(1.深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518029；2.桂林电子科技大学广西高校图像图形智能处理重点实验室, 广西 桂林 541004)

针对传统车辙试验无法描述沥青混合料侧向隆起、流动等变形形态的问题，本文利用线激光和相机，设计、搭建沥青混合料车辙断面变形图像采集系统，通过采集典型的骨架密实型、悬浮型和骨架空隙型混合料的断面变形图像，由图像处理技术及格子计数法获得用以描述这些混合料试件的车辙变形形态的特征参数，试验结果表明，这些参数能够反映混合料内部荷载扩散、流动变形能力及压密松涨综合效应等混合料内部信息，为评估材料高温性能等方面提供新的视角。

沥青路面；车辙试验；配合比；变形轮廓；特征参数

0 前 言

车辙变形是沥青路面使用过程中最常见也是最主要的破坏类型，也是国内外公路界学者的研究热点，室内车辙试验能够较好的模拟沥青混合料在车辆荷载反复作用下的变形状况，因此，各国普遍使用室内车辙试验对混合料的高温性能进行复核，成为马歇尔试验法、旋转压实法等在确定沥青最佳用量时的必要补充，如我国在确定最佳沥青用量方面主要采用的是马歇尔试验法，并以车辙试验作为高温性能验证的补充。

然而，传统的车辙仪受限于位移传感器的工作方式，仅能得到车辙变形的最大值，无法描述横截面上的各点的变形情况。车辙宏观变形是混合料内部复杂结构在频繁的交通荷载下压密、流动、松涨、隆起等变形效应的累积表现，车辙横断面变形曲线是车辙宏观变形形态的重要特征，从横断面曲线入手，研究断面曲线特征与材料内部结构的关系，对揭示材料在荷载作用下的行为特征、评估材料高温性能等方面是十分必要的。

1 横断面变形曲线特征描述

大量实践表明，沥青路面车辙变形呈现出如图1中曲线所示形态，除轮迹处出现凹陷外，在轮迹左右两侧同时会有隆起存在，而传统的室内车辙试验仅测量了凹陷深度，未对隆起高度、开口宽度、开口角度等信息进行采集和分析，而这些变形特性与混合料级配类型、内部集料颗粒的空间分布结构密切相关，为了挖掘沥青混合料材料组成与车辙变形形态的内在联系，对该曲线的凹陷、隆起、开口大小、开口角度等形态特征进行了定义。

图1 车辙变形曲线形态特征参数表征图

如图1所示的车辙横断面变形曲线中d0为车辙下凹最大深度，w1为车辙下凹区域的开口宽度，主要与集料颗粒组合结构的荷载扩散能力相关；d1、d2分别为车辙轮迹左、右两侧隆起的最大高度，w2为车辙轮迹两侧隆起区域峰值间距，它们反映了混合料抗流动变形的能力；S0为车辙下凹部分的面积，S1和S2为车辙轮迹左、右两侧隆起面积，反映了压密和松涨效应对混合料体积变化的影响。

2 车辙试件横断面变形曲线采集装置

为了得到车辙试件断面变形曲线，开发了数字图像处理技术与光学技术相结合形成的光机电一体化的测量系统，它使用摄像机作为图像传感器，获取线激光器在试件上的光条，然后利用数字图像处理技术，由计算机进行图像增强、识别与检测。

系统使用Sentech STC-Pocl232A面阵相机，分辨率1 600×1 200，帧率30fps，Cameralink输出；Fujinon50 mm光学镜头；DALSA PC2-CameraLink图像采集卡；FAR 650nm红光一字型线激光器，功率为100 mW。相机与一字条形激光器分别固定于车辙试验机的横梁上，其中一字激光器垂直照射在车辙试件上，试件上出现一条红色的光条，相机安装于右侧，采集光条图像，然后把图像传输到计算机上，再由计算机进行处理，从而得出车辙变形曲线。

受车辙试验机恒温仓体尺寸、相机工作距离及与光平面夹角所限，为保证车辙变形曲线的计算精度，车辙试件的采样宽度只能控制在试件中部约为26 cm范围内。

3 断面变形特征参数计算方法

采集车辙断面光条图像后，使用IMAQ Vision 6.0软件进行图像处理，该软件集成了大量图像处理算法，并提供了一个带有各种测量工具的软件包Measurement Studio，利用它能够方便地创建视觉检测应用程序，实现迅速的车辙变形测量任务。首先，将图2中加载前后的光条图像相减，得到车辙的变形图像；接着，借助车辙仪提供的车辙深度测量值对变形图像进行纵向标定，然后根据横向标定物对变形图像进行横向标定，得到如图2所示的实测车辙断面变形曲线，该曲线中存在较多的毛刺，这是由于试件在轮载作用下，加载区及其附近区域的集料颗粒发生转动造成的，为了方便获取图1中的各种特征参数，对该曲线进行平滑处理，具体的做法可采用相邻若干数据取平均值的做法，本文用左右相邻10个数据取平均，得到平滑后的曲线如图3所示。

图2 实测断面变形曲线

图3 对平滑曲线进行网格计数

得到光滑的车辙变形曲线后，容易得出d0、d1、d2、W0、W1、W2等长度数据，但车辙下凹面积s0、左右侧隆起面积s1和s2并不能从光滑曲线上直观地得到，有鉴于此，本文使用“格子计数法”对其测量：根据横、纵坐标轴上的刻度在图上画出格子，然后通过对应区域内的格子数目完成s0、s1和s2参数的测量，在计数时，当曲线穿过格子时，分割的部分如果超过半个格子，则以一个格子计数，反之，则不计数，也不能将多个“半格”进行累加。

4 车辙试验

选用13混合料，分别制作AM-13、AC-13F、AC-13C典型级配的混合料，级配使用规范中值，壳牌70#重交普通沥青，沥青用量、空隙率和车辙试验结果列于表1，断面特征参数测量结果列于表2，两类混合料的车辙断面变形曲线对比于图4。

表1 材料试验结果

图4 车辙横断面变形曲线对比

类型d0d1d2dew1w2s0s1s2ΔSAC-13C3．71．11．41．25105．3179．6264．046．9104．7112．4AM-136．02．02．02．083．2154．7335．1119．799．2116．2AC-13F8．03．12．42．7579．3137．8507．8164．8190．3152．7

从表1中的传统车辙试验的车辙深度d值和表2的横断面变形曲线下凹深度d0值的试验结果上看，两者结果基本相近，从表2看，C型结构的d0值最小，F型最大，AM型居中；该值与传统室内车辙深度d值意义并不相同，两者的含义也不一样，车辙试验机位移传感器所测位置是轮子在整条轮迹上的最低位置，而d0所测位置是某个横断面变形曲线经过平滑后的最低点，一般来说，d0要稍小于d值，说明论文通过光条曲线测试车辙深度的方法是可靠的。

w1反映了混合料内部颗粒组合结构扩散荷载的能力，C型w1值最大；F型最小；对于AM型这种骨架空隙结构，虽然粗集料含量高，容易形成嵌挤形态，但由于细集料含量少，粘结力不足，导致传荷能力弱于C型，但比F型要好。

w2、de反映了混合料抗流动变形的能力，F型结构的抗流动性能最差，在轮子附近就出现了峰值，且峰值de最高；C型结构既有粗集料嵌挤，又有细集料充分填充，抵抗材料相对运动的能力最强，因此，它的峰值最低，距离加载区也最远。从w2，de值，可以看到细集料扮演的角色，细集料过多，如F型，流动性强；细集料过少，如AM型，存在较大空隙，也不利于抵抗材料的相对运动。

在轮载作用下，压密和松涨是混合料体积发生变化的两种基本形式，令ΔS=S0-S1-S2，ΔS反映了压密和松涨综合效应对混合料体积变化的贡献，此值为正，表示压密对体积变化的影响大于松涨，为负，则表示松涨效应对体积变化占有主导地位。F型混合料虽然空隙率最小，但由于沥青、细集料含量高，流动能力强，在反复碾压下、揉搓，沥青胶浆容易挤出、迁移，导致压密效应最明显；AM型与C型相比，由于前者空隙率较大，可压缩的潜力大，因此AM型的ΔS值稍高一些。

5 结 论

(1)提出了一种基于激光成像的车辙横断面曲线检测方法，该方法通过简单的图像处理可获取车辙横断面变形曲线。

(2)利用车辙横断面变形曲线，获取了除车辙深度信息外，还获取了反映混合料内部荷载扩散、流动变形能力及压密松涨综合效应影响因素的参数，通过对典型的骨架密实型、悬浮型和骨架空隙型混合料的车辙横断面变形曲线参数分析发现，这些参数对几种典型结构的区分度是明显的，而这些信息将大大加强人们对混合料内部机构抵抗车辙变形影响机理的认识。

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2016-01-18

陈华(1981- )，男，工程师。

国家自然科学基金(51208130)，广西自然科学基金(2013GXNSFBA019258),广西高校图像图形智能处理重点实验室资助(GIIP201507),广西科技开发项目(桂科攻14124004-4-14)

U416

C

1008-3383(2016)08-0001-02