沥青混合料压实过程三维骨架结构接触状态与稳定性评价

郑 齐，闫 寒，孙晓龙，龚湘兵,郑和琪

(1.广州市高速公路有限公司，广州 510500；2.广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510006； 3.长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410114)

0 概述

沥青混合料的压实是一个从松散、塑性状态逐渐发展成为高强度、黏聚状态的一个过程[1]。压实作为沥青混凝土路面施工中不可或缺的一道工序，它使沥青混合料的强度、稳定度大大提高[2]，因此，压实是沥青混凝土质量控制当中至关重要的一个环节，国内外沥青路面的压实标准常采用压实度和空隙率进行评价[3]。邓乃铭[4]等采用灰关联法分析了剪切压实次数与空隙率之间的关系。朱武威[5]等采用累积沉降量、空隙率、矿料间隙率对真空压实和常规压实的压实性能进行评价，相较于常规压实，真空压实的累积沉降量、空隙率、矿料间隙率等指标均下降。刘国柱[6]等利用集料大小、形状、棱角性等参数，分析评价集料的压实性能。Zhang[7]等利用密度和空隙率分布来评价压实的均匀性，并用无核密度仪进行检测，结果表明，使用密度和空隙率分布评价沥青路面的压实均匀性是可行的。Pouranian[8]等提出一种理论分析方法，利用混合料堆积模型估算不同级配对沥青混合料矿料空隙率(VMA)和沥青混合料骨架结构的影响，并定义了沥青混合料中心粒径这一新指标来对其骨架结构进行表征，结果显示，模型估算值与室内实测值有较大的相关性。Dessouky[9]等利用实验室和现场性能测试对压实进行评价，研究了混合料内部结构对混合料压实的影响，提出以工作性能指数和压实性能指数作为压实的评价指标，结果表明，压实性能指数与车辙、动态模量等性能有较强的相关性，能够预测混合料抗永久变形的稳定性，集料间的接触数也对压实有着重要影响。压实过程骨架结构的稳定性评价是影响压实质量的关键，目前尚缺乏对压实过程中骨架结构稳定性演变规律的研究。

图像处理技术是分析沥青混合料细观尺度空隙、粗集料、砂浆等特则组分空间分布的主要工具。一般来说，对于细观数字图像的处理主要包括图像增强、图像降噪、图像分割和图像提取等[10]。为了更加直观地了解沥青混合料内部集料、空隙、砂浆结构的空间分布状况，需要利用数字图像处理技术对特征结构进行提取。倪富健[11]等利用高精度二维扫描仪获取混合料二维切片图像，采用Matlab相关图像处理技术对沥青混合料砂浆进行分析。叶奋[12]等采用数字图像处理技术获取集料参数，对粗集料的形态特征与沥青混合料的路用性能关系展开研究。汪海年[13]等利用VGStudio MAX软件对沥青混合料三维孔隙率进行计算和分析，利用Image-Pro Plus对沥青混合料二维孔隙率进行计算和分析。易富[14]等将SMA-13沥青混合料CT扫描得到的图片导入到Mimics软件中进行三维重构，发现三维重构后的孔隙率与实际孔隙率较接近，说明三维重构能够比较真实地反映混合料内部结构的组成状况。段跃华[15]将粗集料从混合料图像中分离出来，确立了一种粗集料颗粒之间接触的判定准则，并利用对数正态分布来描述沥青混合料内部粗集料颗粒的接触特性。石立万[16]对粗集料的接触细观特性进行了分析研究，结果表明：面空隙率和接触点数量沿旋转压实试件高度的分布均不均匀，两端的面空隙率较大，接触点数量少，中间的面空隙率较小，接触点数量多。现阶段，对二维数字图像处理的研究较多，而沥青混合料骨架结构三维细观虚拟模型的建立是研究趋势。

目前，对压实的主流评价指标大多还是宏观的体积特性指标，而沥青混合料又具有多级空间网状结构，宏观指标难以表征压实过程中细观结构的变化和骨架的形成。从细观层面出发，研究细观结构特性对混合料压实及骨架形成的影响可能会更具意义。因此，借助数值图像处理技术进行压实过程三维骨架结构表征及接触状态评价，是揭示压实质量优劣的关键，为沥青路面压实质量实时控制与调控提供新的研究思路。

1 原材料及级配

1.1 试验原材料

本文采用的沥青为茂名路圣沥青有限公司生产的SBS改性沥青，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行试验。如表1所示，其各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，其中软化点为58℃、25℃针入度为73(1/10mm)、5℃延度为36cm。

表1 沥青基本技术指标

本文所用的石料均为优质玄武岩，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行密度、针片状、压碎值等测试，测试结果均满足规范要求。采用的矿粉为石灰岩矿粉，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行试验，其各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)(表2)的要求。

表2 矿粉技术指标

1.2 沥青混合料级配及压实成型

本文采用PAC-13沥青混合料，合成级配曲线如图1所示。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，计算PAC-13混合料的最佳沥青用量为4.1%。在此油石比下成型马歇尔试件，确定PAC-13混合料的最佳油石比为4.10%。

图1 PAC-13沥青混合料合成级配曲线

表3 PAC-13混合料马歇尔试验配合比技术指标

采用旋转压实试验对沥青混合料进行成型，成型设备为上海卓致力天仪器设备有限公司生产的76-B0252型ICT旋转压实仪。采用旋转压实仪成型一个高度100mm的标准旋转压实试件，并绘制高度与旋转压实次数的关系曲线，如图2所示。在旋转压实分别为10次、16次、25次、40次、70次时，将试件冷却并脱模后进行工业CT扫描，获取其数字图像切片，实现不同压实次数的PAC-13试件虚拟三维重构。

图2 高度与压实次数关系曲线

分布式同步工业CT的操作流程：

(1)将按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中试验项目T 0702拌合好的混合料称取单个旋转压实试件所需的质量(约1 630g)。

(2)将试件旋转压实成型。首次旋转压实次数为10次，后续压实次数为所需压实次数与试件已压实次数的差值，分别为6次、9次、15次、30次，脱模前用记号笔在模具及试件上做好位置标记。

(3)对脱模后的旋转压实试件进行工业CT扫描，获取其数字图像。

(4)用凡士林对旋转压实模具的内壁进行润滑，将工业CT扫描后的试件按照原有标记位置塞入模具中，将装有试件的模具在烘箱中保温4h，温度控制在压实所需温度±5℃。

(5)重复以上步骤2～步骤4，直至同一试件压实过程中的所有数字图像获取完成。

2 细观三维虚拟模型的建立

2.1 二维CT切片处理

采用旋转压实试验对PAC-13进行成型。压实次数70次时，试件高度为100mm，达到设计空隙率的要求。采用工业CT获取PAC-13沿着竖向的一组连续横断面切片图，光管型号为FOMR 300.01Y，扫描参数为电压285kV、电流400μA。利用图像增强技术、图像降噪技术进行沥青混合料数字图像的预处理，并采用改进后的Otsu分割方法实现了沥青混合料粗集料、砂浆、空隙三相结构的分割。切片的分割效果如图3所示。改进后的Otsu分割算法原理及步骤：

图3 改进后的Otsu分割效果

(1)将沥青混合料切片图像批量导入Matlab，利用rgb2gray函数对原图进行灰度变换。

(2)采用中值滤波方法对图片滤波降噪。

(3)利用Image J软件读取砂浆的灰度范围，在此范围内选择一个合适的阈值作为分割阈值。

(4)利用分割阈值将原图像人为地分成两部分，并分别采用Otsu算法进行分割，得到最佳的分割阈值Th1和Th2，实现沥青混合料三相结构的分割。

(5)采用形态学处理方法对分割后的图像进行处理，如imopen、imfill函数去除细小的噪点和填充混合料中细小的孔洞。

(6)利用分水岭分割算法，对图像黏连处进行分割处理。

(7)将最终分割处理后的三相结构分别进行批量保存。

2.2 PAC-13三维虚拟重构

对二维沥青混合料数字图像进行堆叠，实现沥青混合料的三维重构，并利用最小包围盒方法(OBB)对粗集料进行处理。最小有向包围盒方法相较于沿坐标轴向包围盒方法来说,可以准确地获取三维集料的长短轴和其朝向，如图4所示。具体方法：

图4 三维最小包围盒生成效果

(1)对三维重构后的集料颗粒进行分离提取。

(2)对三维集料颗粒进行点云化处理，对集料点云进行协方差计算，得到集料质心、协方差矩阵特征值及特征向量，特征向量即为集料主方向。

(3)利用集料的主方向、质心、协方差矩阵等数据，建立点云数据的最小包围盒。

(4)对试件内部全体粗集料进行上述处理，得到各个粗集料的最小包围盒数据。

本文依据实际工程中筛孔尺寸将三维重构后的粗集料划分为4.75mm、9.5mm、13.2mm三个档位。将三维重构后的单颗集料按照体积相等的原则计算得出其等效球直径，以此确定其尺寸档位。

3 骨架结构接触特性

3.1 有效平均配位数

沥青混合料中粗集料与粗集料之间的嵌挤接触状态对其骨架结构性能有直接的影响，同时与沥青混合料的宏观力学性能也有密切的影响。配位数是细观尺度域下粗集料嵌挤接触状态最直观的特征参数，配位数的数量越大，集料之间的接触点数也就越多，嵌挤接触状态也就越紧密，骨架结构相对来说可能也越稳定。对于沥青混合料整体来说，单颗集料的配位数不足以表征混合料整体集料的嵌挤接触状态和骨架结构的性能，因此采用平均配位数来表征：

(1)

式中：pi—第i颗集料颗粒的配位数；

N—集料颗粒总数；

C—平均配位数。

混合料整体中也会存在一些配位数为0的集料颗粒，这些集料颗粒并没有与其他集料颗粒发生嵌挤接触，没有参与混合料骨架结构的形成；还存在着一些配位数为1的集料颗粒，这些集料颗粒虽然与其他集料颗粒发生了嵌挤接触，但其在混合料骨架结构中并不能起到传递力和荷载的作用。因此，可将这些配位数为0和1的集料颗粒称为“无效集料颗粒”。相应地，混合料整体骨架结构性能可改用有效平均配位数来表征：

(2)

式中：pi—i集料颗粒的配位数；

N—集料颗粒总数；

N0—配位数为0的集料颗粒总数；

N1—配位数为1的集料颗粒总数；

Cm—有效平均配位数。

3.2 骨架结构接触状态评价

表4所示为压实70次的混合料试件配位数。

表4 旋转压实70次混合料试件配位数

图5与图6为不同压实次数下各档集料配位数为0或1的无效颗粒数量变化情况。配位数为0和1的“无效颗粒”数量与其本身集料尺寸存在较大的关系,在配位数为0的“无效颗粒”图中，4.75mm档位中的“无效颗粒”数量明显多于9.5mm档位中的“无效颗粒”数量,13.2mm档位中的“无效颗粒”数量为0；在配位数为1的“无效颗粒”图中，“无效颗粒”数量分布规律也与之相同。导致出现上述情况的原因是当单颗集料的尺寸越大，其表面积也就越大，也就越容易与其他集料发生接触，其配位数为0或1的概率也就越小。因此，集料尺寸越大，越不容易成为“无效颗粒”。

图5 各档集料中配位数为0的“无效颗粒”

图6 各档集料中配位数为1的“无效颗粒”

对于“无效颗粒”数量随压实次数变化规律的分析，由于13.2mm档位的粗集料样本量较少且其尺寸较大没有产生“无效颗粒”，本文着重观察4.75mm和9.5mm两个档位。观察图5和图6中4.75mm档位的“无效颗粒”数量，旋转压实10次与旋转压实70次对比，配位数为0和1的“无效颗粒”数量均明显下降，说明旋转压实70次时，原本的“无效颗粒”经过颗粒重排均获得新的接触，有更多的粗集料颗粒参与力学传导。在16次、25次、40次旋转压实的情况下，配位数为0和1的“无效颗粒”数量均呈现无规律的波动变化状态，说明其正发生着颗粒重排，一些“无效颗粒”通过获得新接触成为“有效颗粒”，一些“有效颗粒”丢失已有接触成为“无效颗粒”，因此其“无效颗粒”数量变化不定。观察图5和图6中的9.5mm档位，在配位数为0的图中，各个压实次数下的“无效颗粒”数量基本上没有什么变化，表明原本的“无效颗粒”并没有获得新的接触；在配位数为1的图中，各个压实次数下的“无效颗粒”数量上升下降交替变化，而此时配位数为0的“无效颗粒”数量基本上没有变化，说明配位数为1的无效颗粒并没有丢失旧接触，是在获得新接触和丢失新接触中来回变化。

如图7所示，有效平均配位数随压实次数的增加大体上呈上升趋势，但在压实25次至70次这一阶段，13.2mm档位的配位数曲线有明显的下降再上升的趋势，9.5mm和4.75mm档位的配位数曲线也有轻微的下降再上升的趋势。出现上述现象的原因可能是，在压实10次至25次的阶段，在压实作用下试件高度减小，粗集料之间的距离减少，集料之间的接触增加，配位数增多，从而形成次稳定的骨架结构。

图7 不同压实次数有效平均配位数变化曲线

在压实25次至70次的阶段，随着压实次数的增加，原有的颗粒排列状态被打破，集料颗粒重新排布，配位数先下降后上升，且上升后的配位数还略高于下降前的配位数，形成更加稳定的骨架结构。而13.2mm档位的配位数在压实40次时下降得比其他档位明显，可能是因为其尺寸较大，与其他主骨架集料相互接触产生的空隙较大，导致其之间的干涉颗粒自由度较高，影响了主骨架颗粒之间的接触，使之配位数下降较其他小尺寸的颗粒明显。

4 骨架结构与高温稳定性关联性分析

为了评价压实过程中骨架结构稳定性的演变规律，以旋转压实的方式分别成型旋转压实10次、16次、25次、40次以及70次的试件，并采用SPT简单试验仪对试件进行无围压的动态蠕变测试，测定其宏观性能。不同压实次数下的三个平行试件变异系数不大，平行线较好。为了更加直观地以参数流动次数FN来评价不同压实次数混合料试件的高温性能，将流动次数FN的平均值绘制柱状图，如图8所示。

图8 不同压实过程的流动次数变化

从旋转压实10次试件的动态蠕变曲线可见，荷载作用1 200次左右时，变形率开始上升，试件开始破坏；随着压实次数的增加，试件的骨架结构越来越稳定，高温性能逐渐增强，混合料稳定性也越来越高。从旋转压实16次试件的动态蠕变曲线可见，荷载作用4 000次左右时，变形率才呈开始上升的趋势且幅度不大，试件刚刚进入破坏期，且其进入破坏期时的荷载作用次数为4 000次左右，高于旋转压实10次试件的1 200次左右，说明旋转压实16次试件的力学性能强于旋转压实10次的试件。而之后旋转压实25次、40次、70次的蠕变曲线的变形率曲线一直平坦且稳定，试件处于稳定期并没有进入破坏期。结合图7进行分析，有效平均配位数表现出10次到16次大幅提升后保持平稳增长的趋势，与图8流动次数的变化规律是一致的，因此有效平均配位数适用于压实过程沥青混合料骨架稳定性评价，两者间的相关性较好。

5 结论

(1)改进后的Otsu分割算法相较于双峰法、最大熵法、迭代法等分割算法能更好地适应沥青混合料数字图像的分割，能够实现对沥青混合料集料、砂浆、空隙三相结构的分割。

(2)“无效配位数”与集料尺寸有较大关系。集料尺寸越大，其产生“无效颗粒”的可能性就越小。

(3)不同压实过程的试件，其配位数也会发生改变，随着压实次数的增加，各档集料的“有效平均配位数”均随之增加。

(4)有效平均配位数能够反映压实过程中骨架结构稳定性的演变规律。

(5)从配位数随着压实次数变化的规律显示，9.5mm与13.2mm档位集料产生的有效配位数较多，对应的骨架结构较为稳定，工程实践中可考虑增加这两个档位的集料数量，使沥青路面结构更为稳定。