瀝青混合料壓實過程三維骨架結(jié)構(gòu)接觸狀態(tài)與穩(wěn)定性評價

鄭 齊，閆 寒，孫曉龍，龔湘兵,鄭和琪

(1.廣州市高速公路有限公司，廣州 510500；2.廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣州 510006； 3.長沙理工大學交通運輸工程學院，長沙 410114)

0 概述

瀝青混合料的壓實是一個從松散、塑性狀態(tài)逐漸發(fā)展成為高強度、黏聚狀態(tài)的一個過程[1]。壓實作為瀝青混凝土路面施工中不可或缺的一道工序，它使瀝青混合料的強度、穩(wěn)定度大大提高[2]，因此，壓實是瀝青混凝土質(zhì)量控制當中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，國內(nèi)外瀝青路面的壓實標準常采用壓實度和空隙率進行評價[3]。鄧乃銘[4]等采用灰關(guān)聯(lián)法分析了剪切壓實次數(shù)與空隙率之間的關(guān)系。朱武威[5]等采用累積沉降量、空隙率、礦料間隙率對真空壓實和常規(guī)壓實的壓實性能進行評價，相較于常規(guī)壓實，真空壓實的累積沉降量、空隙率、礦料間隙率等指標均下降。劉國柱[6]等利用集料大小、形狀、棱角性等參數(shù)，分析評價集料的壓實性能。Zhang[7]等利用密度和空隙率分布來評價壓實的均勻性，并用無核密度儀進行檢測，結(jié)果表明，使用密度和空隙率分布評價瀝青路面的壓實均勻性是可行的。Pouranian[8]等提出一種理論分析方法，利用混合料堆積模型估算不同級配對瀝青混合料礦料空隙率(VMA)和瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的影響，并定義了瀝青混合料中心粒徑這一新指標來對其骨架結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果顯示，模型估算值與室內(nèi)實測值有較大的相關(guān)性。Dessouky[9]等利用實驗室和現(xiàn)場性能測試對壓實進行評價，研究了混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對混合料壓實的影響，提出以工作性能指數(shù)和壓實性能指數(shù)作為壓實的評價指標，結(jié)果表明，壓實性能指數(shù)與車轍、動態(tài)模量等性能有較強的相關(guān)性，能夠預測混合料抗永久變形的穩(wěn)定性，集料間的接觸數(shù)也對壓實有著重要影響。壓實過程骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評價是影響壓實質(zhì)量的關(guān)鍵，目前尚缺乏對壓實過程中骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性演變規(guī)律的研究。

圖像處理技術(shù)是分析瀝青混合料細觀尺度空隙、粗集料、砂漿等特則組分空間分布的主要工具。一般來說，對于細觀數(shù)字圖像的處理主要包括圖像增強、圖像降噪、圖像分割和圖像提取等[10]。為了更加直觀地了解瀝青混合料內(nèi)部集料、空隙、砂漿結(jié)構(gòu)的空間分布狀況，需要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對特征結(jié)構(gòu)進行提取。倪富健[11]等利用高精度二維掃描儀獲取混合料二維切片圖像，采用Matlab相關(guān)圖像處理技術(shù)對瀝青混合料砂漿進行分析。葉奮[12]等采用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取集料參數(shù)，對粗集料的形態(tài)特征與瀝青混合料的路用性能關(guān)系展開研究。汪海年[13]等利用VGStudio MAX軟件對瀝青混合料三維孔隙率進行計算和分析，利用Image-Pro Plus對瀝青混合料二維孔隙率進行計算和分析。易富[14]等將SMA-13瀝青混合料CT掃描得到的圖片導入到Mimics軟件中進行三維重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)三維重構(gòu)后的孔隙率與實際孔隙率較接近，說明三維重構(gòu)能夠比較真實地反映混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成狀況。段躍華[15]將粗集料從混合料圖像中分離出來，確立了一種粗集料顆粒之間接觸的判定準則，并利用對數(shù)正態(tài)分布來描述瀝青混合料內(nèi)部粗集料顆粒的接觸特性。石立萬[16]對粗集料的接觸細觀特性進行了分析研究，結(jié)果表明：面空隙率和接觸點數(shù)量沿旋轉(zhuǎn)壓實試件高度的分布均不均勻，兩端的面空隙率較大，接觸點數(shù)量少，中間的面空隙率較小，接觸點數(shù)量多?，F(xiàn)階段，對二維數(shù)字圖像處理的研究較多，而瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)三維細觀虛擬模型的建立是研究趨勢。

目前，對壓實的主流評價指標大多還是宏觀的體積特性指標，而瀝青混合料又具有多級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，宏觀指標難以表征壓實過程中細觀結(jié)構(gòu)的變化和骨架的形成。從細觀層面出發(fā)，研究細觀結(jié)構(gòu)特性對混合料壓實及骨架形成的影響可能會更具意義。因此，借助數(shù)值圖像處理技術(shù)進行壓實過程三維骨架結(jié)構(gòu)表征及接觸狀態(tài)評價，是揭示壓實質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵，為瀝青路面壓實質(zhì)量實時控制與調(diào)控提供新的研究思路。

1 原材料及級配

1.1 試驗原材料

本文采用的瀝青為茂名路圣瀝青有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行試驗。如表1所示，其各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，其中軟化點為58℃、25℃針入度為73(1/10mm)、5℃延度為36cm。

表1 瀝青基本技術(shù)指標

本文所用的石料均為優(yōu)質(zhì)玄武巖，依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)進行密度、針片狀、壓碎值等測試，測試結(jié)果均滿足規(guī)范要求。采用的礦粉為石灰?guī)r礦粉，依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)進行試驗，其各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)(表2)的要求。

表2 礦粉技術(shù)指標

1.2 瀝青混合料級配及壓實成型

本文采用PAC-13瀝青混合料，合成級配曲線如圖1所示。依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)，計算PAC-13混合料的最佳瀝青用量為4.1%。在此油石比下成型馬歇爾試件，確定PAC-13混合料的最佳油石比為4.10%。

圖1 PAC-13瀝青混合料合成級配曲線

表3 PAC-13混合料馬歇爾試驗配合比技術(shù)指標

采用旋轉(zhuǎn)壓實試驗對瀝青混合料進行成型，成型設(shè)備為上海卓致力天儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的76-B0252型ICT旋轉(zhuǎn)壓實儀。采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型一個高度100mm的標準旋轉(zhuǎn)壓實試件，并繪制高度與旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)壓實分別為10次、16次、25次、40次、70次時，將試件冷卻并脫模后進行工業(yè)CT掃描，獲取其數(shù)字圖像切片，實現(xiàn)不同壓實次數(shù)的PAC-13試件虛擬三維重構(gòu)。

圖2 高度與壓實次數(shù)關(guān)系曲線

分布式同步工業(yè)CT的操作流程：

(1)將按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中試驗項目T 0702拌合好的混合料稱取單個旋轉(zhuǎn)壓實試件所需的質(zhì)量(約1 630g)。

(2)將試件旋轉(zhuǎn)壓實成型。首次旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為10次，后續(xù)壓實次數(shù)為所需壓實次數(shù)與試件已壓實次數(shù)的差值，分別為6次、9次、15次、30次，脫模前用記號筆在模具及試件上做好位置標記。

(3)對脫模后的旋轉(zhuǎn)壓實試件進行工業(yè)CT掃描，獲取其數(shù)字圖像。

(4)用凡士林對旋轉(zhuǎn)壓實模具的內(nèi)壁進行潤滑，將工業(yè)CT掃描后的試件按照原有標記位置塞入模具中，將裝有試件的模具在烘箱中保溫4h，溫度控制在壓實所需溫度±5℃。

(5)重復以上步驟2～步驟4，直至同一試件壓實過程中的所有數(shù)字圖像獲取完成。

2 細觀三維虛擬模型的建立

2.1 二維CT切片處理

采用旋轉(zhuǎn)壓實試驗對PAC-13進行成型。壓實次數(shù)70次時，試件高度為100mm，達到設(shè)計空隙率的要求。采用工業(yè)CT獲取PAC-13沿著豎向的一組連續(xù)橫斷面切片圖，光管型號為FOMR 300.01Y，掃描參數(shù)為電壓285kV、電流400μA。利用圖像增強技術(shù)、圖像降噪技術(shù)進行瀝青混合料數(shù)字圖像的預處理，并采用改進后的Otsu分割方法實現(xiàn)了瀝青混合料粗集料、砂漿、空隙三相結(jié)構(gòu)的分割。切片的分割效果如圖3所示。改進后的Otsu分割算法原理及步驟：

圖3 改進后的Otsu分割效果

(1)將瀝青混合料切片圖像批量導入Matlab，利用rgb2gray函數(shù)對原圖進行灰度變換。

(2)采用中值濾波方法對圖片濾波降噪。

(3)利用Image J軟件讀取砂漿的灰度范圍，在此范圍內(nèi)選擇一個合適的閾值作為分割閾值。

(4)利用分割閾值將原圖像人為地分成兩部分，并分別采用Otsu算法進行分割，得到最佳的分割閾值Th1和Th2，實現(xiàn)瀝青混合料三相結(jié)構(gòu)的分割。

(5)采用形態(tài)學處理方法對分割后的圖像進行處理，如imopen、imfill函數(shù)去除細小的噪點和填充混合料中細小的孔洞。

(6)利用分水嶺分割算法，對圖像黏連處進行分割處理。

(7)將最終分割處理后的三相結(jié)構(gòu)分別進行批量保存。

2.2 PAC-13三維虛擬重構(gòu)

對二維瀝青混合料數(shù)字圖像進行堆疊，實現(xiàn)瀝青混合料的三維重構(gòu)，并利用最小包圍盒方法(OBB)對粗集料進行處理。最小有向包圍盒方法相較于沿坐標軸向包圍盒方法來說,可以準確地獲取三維集料的長短軸和其朝向，如圖4所示。具體方法：

圖4 三維最小包圍盒生成效果

(1)對三維重構(gòu)后的集料顆粒進行分離提取。

(2)對三維集料顆粒進行點云化處理，對集料點云進行協(xié)方差計算，得到集料質(zhì)心、協(xié)方差矩陣特征值及特征向量，特征向量即為集料主方向。

(3)利用集料的主方向、質(zhì)心、協(xié)方差矩陣等數(shù)據(jù)，建立點云數(shù)據(jù)的最小包圍盒。

(4)對試件內(nèi)部全體粗集料進行上述處理，得到各個粗集料的最小包圍盒數(shù)據(jù)。

本文依據(jù)實際工程中篩孔尺寸將三維重構(gòu)后的粗集料劃分為4.75mm、9.5mm、13.2mm三個檔位。將三維重構(gòu)后的單顆集料按照體積相等的原則計算得出其等效球直徑，以此確定其尺寸檔位。

3 骨架結(jié)構(gòu)接觸特性

3.1 有效平均配位數(shù)

瀝青混合料中粗集料與粗集料之間的嵌擠接觸狀態(tài)對其骨架結(jié)構(gòu)性能有直接的影響，同時與瀝青混合料的宏觀力學性能也有密切的影響。配位數(shù)是細觀尺度域下粗集料嵌擠接觸狀態(tài)最直觀的特征參數(shù)，配位數(shù)的數(shù)量越大，集料之間的接觸點數(shù)也就越多，嵌擠接觸狀態(tài)也就越緊密，骨架結(jié)構(gòu)相對來說可能也越穩(wěn)定。對于瀝青混合料整體來說，單顆集料的配位數(shù)不足以表征混合料整體集料的嵌擠接觸狀態(tài)和骨架結(jié)構(gòu)的性能，因此采用平均配位數(shù)來表征：

(1)

式中：pi—第i顆集料顆粒的配位數(shù)；

N—集料顆?？倲?shù)；

C—平均配位數(shù)。

混合料整體中也會存在一些配位數(shù)為0的集料顆粒，這些集料顆粒并沒有與其他集料顆粒發(fā)生嵌擠接觸，沒有參與混合料骨架結(jié)構(gòu)的形成；還存在著一些配位數(shù)為1的集料顆粒，這些集料顆粒雖然與其他集料顆粒發(fā)生了嵌擠接觸，但其在混合料骨架結(jié)構(gòu)中并不能起到傳遞力和荷載的作用。因此，可將這些配位數(shù)為0和1的集料顆粒稱為“無效集料顆?！薄Ｏ鄳?yīng)地，混合料整體骨架結(jié)構(gòu)性能可改用有效平均配位數(shù)來表征：

(2)

式中：pi—i集料顆粒的配位數(shù)；

N—集料顆?？倲?shù)；

N0—配位數(shù)為0的集料顆?？倲?shù)；

N1—配位數(shù)為1的集料顆?？倲?shù)；

Cm—有效平均配位數(shù)。

3.2 骨架結(jié)構(gòu)接觸狀態(tài)評價

表4所示為壓實70次的混合料試件配位數(shù)。

表4 旋轉(zhuǎn)壓實70次混合料試件配位數(shù)

圖5與圖6為不同壓實次數(shù)下各檔集料配位數(shù)為0或1的無效顆粒數(shù)量變化情況。配位數(shù)為0和1的“無效顆?！睌?shù)量與其本身集料尺寸存在較大的關(guān)系,在配位數(shù)為0的“無效顆?！眻D中，4.75mm檔位中的“無效顆?！睌?shù)量明顯多于9.5mm檔位中的“無效顆?！睌?shù)量,13.2mm檔位中的“無效顆?！睌?shù)量為0；在配位數(shù)為1的“無效顆粒”圖中，“無效顆?！睌?shù)量分布規(guī)律也與之相同。導致出現(xiàn)上述情況的原因是當單顆集料的尺寸越大，其表面積也就越大，也就越容易與其他集料發(fā)生接觸，其配位數(shù)為0或1的概率也就越小。因此，集料尺寸越大，越不容易成為“無效顆?！薄?/p>

圖5 各檔集料中配位數(shù)為0的“無效顆?！?/p>

圖6 各檔集料中配位數(shù)為1的“無效顆粒”

對于“無效顆?！睌?shù)量隨壓實次數(shù)變化規(guī)律的分析，由于13.2mm檔位的粗集料樣本量較少且其尺寸較大沒有產(chǎn)生“無效顆?！保疚闹赜^察4.75mm和9.5mm兩個檔位。觀察圖5和圖6中4.75mm檔位的“無效顆粒”數(shù)量，旋轉(zhuǎn)壓實10次與旋轉(zhuǎn)壓實70次對比，配位數(shù)為0和1的“無效顆?！睌?shù)量均明顯下降，說明旋轉(zhuǎn)壓實70次時，原本的“無效顆?！苯?jīng)過顆粒重排均獲得新的接觸，有更多的粗集料顆粒參與力學傳導。在16次、25次、40次旋轉(zhuǎn)壓實的情況下，配位數(shù)為0和1的“無效顆?！睌?shù)量均呈現(xiàn)無規(guī)律的波動變化狀態(tài)，說明其正發(fā)生著顆粒重排，一些“無效顆?！蓖ㄟ^獲得新接觸成為“有效顆粒”，一些“有效顆?！眮G失已有接觸成為“無效顆粒”，因此其“無效顆?！睌?shù)量變化不定。觀察圖5和圖6中的9.5mm檔位，在配位數(shù)為0的圖中，各個壓實次數(shù)下的“無效顆粒”數(shù)量基本上沒有什么變化，表明原本的“無效顆粒”并沒有獲得新的接觸；在配位數(shù)為1的圖中，各個壓實次數(shù)下的“無效顆粒”數(shù)量上升下降交替變化，而此時配位數(shù)為0的“無效顆?！睌?shù)量基本上沒有變化，說明配位數(shù)為1的無效顆粒并沒有丟失舊接觸，是在獲得新接觸和丟失新接觸中來回變化。

如圖7所示，有效平均配位數(shù)隨壓實次數(shù)的增加大體上呈上升趨勢，但在壓實25次至70次這一階段，13.2mm檔位的配位數(shù)曲線有明顯的下降再上升的趨勢，9.5mm和4.75mm檔位的配位數(shù)曲線也有輕微的下降再上升的趨勢。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是，在壓實10次至25次的階段，在壓實作用下試件高度減小，粗集料之間的距離減少，集料之間的接觸增加，配位數(shù)增多，從而形成次穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。

圖7 不同壓實次數(shù)有效平均配位數(shù)變化曲線

在壓實25次至70次的階段，隨著壓實次數(shù)的增加，原有的顆粒排列狀態(tài)被打破，集料顆粒重新排布，配位數(shù)先下降后上升，且上升后的配位數(shù)還略高于下降前的配位數(shù)，形成更加穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。而13.2mm檔位的配位數(shù)在壓實40次時下降得比其他檔位明顯，可能是因為其尺寸較大，與其他主骨架集料相互接觸產(chǎn)生的空隙較大，導致其之間的干涉顆粒自由度較高，影響了主骨架顆粒之間的接觸，使之配位數(shù)下降較其他小尺寸的顆粒明顯。

4 骨架結(jié)構(gòu)與高溫穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)性分析

為了評價壓實過程中骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的演變規(guī)律，以旋轉(zhuǎn)壓實的方式分別成型旋轉(zhuǎn)壓實10次、16次、25次、40次以及70次的試件，并采用SPT簡單試驗儀對試件進行無圍壓的動態(tài)蠕變測試，測定其宏觀性能。不同壓實次數(shù)下的三個平行試件變異系數(shù)不大，平行線較好。為了更加直觀地以參數(shù)流動次數(shù)FN來評價不同壓實次數(shù)混合料試件的高溫性能，將流動次數(shù)FN的平均值繪制柱狀圖，如圖8所示。

圖8 不同壓實過程的流動次數(shù)變化

從旋轉(zhuǎn)壓實10次試件的動態(tài)蠕變曲線可見，荷載作用1 200次左右時，變形率開始上升，試件開始破壞；隨著壓實次數(shù)的增加，試件的骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定，高溫性能逐漸增強，混合料穩(wěn)定性也越來越高。從旋轉(zhuǎn)壓實16次試件的動態(tài)蠕變曲線可見，荷載作用4 000次左右時，變形率才呈開始上升的趨勢且幅度不大，試件剛剛進入破壞期，且其進入破壞期時的荷載作用次數(shù)為4 000次左右，高于旋轉(zhuǎn)壓實10次試件的1 200次左右，說明旋轉(zhuǎn)壓實16次試件的力學性能強于旋轉(zhuǎn)壓實10次的試件。而之后旋轉(zhuǎn)壓實25次、40次、70次的蠕變曲線的變形率曲線一直平坦且穩(wěn)定，試件處于穩(wěn)定期并沒有進入破壞期。結(jié)合圖7進行分析，有效平均配位數(shù)表現(xiàn)出10次到16次大幅提升后保持平穩(wěn)增長的趨勢，與圖8流動次數(shù)的變化規(guī)律是一致的，因此有效平均配位數(shù)適用于壓實過程瀝青混合料骨架穩(wěn)定性評價，兩者間的相關(guān)性較好。

5 結(jié)論

(1)改進后的Otsu分割算法相較于雙峰法、最大熵法、迭代法等分割算法能更好地適應(yīng)瀝青混合料數(shù)字圖像的分割，能夠?qū)崿F(xiàn)對瀝青混合料集料、砂漿、空隙三相結(jié)構(gòu)的分割。

(2)“無效配位數(shù)”與集料尺寸有較大關(guān)系。集料尺寸越大，其產(chǎn)生“無效顆粒”的可能性就越小。

(3)不同壓實過程的試件，其配位數(shù)也會發(fā)生改變，隨著壓實次數(shù)的增加，各檔集料的“有效平均配位數(shù)”均隨之增加。

(4)有效平均配位數(shù)能夠反映壓實過程中骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的演變規(guī)律。

(5)從配位數(shù)隨著壓實次數(shù)變化的規(guī)律顯示，9.5mm與13.2mm檔位集料產(chǎn)生的有效配位數(shù)較多，對應(yīng)的骨架結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，工程實踐中可考慮增加這兩個檔位的集料數(shù)量，使瀝青路面結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。