ABSTRACT

Porosity and performance of asphalt mixture are closely related to the microstructure of the gap which directly affects the various properties of asphalt mixture. For the coarse aggregate, the design of different gradation and needle-like content of the mixture, through CT scanning, digital image acquisition technology research, obtained three-dimensional reconstruction diagram. Using VG Studio MAX2.2, it sets a different gray range, and then extracts the gap. The voids of the asphalt mixture were analyzed, and the evaluation index of the void structure was analyzed, after that, the void structure was studied. It is found that the void dates obtained by this method are consistent with standard test. The pore size distribution is affected by the coarse aggregate gradation and the needle sheet content. The asphalt mixture is calculated by setting the gray threshold method Porosity; the result is greater than the measured porosity; the area ratio parameter Q, can accurately characterize the asphalt mixture in the coarse aggregate and the proportion of the gap.

Keywords:Asphalt Mixture, Coarse Aggregate, Digital Image Acquisition, Void Structure, Grading, Needle-Like

粗集料对沥青混合料空隙结构影响分析

孙维刚^1,2，纪伦²，张磊³，李俊²，刘海权²，贺文栋^2,4

¹黑龙江省八达路桥建设有限公司，黑龙江 哈尔滨

²哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨

³中国路桥工程有限责任公司，北京

⁴山西省交通科学研究院，山西 太原

收稿日期：2018年3月8日；录用日期：2018年3月22日；发布日期：2018年3月29日

摘 要

沥青混合料的空隙率与性能密切相关，空隙细观结构直接影响着沥青混合料的各种性能。针对粗集料，设计不同级配和针片状含量的混合料，通过CT扫描、数字图像获取技术方法的研究，获得三维重构图，采用VG Studio MAX2.2设定不同灰度范围，进而提取空隙，构建沥青混合料的空隙空间变化特征图，分析空隙结构评价指标，进而对空隙结构进行研究。通过空隙定性对比发现，该方法获得的空隙变化同表干法实测规律一致；空隙粒径分布受粗集料级配和针片状含量影响显著；通过设定灰度阈值的方法计算沥青混合料空隙率，其结果大于实测空隙率；构建的面积比值参数，能准确地表征沥青混合料中粗集料和空隙的比例关系。

关键词 :沥青混合料，粗集料，数字图像获取，空隙结构，级配，针片状

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1. 引言

沥青混合料体积参数中，空隙率与性能相关性显著 [1] - [11] ，而空隙率作为定量的宏观指标，其分布特性或结构特征的研究，将有助于深入理解混合料组成特性。由于空隙结构灰度变化范围很小，且接近于0，在断层扫描的图像上能够清楚识别。因此，可借助工业CT和图像处理技术 [12] [13] 对不同粗集料级配和针片状含量的沥青混合料空隙结构进行定性和定量研究。

2. 试验材料

2.1. 试验用混合料级配

1) 以AC16中值级配J1为基础，变换粗集料筛孔通过率形成不同粗细且走向一致的矿料级配类型，并以此模拟生产过程中粗集料变异导致的级配差异。基本思路是保证各4.75 mm及以下细集料筛孔通过率不变，在9.5 mm筛孔通过率中值基础上分别增减±5%、±10%，并保证9.5 mm以上各档粗集料之间比例不变，得到5个不同的AC16级配如表1所示。

2) 为考察4.75 mm通过率对沥青混合料结构和性能的影响，以AC16级配中值J1级配为基础，保证除4.75 mm以外的筛孔通过率不变，在4.75 mm中值筛孔通过率基础上分别±5%、±10%得到JA、JB、JC、JD 4个级配，即4.75 mm对应的通过率分别为58%、53%、43%和38%。

2.2. 试验用矿料的针片状含量设计

以AC16级配中值为基准，六种材料Z1~Z6，其粗集料的针片状颗粒含量分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%。

表1. J1~J5矿料级配筛孔通过率

2.3. 试验用混合料的沥青用量

以AC16级配中值为基础，确定中值级配沥青混合料的最佳沥青用量，其它级配变化时均采用中值级配所确定的沥青用量，级配中值条件下沥青混合料的最佳油量为4.5%。

3. 基于工业CT技术的沥青混合料数字图像获取

试验采用德国Phoenix v|tome|x s微焦点工业CT，扫描电压为190 Kv，电流300 μA。对沥青混合料试件进行扫描重构，获得试件结构图。打开phoenix datosx2 rec导入CT扫描数据“.pcr”文件→几何校正→定义材料参数→对图像进行滤波处理→进行三维重构得到“.vgi”文件。导入.vgi数据之后，在VG Studio MAX2.2中沥青混合料试件将能够以3D形式显示出来，并且能够通过电子切割得到任意断面上的二维图像，如图1所示。

采用CT成像重构的沥青混合料试件，不同密度的物质具有不同的灰度阈值，因此VG Studio MAX2.2软件将主要基于灰度识别来进行扫描试件的处理。沥青混合料各组分在的断层图像中将呈现明显的灰度界线，这为沥青混合料组分分离提供了条件。沥青混合料CT扫描二维断面图像见图2，由图可以清晰识别沥青混合料不同组分。

4. 基于CT技术的空隙分布特性分析

成型试件的体积参数如表2所示。

按照上述方法对不同的沥青混合料试件进行重构处理，采用VG Studio MAX2.2设定不同灰度范围对空隙进行了提取，对比了不同影响因素条件下沥青混合料的空隙空间变化特征图如图3~5所示，图中各颜色分别代表了不同体积大小的空隙结构。

图3中空隙结构从左至右依次为JA、JB 、J1、JC、JD，其4.75 mm通过率分别为58%、53%、48%、43%、38%。图像发现，4.75 mm筛孔通过率越小，空隙越小，与排水法实测的空隙变化规律是一致的。表明在AC16沥青混合料中，4.75~9.5 mm粒径的集料在AC16沥青混合料中主要起到了填充的作用。

由图4发现，粗集料级配的变化会影响AC16沥青混合料的空隙变化，J2和J3空隙最大，J1次之，J4和J5空隙最小，变化规律与实测相吻合。细集料比例不变，9.5以上粗集料同比例的增加减少了沥青混合料的空隙。

图5中，从左至右表示的是AC16级配不同的粗集料针片状颗粒含量的Z1~Z6混合料空隙分布特征。由图可知，沥青混合料的空隙随着针片状颗粒含量的增加而显著增加，与实测结果(表2)一致。

综合以上各图还直观的发现，大空隙结构多分布于试件中下部位。这是由于沥青混合料试件旋转压实成型过程中，与压头接近的部位更容易被压实，使得空隙结构多出现在试件中下部位。综上可知，采用CT技术定性的对空隙结构进行描述的方法是可行的。

图1. 沥青混合料重构图

图2. 沥青混合料各组份示意图

图3. JA~JD~J1沥青混合料空隙变化

图4. J1~J5混合料空隙变化

图5. Z1~Z6含针片状沥青混合料空隙变化

表2. AC16不同沥青混合料体积指标

5. 沥青混合料空隙结构评价指标

上文主要从定性的角度对沥青混合料的空隙分布特性进行了分析，虽然该方法直观清楚，但是还不足以说明不同沥青混合料空隙结构之间的本质差异，因此，有必要进一步提取沥青混合料的量化指标，定量的对空隙结构进行分析。本文对采用的空隙结构评价指标介绍如下。

1) 空隙平均费雷特(feret)直径

将沥青混合料横断面空隙结构提取得到如图6所示。由图可知，空隙结构由很多大小不一的空隙颗粒组成，对于SMA来说，空隙颗粒粒径较大且个数较少，AC沥青混合料空隙则是粒径较小且数目较多。

为了研究不同的粗集料级配及针片状含量对沥青混合料空隙粒径组成的影响，以空隙的平均费雷特

图6. 空隙二维断面结构图

(feret)直径为指标来进行空隙粒径分布定量分析。平均费雷特(feret)直径定义为：经过颗粒的中心，任意方向的直径称为一个费雷特直径。每隔10˚方向求取一个费雷特直径长度，再将这36个费雷特直径求平均值即得到平均费雷特(feret)直径。

在每个沥青混合料试件中沿纵向每隔1 cm挑选一张CT断层图片，通过图像处理得到每张图片中所有空隙的平均费雷特直径。将其按直径大小分级统计累计空隙颗粒个数。再对多张断层图片求取不同粒径范围内的颗粒个数均值，得到各混合料试件的空隙粒径分布。

2) 空隙轮廓分形维数

每个独立空隙的轮廓均是由不规则的曲线构成，为了定量描述空隙的轮廓特性，故采用分形维数对空隙的轮廓进行评价。采用IPP具体测量空隙分形维数，测量采用变尺码法。

3) 扫描空隙率

基于CT扫描技术可以得到沥青混合料的全局结构参数，因此可以采用VG Studio MAX2.2通过设定不同灰度阈值将空隙结构分离，计算获得空隙结构的体积，进一步计算沥青混合料的实体体积，二者的比值就是试件的空隙率。按此方法测定的空隙率本文称之为“扫描空隙率”，相应的将排水法测定的空隙率称之为实测空隙率。

4) 空隙面积比

由于沥青混合料的性能不仅受粗集料的影响，同时还受空隙的影响。因此本节用集料面积和空隙面积的比值共同构建空隙面积参数如式(1)所示：

$Q=\frac{Are{a}_{jiliao}}{Are{a}_{kongxi}}$ (1)

式中 $Are{a}_{jiliao}$ ——粗集料颗粒横断面积(cm²)；

$Are{a}_{kongxi}$ ——空隙横断面积(cm²)。

集料区域、空隙区域如图7所示。

6. 粗集料对沥青混合料空隙结构影响分析

6.1. AC16粗集料级配变化对沥青混合料空隙结构影响分析

AC16粗集料级配变化沥青混合料空隙结构指标统计见图8。

由图8(a)可知，AC16级配J1~J5中，细集料比例不变，随着不同粒径粗集料比例的变化，空隙平均直径的变化特征是当空隙平均直径小于0.6 mm时，J5、J4和J3的空隙个数显著大于J2和J3，平均直径

图7. 集料与空隙区域示范图

图8. AC16空隙结构指标

大于约0.6 mm时，J2、J3空隙个数大于J3、J4和J5。说明细集料不变，随着9.5~19 mm粗集料的增加，小空隙逐渐增多，大空隙逐渐减小。

由图8(b)可知，AC16不同4.75 mm通过率沥青混合料JA~J1~JD中，随着4.75 mm通过率的减小，沥青混合料中的空隙个数显著增多。无论是大空隙还是小空隙，都随着4.75 mm通过率的减小而减小。

AC16级配沥青混合料空隙分形维数见图8(c)和图8(d)，显著性及相关性检验见表3。

空隙轮廓分形维数受级配因素影响方差检验不显著，但是随大颗粒粗集料的增加整体上呈现正相关趋势。JA~JD~J1中，空隙分形维数受4.75 mm通过率的影响方差检验不显著，但相关检验发现随着4.75 mm通过率的减小其分形维数逐渐增加，具有明显的线性正相关趋势。

由图8(e)和图8(f)可知，扫描空隙率随级配的变化趋势和实测空隙率变化是一致的。工业CT扫描计算的空隙率高于实测空隙率，造成这种现象的原因是由于实测过程中沥青混合料试件表面具有较多的开口孔隙，在测定表干重的时候水流走而不能充满孔隙。由此造成表干重测量值偏小，进一步使得沥青混合料的空隙率测量值减小。随着开口孔隙的逐渐增大，水分流失逐渐增加，由此造成的误差也越来越大。

由图8(g)可知，在J1~J5级配中，面积参数随着9.5~19 mm颗粒的增加逐渐增加。JA~JD和J1中，值随着4.75 mm通过率的降低呈现显著上升相对于J1~J5级配来说此种现象更加明显。

6.2. 针片状含量对沥青混合料空隙结构影响分析

不同粗集料针片状含量的沥青混合料空隙结构指标统计见图9。

由图9(a)所示，Z1~Z6中，当针片状颗粒含量较小时，沥青混合料中平均直径较小的空隙占据优势。随着粗集料针片状含量的增加，平均直径大的空隙个数逐渐增多。可见针片状颗粒含量的增加会使得空隙结构逐渐增大。

不同针片状含量沥青混合料分形维数见图9(b)，显著性及相关性检验见表4。

结果表明，Z1~Z6中，随着针片状颗粒的增加、空隙的增加空隙分形维数整体上逐渐减少，Pearson相关系数为−0.445，呈现显著负线性相关趋势，但方差检验不够显著。

由图9(c)可知，不同针片状含量沥青混合料空隙率变化特征同前文一致，即扫描空隙率显著大于实测空隙率。同时随着空隙的增加，这种差异更加明显。

粗集料横断面积和空隙面积的比值见图9(d)，对比级配Z1~Z6发现，沥青混合料的面积参数值随着针片状的增加出现显著下降。

图9. 不同针片状含量沥青混合料空隙结构指标

表3. AC16空隙轮廓分形维数显著性及相关性检验

表4. 空隙轮廓分形维数显著性及相关性检验

7. 结论

基于工业CT断层扫描技术开展了沥青混合料多层二维断面图像随粗集料颗粒级配与针片状含量变化的研究，从而分析其对沥青混合料空隙结构的影响，具体所获成果如下：

1) 采用VG Studio MAX2.2颜色标尺对空隙进行了定性的对比研究，发现空隙变化特点同表干法一致。

2) 采用平均费雷特(feret)直径表征了空隙颗粒的粒径，通过对不同沥青混合料的横断面空隙粒径进行了统计分析发现，空隙粒径分布受粗集料级配和针片状含量影响显著。

3) 多数沥青混合料空隙轮廓分形维数受粗集料级配和针片状含量影响不显著，但是却随粗集料级配和针片状的变化呈现线性相关趋势。

4) 同时通过设定灰度阈值进行了沥青混合料空隙率的计算，结果表明扫描空隙率大于实测空隙率。

5) 以粗颗粒面积和空隙面积的比值构建了面积比值参数，该参数能清楚表征沥青混合料中粗集料和空隙的比例关系。

文章引用

孙维刚,纪 伦,张 磊,李 俊,刘海权,贺文栋. 粗集料对沥青混合料空隙结构影响分析
Analysis of the Void Structure Characteristics Affected by Coarse Aggregate in Asphalt Concrete[J]. 交通技术, 2018, 07(02): 112-121. https://doi.org/10.12677/OJTT.2018.72014

参考文献