吳文亮，王端宜，張肖寧，李智

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州，510640)

瀝青混合料作為一種具有流變特性的多尺度不規(guī)則粒子堆積在一起的復(fù)合材料，空隙在其中起著重要的作用[1-3]。目前采用的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法中只有VV，VCA和VMA等參數(shù)，這些參數(shù)只能從宏觀上描述瀝青混合料的整體特征，不能從微觀(細(xì)觀)上反映混合料內(nèi)部空隙的分布情況，而空隙的微觀分布直接影響路面的使用性能。工業(yè) CT(Industrial computerized tomography)是一種無損檢測(NDT)和無損評(píng)價(jià)(NDE)技術(shù)，它能在無損條件下對(duì)各類工業(yè)材料或產(chǎn)品等進(jìn)行檢測，最終以計(jì)算機(jī)數(shù)字化的斷層圖像形式顯示被測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料組成及缺陷狀況等情況[4-5]。應(yīng)用工業(yè)CT對(duì)瀝青混合料三維體積結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別與分析，是瀝青混合料研究領(lǐng)域的一大進(jìn)步。Masad等[6-9]較早開展了CT技術(shù)用于瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)的研究，采用CT技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了混合料試件內(nèi)部空隙在不同深度的分布情況，并用Weibull模型進(jìn)行了描述。Wang等[10-11]采用CT技術(shù)和體視學(xué)方法研究混合料的空間體積分?jǐn)?shù)和空隙分布，并提出一些表征混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的參數(shù)。在國內(nèi)，徐科[12]對(duì)空隙面積比分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出空隙面積比平均值與用表干法測定的空隙率非常接近的結(jié)論；裴建中等[13]采用CT對(duì)多孔瀝青混合料空隙的分布特性進(jìn)行了研究。以上研究大多針對(duì)斷層圖像中的面空隙，而不是反映空隙真實(shí)狀態(tài)的體空隙；另外，受圖像獲取條件的限制，所得到的斷層圖像數(shù)量偏少。為此，本文作者采用高精度工業(yè)CT獲取大量斷層圖像，首先對(duì)體空隙進(jìn)行研究，掌握其分布特性；而后對(duì)不同成型方法、路面不同層位取芯試件中的面空隙沿深度方向的分布情況進(jìn)行研究。

1 工業(yè)CT簡介

工業(yè)CT是借助計(jì)算機(jī)將X線斷層掃描裝置掃描的斷面再現(xiàn)出來的一種全新成像技術(shù)，可以無損地檢測非透明物體的組成結(jié)構(gòu)。在射線穿透物質(zhì)的過程中，其強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系衰減。物質(zhì)的密度是由物質(zhì)對(duì)射線的衰減系數(shù)來體現(xiàn)的，不同物質(zhì)對(duì)射線的吸收系數(shù)不同。

CT的定量描述是CT 數(shù)。Hounsfield將空氣和水的CT數(shù)分別定義為0和1 000，所以，被檢測物體對(duì)射線的吸收系數(shù)與CT 數(shù)nCT之間的換算關(guān)系為[14]：

式中：μ為被測物體對(duì)射線的吸收系數(shù)；μw為水對(duì)射線的吸收系數(shù)。

利用正比于CT數(shù)nCT的亮度成像，即可得到完整的 CT圖像。本文采用德國 YXLON公司生產(chǎn)的Compact-225型高精度工業(yè)CT產(chǎn)品，其性能指標(biāo)見表1。掃描得到的瀝青混合料試件如圖1所示。

圖1 瀝青混合料試件圖像Fig.1 Images of asphalt mixture specimen

2 空隙的三維分布特性

利用馬歇爾擊實(shí)儀成型級(jí)配為AC-13C的瀝青混合料試件。集料采用廣東增城花崗巖，礦粉采用廣東云浮石灰?guī)r礦粉，瀝青為中油70號(hào)瀝青。級(jí)配如表2所示。

成型的AC-13C試件參數(shù)如表3所示。對(duì)成型后的試件進(jìn)行CT掃描，層間距為0.1 mm，獲得斷層圖像635幅，導(dǎo)入VGStudio MAX 2.0中進(jìn)行三維圖像重建。選擇試件為研究區(qū)域，并消除外部陰影的影響，通過反復(fù)試算確定分割空隙的閾值T1[15]后，提取出其中灰度介于0和T1之間的部分，如圖2所示。對(duì)提取出的每個(gè)空隙的體積參數(shù)進(jìn)行測量，空隙數(shù)量為4 901個(gè)，輸出結(jié)果如表4所示。

從表4可見：統(tǒng)計(jì)測量到的4 901個(gè)空隙，最大空隙體積為177.17 mm3，最小的空隙為0.01 mm3。體積大于10.00 mm3的空隙共計(jì)52個(gè)，占總量的1.06%，其頻率分布直方圖如圖3所示。

表1 Compact-225型工業(yè)CT產(chǎn)品性能指標(biāo)Table 1 Industrial CT performance of Compact-225

表2 AC-13C瀝青混合料級(jí)配Table 2 Gradation of AC-13C

表3 AC-13C試件參數(shù)Table 3 Volumetric parameter of AC-13C specimen

表4 空隙的測量結(jié)果Table 4 Measurement results of air voids

圖2 空隙的三維圖像Fig.2 3D image of air voids

體積介于1～10 mm3的空隙共計(jì)433個(gè)，占總量的8.83%，其頻率分布直方圖如圖4所示。體積小于1 mm3的空隙共計(jì)4 416個(gè)，占總量的90.1%?？梢姡夯旌狭蟽?nèi)部大部分空隙為體積小于 1 mm3的微小空隙。

圖3 體積大于10 mm3的空隙分布頻率直方圖Fig.3 Histogram of air voids’ volume larger than 10 mm3

圖4 體積介于1～10 mm3的空隙分布頻率直方圖Fig.4 Histogram of air voids’ volume between 1 mm3 and 10 mm3

3 空隙的平面分布特性

利用工業(yè)CT掃描獲得瀝青混合料試件的連續(xù)截面，若不進(jìn)行三維重建，而只分析連續(xù)截面的幾何信息，則這種方法實(shí)質(zhì)上是一種偽三維的分析方法。圖5所示為1幅提取空隙并進(jìn)行了二值化的空隙圖像。

圖5 空隙圖像Fig.5 Image of air voids

選取試驗(yàn)室成型的馬歇爾擊實(shí)試件和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，仍采用表1所示的AC-13C級(jí)配以及路面取芯的上、中、下面層試件進(jìn)行CT掃描，各試件的參數(shù)如表5所示。由于缺少施工中數(shù)據(jù)，因而無法測定路面取芯試件的空隙率進(jìn)行對(duì)比。

表5 各試件的參數(shù)Table 5 Parameter of each specimen

將斷層圖像中的空隙面積與截面面積的比值定義為面空隙率，對(duì)面空隙率的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表6所示。從表6可知：空隙分布波動(dòng)均較大，路面取芯的面空隙率變異系數(shù)比室內(nèi)成型試件的高；比較馬歇爾擊實(shí)成型和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型 2種室內(nèi)成型方法，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的面空隙率變異系數(shù)比馬歇爾擊實(shí)成型試件的小。另外，CT掃描的馬歇爾擊實(shí)試件和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的面空隙率平均值均小于實(shí)測的空隙率(分別小 0.97%和 0.58%)。各類試件的面空隙率與試件深度的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出：

(1) 馬歇爾擊實(shí)成型的試件，空隙沿試件深度方向不斷變化，呈先減小后增大的漸變過程，面空隙率最小值在試件深度的1/2處，空隙分布不均勻；若以試件中央位置為軸，則兩側(cè)的面空隙率基本對(duì)稱。

表6 空隙分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistic result of air voids distribution

圖6 空隙的分布特性Fig.6 Distribution characteristics of air voids

(2) 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件，兩端的面空隙率較大，中間部分較小，且中間部分的面空隙率變異性很小，這部分空隙沿試件深度方向分布很均勻。如圖6(b)所示，該試件在30～105 mm高度范圍內(nèi)的面空隙率都介于2.8%～3.5%，從圖上看近似呈一條直線。

(3) 比較馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件中面空隙率變異性較小，即該成型方法能獲得較均勻的空隙分布。這是由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)能對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生一定的搓揉、振夯作用，集料會(huì)發(fā)生重新排列，從而產(chǎn)生較均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；而馬歇爾擊實(shí)僅為豎向的擊實(shí)作用，沒有搓揉作用，故內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻程度較差。

(4) 上、中、下面層取芯的試件，三者的面空隙率變化趨勢基本相同：面空隙率最大值都出現(xiàn)在試件頂端；隨著深度增大，面空隙率不斷減小，中、上面層的面空隙率最小值出現(xiàn)在深度的 2/3～3/4處，下面層出現(xiàn)在1/2處，而后均為面空隙率逐漸增大。 另外，比較上、中、下面層試件可知：隨著最大公稱粒徑的增大，面空隙率變異性也逐漸增大。

4 結(jié)論

(1) 利用工業(yè) CT能夠識(shí)別瀝青混合料內(nèi)部的各空隙體積參數(shù)，為瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究提供了一種新方法。

(2) 統(tǒng)計(jì)各空隙的三維體積參數(shù)，最大空隙體積為177.17 mm3，最小空隙體積為0.01 mm3。體積大于10 mm3的空隙占總量的1.06%；體積介于1～10 mm3的空隙占總量的8.83%；體積小于1 mm3的空隙占總量的 90.1%；混合料內(nèi)部大部分的空隙為體積小于1 mm3的微小空隙。

(3) 馬歇爾成型的試件，其面空隙率沿試件深度方向不斷變化，分布不均勻；對(duì)于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件，30～105 mm高度范圍內(nèi)的面空隙率分布較均勻；對(duì)于上、中、下面層取芯的試件，三者的面空隙率變化趨勢基本相同，面空隙率最大值都出現(xiàn)在試件頂端；隨著最大公稱粒徑的增大，面空隙率變異性也逐漸增大。

[1] 張肖寧, 尹應(yīng)梅, 鄒桂蓮. 不同空隙率瀝青混合料的粘彈性能[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2010, 23(4): 1-7.ZHANG Xiao-ning, YIN Ying-mei, ZOU Gui-lian. Viscoelastic performance of asphalt mixture with different void contents[J].China Journal of Highway and Transport, 2010, 23(4): 1-7.

[2] 顏強(qiáng), 黃彭. 瀝青混合料空隙的分形特性[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 32(1): 43-48.YAN Qiang, HUANG Peng. Fractal characteristic of asphalt mixture void[J]. Journal of Tongji University, 2004, 32(1):43-48.

[3] 吳曠懷, 張肖寧. 相同條件下大樣本瀝青混合料的疲勞性能[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 35(7): 31-36.WU Kuang-huai, ZHANG Xiao-ning. Fatigue properties of large-sample asphalt mixture under the same conditions[J].Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2007, 35(7): 31-36.

[4] 虞將苗, 李曉軍, 王端宜, 等. 基于計(jì)算機(jī)層析識(shí)別的瀝青混合料有限元模型[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 26(1):16-19.YU Jiang-miao, LI Xiao-jun, WANG Duan-yi, et al. Finite element modeling of asphalt mix with X-ray computerized tomograph processing[J]. Journal of Chang’an University:Natural Science Edition, 2006, 26(1): 16-19.

[5] Taniguchi S, Nishizaki I, Moriyoshi A. A study of longitudinal cracking in asphalt pavement using CT scanner[J]. Road Materials and Pavement Design, 2008, 9(3): 549-558.

[6] Masad E, Muhunthan B, Shashidhar N, et al. Internal structure characterization asphalt concrete using image analysis[J].Journal of Computing in Civil Engineering, 1999, 13(2): 88-96.

[7] Tashman L, Masad E. X-ray tomography to characterize air void distribution in superpave gyratory compacted specimens[J]. The International Journal of Pavement Engineering, 2002, 3(1):19-28.

[8] Mahmoud E, Masad E. Experimental methods for the evaluation of aggregate resistance to polishing, abrasion, and breakage[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2007, 19(1): 977-985.

[9] Masad E, Al Omari A, Chen H C. Computations of permeability tensor coefficients and anisotropy of asphalt concrete based on microstructure simulation of fluid flow[J]. Computational Materials Science, 2007, 40(4): 449-459.

[10] Wang L B, Wang X, Mohammad L, et al. Application of mixture theory in the evaluation of mechanical properties of asphalt concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2004,16(2): 167-174.

[11] Fu Y R, Wang L B, Tumay M T, et al. Quantification and simulation of particle kinematics and local strain in granular materials using X-ray tomography imaging and discrete-element method[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2008, 134(2):143-154.

[12] 徐科. 用于瀝青混合料的數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用研究[D].廣州: 華南理工大學(xué)交通學(xué)院, 2006: 51-55.XU Ke. Study and application of digital image processing technique on asphalt mixture[D]. Guangzhou: South China University of Technology. College of Traffic and Communication, 2006: 51-55.

[13] 裴建中, 張嘉林, 常明豐. 礦料級(jí)配對(duì)多孔瀝青混合料空隙分布特性的影響[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2010, 23(1): 1-6.PEI Jian-zhong, ZHANG Jia-lin, CHANG Ming-feng. Influence of mineral aggregate gradation on air void distribution characteristic of porous asphalt mixture[J]. China Journal of Highway and Transport, 2010, 23(1): 1-6.

[14] 戚永樂, 彭剛, 柏巍, 等. 基于 CT技術(shù)的混凝土三維有限元模型構(gòu)建[J]. 混凝土, 2008(5): 26-29.QI Yong-le, PENG Gang, BAI Wei, et al. Finite element 3D modeling of concrete based on computerized tomography[J].Concrete, 2008(5): 26-29.

[15] 李曉軍, 張金夫, 劉凱年, 等. 基于 CT圖像處理技術(shù)的巖土材料有限元模型[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(8): 1331-1334.LI Xiao-jun, ZHANG Jin-fu, LIU Kai-nian, et al. Finite element modeling of geomaterial using digital image processing and computerized tomography identification[J]. Roch and Soil Mechanics, 2006, 27(8): 1331-1334.