基于工業(yè)CT排水性瀝青混合料空隙分布特征研究

陳立春

(吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春　130012)

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基于工業(yè)CT排水性瀝青混合料空隙分布特征研究

陳立春

(吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春130012)

[摘要]目前空隙率的測量實際上僅僅是一個平均的概念，并不能確定空隙的分布特征，以及空隙的組成，基于工業(yè)CT從排水性瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征角度入手，對不同級配排水性瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布特征進(jìn)行了研究。從本質(zhì)上揭示了大空隙瀝青混合料排水特性的決定因素，研究結(jié)果可為完善空隙率對排水性瀝青路面排水性能的影響機(jī)理以及合理的運(yùn)用排水性瀝青混合料提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]路面工程； 工業(yè)CT； 排水性瀝青混合料； 空隙分布特征

0前言

排水路面從1930年美國俄勒岡州的萌芽，到今天全世界的普遍認(rèn)可和推廣。在歷史發(fā)展的進(jìn)程中為了克服其在使用過程中的缺點，主要是材料選擇和配合比設(shè)計的演變，空隙率從12%提升到20%，厚度從2 cm左右提升到5 cm，結(jié)合料從普通瀝青發(fā)展到高粘度改性瀝青，可以想象，這樣的發(fā)展趨勢將繼續(xù)下去[1-4]。從宏觀上看，瀝青混合料是集料、瀝青和空氣所組成的三相體系，經(jīng)壓實后形成由集料、瀝青膠結(jié)料和殘余空隙率組成的一種具有空間網(wǎng)絡(luò)的多相體系，排水性瀝青混合料的主要缺點之一是由于其多孔的結(jié)構(gòu)特性，使得混合料疲勞特性和耐久性較差[5-7]，空隙率作為排水性瀝青路面級配組成的外在變現(xiàn)形式，勢必會排水性瀝青路面的強(qiáng)度以及耐久性產(chǎn)生巨大影響。

目前國內(nèi)均開展了排水性瀝青混合料配合比設(shè)計方法、多孔瀝青路面力學(xué)特性與空隙衰變行為、多孔瀝青混合料排水性能數(shù)值模擬以及力學(xué)相應(yīng)等方面研究，但以上研究均偏向于宏觀試驗，很少從微觀角度揭示空隙率大小、空隙率分布特征、空級配組成對排水性瀝青混合料力學(xué)性能及排水性能的影響，基于此本文通過圖像處理軟件，對多空隙瀝青混合料的空隙分布規(guī)律進(jìn)行了研究[8-13]，并提出了空隙級配、平均孔徑等概念，揭示了多空隙瀝青路面排水特性的內(nèi)在原因。研究結(jié)果對確定排水性瀝青路面合理空隙率范圍、確保排水性瀝青路面排水性能的發(fā)揮等具有重要的現(xiàn)實意義。

1排水性瀝青混合料空隙三維計算

1.1排水性瀝青混合料配合比設(shè)計

本研究使用的Y.CT Precision系列工業(yè)CT平臺推薦配置的三維可視化軟件為Volume Graphics公司的大型商務(wù)軟件VGStudio MAX 2.1，試驗選擇目標(biāo)空隙率為16%、18%、20%、22%、24%、26%共6種OGFC-13混合料，集料采用玄武巖，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，瀝青為TTP高粘改性瀝青。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》附錄D試驗內(nèi)容確定最佳瀝青用量，并實測馬歇爾試件空隙率。具體混合料級配見表1，配合比設(shè)計結(jié)果見表2。

表1 OGFC-13混合料合成級配Table1 OGFC-13synthesismixturegradation級配通過下列篩孔尺寸(mm)的百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075規(guī)范級配上限100 100 80 30 22 18 15 12 8 6 下限100 9060 12 10 6 4 3 3 5.0級配1100.09576.327.618.613.510.58.26.84.7級配2100.09575.226.317.212.89.97.86.44.6級配3100.09570.323.415.711.69.27.46.44.6級配4100.09565.720.313.310.08.76.86.04.2級配51009564.917.610.68.77.56.65.63.8級配61009562.315.18.87.56.96.45.43.2

表2 OGFC-13混合料配合比設(shè)計結(jié)果Table2 OGFC-13mixtureratiodesignresults合成級配最佳油石比/%實際VV/%VMA/%MS/kNFL/mm級配14.5715.7324.58.322.91級配24.4317.8425.97.562.90級配34.3820.1127.86.992.98級配44.3022.2329.56.543.12級配54.2124.1031.16.073.28級配64.1025.9832.95.343.45

1.2排水性瀝青混合料三維空隙測算

在最佳瀝青用量條件下雙面各50次成型馬歇爾試件，待試件冷卻后對試件進(jìn)行CT掃描，掃描參數(shù)見表3。層間間隔為0.1 mm，一個標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件可獲得斷層圖像635幅。

具體操作時將CT圖像導(dǎo)入VGStudio MAX 2.1中進(jìn)行三維圖像重建，選擇VGStudio MAX 2.1軟件中的缺陷檢測功能，設(shè)置最大、最小缺陷尺寸，本文最大缺陷尺寸設(shè)置為10 000 mm3最小缺陷尺寸為0 mm3，輸出的計算結(jié)果見圖1。

表3 CT掃描參數(shù)Table3 CTscanparameters掃描電壓/kV掃描電流/A掃描時間/min像素尺寸最小對比度飽和度/%濾波片厚度/mm2100.5251024×1024398767AL:0.1

圖1　實測空隙率與CT測算空隙率之間的回歸關(guān)系Figure 1　The relationship between measured void 　and estimates void

由圖1可知：CT實測空隙率與體積法實測空隙率之間具有較好的線性相關(guān)性(R2>0.99)，CT實測空隙率約為體積法實測空隙率的90%，可滿足小于20%的實驗誤差要求[14-16]。分析其原因主要是，CT測算得到的空隙率只包含馬歇爾試件內(nèi)部的總空隙率，而體積法計算得到的空隙率不僅包含試件內(nèi)部的空隙體積，還包括試件表那部分空隙，此外，從計算的excel表單可清晰看到輸出的計算結(jié)果有少量空隙的體積統(tǒng)計結(jié)果為 0 mm3，由于工業(yè)CT的精度原因?qū)е逻@部分空隙可能無法識別。

2不同級配排水性瀝青路面空隙分布特征

目前空隙率的測量實際上僅僅是一個平均的概念，并不能確定空隙的分布特征[17]。本文結(jié)合工業(yè)CT的無損檢測技術(shù)以及VG軟件的三維重構(gòu)功能，對排水性瀝青路面空隙的三維形態(tài)特征進(jìn)行以下5方面分析：

2.1排水性瀝青混合料空隙的分布規(guī)律

試驗采用表1所示的合成級配，在最佳瀝青用量下雙面各50次成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，待試件冷卻后按表3所示的掃描參數(shù)間隔0.1 mm獲取馬歇爾試件的CT圖像信息，按流程圖對掃描結(jié)果進(jìn)行三維重構(gòu)，進(jìn)而計算出不同級配排水性瀝青混合料內(nèi)部的每個空隙的物理指標(biāo)，部分掃描結(jié)果見表4。

表4 排水性瀝青混合料三維空隙測算結(jié)果Table4 Three-dimensionalofvoidscalculationresultsAnalysisProbabilityVolume[mm3]VoxelPosXPosYPosZSurface[mm2]1207.021002.9563529517409229601.102192.632000.8912891577577195871.953164.854770.7725159377851611898.983157.842581.5613303681125395156.924146.052238.392368862740317144.185139.151340.639030331253381938.46138.743682.54200783516372711319.657138.522020.2213710563544251568.64…………………………………………4535142.644234.5334563476891734.84

由計算結(jié)果可知：

① 試件在7～9層之間空隙率取得最小值，從第9層位開始空隙率有較大幅度增長，第8層空隙率約為最底層空隙率的70%～75%。從圖2中可以看出：隨著實測空隙率的增大多，空隙率大小延試件高度的變化速率變得越加劇烈。

② 空隙率由兩端向試件中間逐漸減小的趨勢，呈“V”形分布，且空隙率越大，“V”形表現(xiàn)越明顯。對于目標(biāo)空隙率為16%的馬歇爾試件，試件中部的空隙率只有11%，遠(yuǎn)小于設(shè)計空隙率，當(dāng)目標(biāo)空隙率大于等于20%后，試件中部7～9 cm部分的空隙率基本穩(wěn)定，均可達(dá)到16%以上。

圖2　排水性瀝青混合料空隙率延試件高度分布狀況Figure 2　Porous asphalt mixture void distribution of 　specimen height extension

2.2空隙數(shù)量變化規(guī)律

排水性瀝青路面在實際運(yùn)用過程中，由于存在路面橫坡，水的滲流路徑主要包括豎向滲流和橫向滲流。其中橫向滲流多取決于橫向空隙的連通程度，單位面積內(nèi)空隙數(shù)量越多，空隙的連通程度越發(fā)達(dá)，排水越順暢?；诖吮疚挠窒妊芯苛笋R歇爾試件數(shù)量與空隙率大小之間的關(guān)系。為了減小成型試件過程中的人為因素干擾，本文所指的空隙數(shù)量只包含了馬歇爾試件中間6 cm部分的二維空隙數(shù)量之和。根據(jù)計算輸出的excel表單對不同級配OGFC-13混合料馬歇爾試件空隙數(shù)量進(jìn)行匯總，進(jìn)而回歸出實測空隙率與總空隙數(shù)量之間的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3　實測空隙率與總空隙數(shù)量之間的關(guān)系Figure 3　The relationship between measured void 　and the total number of voids

圖3回歸結(jié)果可知：隨著空隙率增大，OGFC-13馬歇爾試件內(nèi)部總空隙數(shù)量減少，空隙率由15.73%增大到25.98%，馬歇爾試件總空隙數(shù)量減小了57%，因此增大空隙率導(dǎo)致馬歇爾試件二維圖像中的空隙數(shù)量減小，體積法計算得到的空隙率與CT測算的空隙數(shù)量之間具有較好的指數(shù)關(guān)系；在相同的平面尺寸內(nèi)，空隙率增大而空隙數(shù)量減小，這將增大二維平面內(nèi)連通空隙的相對比例，對排水性瀝青路面排水功能的發(fā)揮有利，從轉(zhuǎn)折點變化規(guī)律來看，為保證OGFC混合料具有較好的排水性能，其設(shè)計空隙率不宜小于20%。

2.3空級配變化規(guī)律

所謂的空隙級配是指混合料中不同體積大小的空隙所占的相對比例。荷載作用下隨著混合料骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，其空隙結(jié)構(gòu)及其分布都會受到影響，空隙級配也將發(fā)生變化。本文將空隙分為不同的區(qū)間，并通過CT數(shù)據(jù)分析不同級配類型OGFC-13混合料在空隙區(qū)間上的分布，進(jìn)而探討其與排水特性的關(guān)系。不同空隙大小的OGFC混合料空級配變化規(guī)律見表5。

表5 不同空隙率大小排水性瀝青混合料孔級配Table5 Thevoidgradingofporousasphaltmixture試驗級配占總空隙數(shù)量百分比/%V>10050

從表5中可以看出：

① 不同級配類型的OGFC混合料有著不同的空隙分布規(guī)律。對于GP1和級配2(目標(biāo)空隙率分別為18%和20%)5

② 空隙率由16%增大到26%，V>100 mm3的相對比例由4.12%增大到22.97%，V<10 mm3的相對比例由19.95%減小到3.33%。此外，增大空隙率馬歇爾試件內(nèi)部的最大空隙體積增大，且二者具有較好的線性關(guān)系(見圖4)。

圖4　實測空隙率與最大空隙體積之間的關(guān)系Figure 4　Relationship between measured void and 　the maximum void volume

2.4平均孔徑變化規(guī)律

所謂的平均孔徑是指馬歇爾試件內(nèi)部所有空隙的平均當(dāng)量球直徑，是一個等效或平均的概念。對不同空隙率大小的OGFC-13混合料進(jìn)行CT掃描，采用VG軟件進(jìn)行三維重構(gòu)后計算馬歇爾試件內(nèi)部的空隙分布狀況，進(jìn)而得到不同級配類型的排水性混合料平均孔徑隨空隙率的變化規(guī)律?；貧w結(jié)果見圖5。

圖5　排水性瀝青混合料平均孔徑變化規(guī)律Figure 5　Pourous asphalt mixture average void 　diameter variation

回歸結(jié)果表明，OGFC混合料內(nèi)部的平均空隙直徑隨著空隙率的增大而增大，且二者具有較好的二次相關(guān)性，大約在22%空隙率出平均孔徑產(chǎn)生突變。平均孔徑的增大，意味著路面排水能力的提高，這與增大空隙率，OGFC混合料室內(nèi)滲水試驗滲水系數(shù)增大較吻合，但值得注意的平均孔徑的增大也會導(dǎo)致排水性瀝青路面抗老化耐久性下降，從耐久性考慮，排水性瀝青混合料的空隙率不宜超高22%。

3排水性瀝青路面排水性能

3.1空隙率與滲水系數(shù)之間的關(guān)系

排水性瀝青路面可有效降低道路表面積水引起的雨霧、濺水及眩光，以及交通噪聲等，可以說排水性瀝青路面達(dá)到了現(xiàn)有瀝青路面技術(shù)中的“頂端路用性能”(ultimate performance)[16-19]，空隙率是影響排水性瀝青路面透水性的主要因素。本節(jié)對多空隙瀝青混合料進(jìn)行了透水系數(shù)的測定，并對空隙率與透水性進(jìn)行了分析研究，得出空隙率與透水性之間的關(guān)系(見圖6)。

圖6　滲水系數(shù)與空隙率之間的關(guān)系Figure 11　The relationship between permeability and void

試驗結(jié)果表明，滲水系數(shù)與空隙率呈良好的線性關(guān)系，且滲水系數(shù)隨著空隙率的增加呈增長的趨勢，對于OGFC瀝青混合料滲水系數(shù)一般要求不小于900 mL/15 s，因此為保證良好的透水性能，空隙率宜控制在18%以上。

3.2細(xì)微觀空隙分布特征與滲水系數(shù)之間的關(guān)系

根據(jù)VG軟件的輸出結(jié)果進(jìn)一步可建立排水性瀝青路面細(xì)微管空隙分布特征與滲水系數(shù)之間的關(guān)系，見圖7，回歸結(jié)果表明滲水系數(shù)與最大空隙體積[20]、平均孔徑之間均具有較好的線性回歸關(guān)系。

圖7　細(xì)微觀空隙分布特征與排水性能之間的關(guān)系Figure 12　Relationship between the drainage performance 　and void subtle concept distribution

4結(jié)論

① CT實測空隙率與體積法實測空隙率之間具有較好的線性相關(guān)性(R2>0.99)，CT實測空隙率約為體積法實測空隙率的90%，可滿足小于20%的實驗誤差要求。將工業(yè)CT的無損檢測技術(shù)與VG軟件的缺陷檢測功能運(yùn)用于排水性瀝青混合料細(xì)微觀結(jié)構(gòu)性能研究，可獲得較好的試驗效果。

② 延馬歇爾試件高度方向，空隙率大小由兩端向試件中間逐漸減小的趨勢，呈“V”形分布，且空隙率越大，“V”形表現(xiàn)越明顯

③ 隨著空隙率增大，排水性瀝青混合料馬歇爾試件內(nèi)部總空隙數(shù)量減少，空隙率由15.73%增大到25.98%，馬歇爾試件總空隙數(shù)量減小了57%，OGFC混合料內(nèi)部的平均空隙直徑隨著空隙率的增大而增大，且二者具有較好的二次相關(guān)性，大約在22%空隙率出平均孔徑產(chǎn)生突變。

④ 綜合考慮到排水性瀝青混合料的排水性與路面結(jié)構(gòu)的耐久性，本文推薦排水性瀝青混合料的設(shè)計空隙率為18%～22%。

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Study Voids Distribution of Porous Asphalt Mixture Based on Industrial CT

CHEN Lichun

(Jilin Vocational and Technical Institute， Changchun， Jilin 130012， China)

[Abstract]The void fraction measurement in fact is just a concept of average，not sure the distribution features of the voids，and the composition of void，this article based on industrial computed tomography(CT)from the perspective of mesoscopic structure characteristics of the porous asphalt mixture，to study the the space distribution characteristic of internal drainage asphalt mixture.In essence reveals the determinants of OGFC asphalt mixture drainage characteristics，The research results to improve the gap rate affect the performance of drainage asphalt pavement drainage mechanism and reasonable use of drainage asphalt mixture.

[Key words]road engineering； industrial computed tomography(CT)； drainage asphalt mixture； void distribution characteristics

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0202-05

[作者簡介]陳立春(1973-)，男，吉林長春人，碩士，副教授，研究方向：道橋工程、施工測量。

[收稿日期]2014-10-10