基于X-ray CT的瀝青混合料空隙測(cè)試精度影響因素分析

譚憶秋，任俊達(dá)，2，紀(jì) 倫，許振宇

基于X-ray CT的瀝青混合料空隙測(cè)試精度影響因素分析

譚憶秋1，任俊達(dá)1，2，紀(jì) 倫1，許振宇1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.遼寧省交通科學(xué)研究院，110015沈陽(yáng)）

為了分析細(xì)觀尺度下瀝青混合料空隙率測(cè)試精度的影響因素，采用德國(guó)Phoenix v｜tome｜x S240型工業(yè)X-ray CT機(jī)，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方差分析，研究不同CT參數(shù)及級(jí)配類型對(duì)瀝青混合料三維重構(gòu)體積參數(shù)的影響.通過(guò)對(duì)不同級(jí)配類型馬歇爾試件掃描并進(jìn)行三維重構(gòu)與體積分析，建立影響因素與空隙率測(cè)試結(jié)果之間的關(guān)系，進(jìn)而確定最優(yōu)掃描參數(shù).試驗(yàn)結(jié)果表明，基于細(xì)觀尺度對(duì)瀝青混合料進(jìn)行三維體積分析是可行的；掃描電壓、電流及級(jí)配類型對(duì)重構(gòu)結(jié)果有不同程度的影響；適當(dāng)提高電壓、電流及選擇恰當(dāng)?shù)臑V波片可提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；在恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備參數(shù)條件下，基于細(xì)觀尺度與宏觀尺度下得到的瀝青混合料空隙率具有良好的相關(guān)性，有助于提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性.

細(xì)觀結(jié)構(gòu)；X-ray CT；瀝青混合料；三維重構(gòu)；測(cè)試精度

瀝青混合料是由瀝青、礦粉、石料、空隙等多種具有不同力學(xué)性質(zhì)、不同幾何形狀材質(zhì)組成的具有多相結(jié)構(gòu)的非各向同性材料［1］.其中細(xì)觀結(jié)構(gòu)下空隙三維分布特征是影響瀝青混合料車轍、水損害等病害的關(guān)鍵因素，是瀝青混合料研究的最熱點(diǎn)問(wèn)題之一.國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)CT掃描及圖像處理技術(shù)對(duì)空隙率的研究取得了很大的發(fā)展，Masad等［2-3］對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)（SGC）成型試件的內(nèi)部空隙進(jìn)行分析，研究表明SGC成型試件空隙分布沿高度方向呈“兩頭大，中間小”趨勢(shì).Wang L.B.等［4］提出了確定試件局部空隙率和空間梯度的方法，發(fā)現(xiàn)3種Westrack混合料的空隙率、空間梯度和混合料性能密切相關(guān).Arambula等［5］采用CT對(duì)兩種不同級(jí)配和用SGC兩種不同的壓實(shí)角度成型的試件進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)了瀝青混合料空隙率空間分布與水穩(wěn)定性的關(guān)系.Al-Omari等［6］研究了瀝青混合料的滲透性與空隙的三維分布之間的關(guān)系.Tashman等［7］開(kāi)展了瀝青混合料的裂縫分布及微觀結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)和演化仿真.吳文亮等［8-9］采用雙峰法對(duì)瀝青混合料中組成成分進(jìn)行識(shí)別，并結(jié)合斷層掃描圖片對(duì)空隙的三維及平面分布特性分別進(jìn)行了分析.基于細(xì)觀尺度下的瀝青混合料空隙率的研究逐漸成為解決當(dāng)前瀝青路面復(fù)雜行為的切入點(diǎn)和著力點(diǎn).

傳統(tǒng)的空隙率和礦料間隙率等體積參數(shù)都是由瀝青混合料試件的相對(duì)密度和最大相對(duì)密度計(jì)算得到的二次指標(biāo)，其大小直接由試件相對(duì)密度和最大相對(duì)密度決定.而確定混合料理論密度的方法主要有兩種:一是通過(guò)真空法直接測(cè)定混合料的密度；二是通過(guò)瀝青、石料等的密度按計(jì)算公式計(jì)算得到，即所謂的計(jì)算方法［10］.雖然計(jì)算方法可以較準(zhǔn)確地得出瀝青混合料的空隙值，但是這都忽略了瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)下空隙的復(fù)雜三維分布，難以揭示瀝青混合料的變形和破壞機(jī)制.

因此，本文利用工業(yè)X-ray CT，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，探究工業(yè)X-ray CT參數(shù)配置及混合料級(jí)配類型對(duì)空隙率測(cè)試精度的影響；采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變X-ray CT的掃描參數(shù)配置及瀝青混合料的級(jí)配類型，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)成型的馬歇爾試件進(jìn)行X射線掃描并三維體積重構(gòu)；利用VGStudio MAX 2.2軟件對(duì)瀝青混合料體積參數(shù)進(jìn)行分析；并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差因素分析，建立影響因素與空隙率之間的關(guān)系，以此判斷影響瀝青混合料重構(gòu)準(zhǔn)確性的因素，進(jìn)而優(yōu)化掃描試驗(yàn)參數(shù)配置，確定最佳儀器參數(shù)，為后續(xù)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究奠定基礎(chǔ).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)菲尼克斯公司（Phoenix｜X-ray）Phoenix v｜tome｜x S240型工業(yè)CT機(jī)，機(jī)器參數(shù)配置為:最大管電壓240 kV；最大管功率320 W；細(xì)節(jié)分辨能力1 μm；最大像素分辨率＜2 μm（3D）.試驗(yàn)中，沿試件高度每0.1 mm取一張圖像，每個(gè)試件共掃描1 500張圖像.

1.2 試驗(yàn)材料

本文采用的集料取自哈爾濱市阿城碎石場(chǎng)，礦粉采用吉林梨樹(shù)某地礦粉，集料性質(zhì)見(jiàn)表1；瀝青采用盤錦遼河油田90#基質(zhì)瀝青，其性質(zhì)為:針入度（100 g，5 s，25℃，）8.63 mm；延度（5 cm／min，5℃）23.1 cm；軟化點(diǎn)45.8℃.試驗(yàn)選用混合料類型分別為:AC-13、AC-16、AC-20，級(jí)配采用文獻(xiàn)15中推薦的級(jí)配范圍中值（如表2所示）；每種級(jí)配油量分別為4.8%，4.6%，4.4%；馬歇爾試件拌和溫度為150℃，擊實(shí)溫度為150℃，雙面擊實(shí)75次成型.

表1 集料性能檢測(cè)結(jié)果

表2 瀝青混合料礦料級(jí)配組成

依照文獻(xiàn)［11］成型制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，每組級(jí)配設(shè)置3個(gè)平行件，經(jīng)計(jì)算得到3種不同級(jí)配試件的空隙率分別為VV13=4.4%，VV16=4.5%，VV20=4.7%．

2 X-ray掃描體積組成識(shí)別與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)方案

為探究X-ray CT機(jī)參數(shù)配置及混合料級(jí)配類型對(duì)空隙率測(cè)試精度的影響，本文采取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［12］.試驗(yàn)采用三因素三水平（見(jiàn)表3），3個(gè)試驗(yàn)因素分別為:電壓／電流大小；混合料級(jí)配類型；濾波片種類，分析指標(biāo)為空隙率.試驗(yàn)中分別按表4所示的正交設(shè)計(jì)，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，對(duì)馬歇爾試件進(jìn)行X射線掃描，其中，表4中A、B、C分別代表試驗(yàn)因素電壓／電流值、濾波片種類、級(jí)配類型.

表3 試驗(yàn)因素水平表

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2 三維圖像重構(gòu)及處理

掃描結(jié)束后，利用datos｜x reconstruction對(duì)掃描后的二維圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到馬歇爾試件的三維數(shù)字圖像如圖1所示，該圖像由集料顆粒、瀝青膠漿、空隙以及掃描形成的空間背景等4種差異性物質(zhì)組成，根據(jù)密度差異性對(duì)瀝青混合料中集料、瀝青膠漿、空隙進(jìn)行區(qū)分.圖2為馬歇爾試件的三維空隙分布情況.

掃描后的圖像的灰度直方圖如圖3所示.由左向右逐漸增大并呈三峰分布.背景和空隙是左邊的峰，分布相對(duì)集中且容易區(qū)分，瀝青膠漿與集料的灰度分布呈現(xiàn)兩峰一谷形式［13］.采用雙峰法［14］，確定區(qū)分空隙與瀝青膠漿的閾值T1及區(qū)分瀝青膠漿和集料的閾值T2，由于集料和瀝青膠漿的密度差別較小，導(dǎo)致瀝青膠漿和粗集料的峰值邊界不是很明顯，初步確定膠漿和集料的閾值后，采用反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整分割閾值，得到三值化圖如圖4所示.以兩類間方差大小自適應(yīng)確定閾值［15］，利用VGStudio MAX 2.2軟件分別識(shí)別出馬歇爾試件內(nèi)部的集料、瀝青膠漿、空隙的體積大小，分別計(jì)算每組正交試驗(yàn)下的馬歇爾試件的空隙率，結(jié)果計(jì)入表4.

圖1 馬歇爾試件三維掃描圖像

圖2 瀝青混合料三維空隙分布

圖3 灰度直方圖

圖4 瀝青混合料三值化圖像

2.3 試驗(yàn)極差分析

極差分析法又稱直觀分析法［16］，通過(guò)極差分析可以判斷出影響因素的主次、最優(yōu)水平以及試驗(yàn)過(guò)程中的最佳試驗(yàn)方案組合.

分別計(jì)算表4中每一列上水平號(hào)為i所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和Ki，每一列上水平號(hào)為i的試驗(yàn)結(jié)果算術(shù)平均值ki，每一列的極差R=max｛k1，k2，k3｝-min｛k1，k2，k3｝，Rj反映了第j列因素的水平變動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度．Rj越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大．從表4中可知，每一列極差分別為RA=5.06，RB=2.85，RC=2.93，RA＞RC＞RB，則各因素從主到次的順序?yàn)?電壓／電流值，濾波片種類，級(jí)配類型．分別將因素水平為橫坐標(biāo)，以試驗(yàn)指標(biāo)平均值ki為縱坐標(biāo)，畫出試驗(yàn)因素與指標(biāo)的趨勢(shì)，如圖5所示．

可見(jiàn)，測(cè)試的瀝青混合料的空隙率隨著掃描電壓／電流值的升高，空隙率降低，更加接近計(jì)算空隙率；隨著級(jí)配類型的變化，瀝青混合料的公稱最大粒徑變大，測(cè)得的空隙率與計(jì)算空隙率的偏離越大；當(dāng)加載在X射線出口處的濾波片變化時(shí)，隨著濾波片種類及厚度的不同，測(cè)試空隙率的大小也隨之變化.

將同一級(jí)配馬歇爾試件的計(jì)算空隙率與實(shí)測(cè)的空隙率相比較，如圖6所示，其中圖6（a）、6（b）、6（c）分別為不同級(jí)配類型下的計(jì)算空隙率與實(shí)測(cè)空隙率比較圖.可以看出，3種級(jí)配下與計(jì)算空隙率相差最小的試驗(yàn)編號(hào)分別為7#、8#、6#.分別截取掃描中的斷層圖像，如圖7所示.

圖5 試驗(yàn)因素與空隙率趨勢(shì)圖

圖6 空隙率對(duì)比圖

圖7為試驗(yàn)掃描斷層圖像，對(duì)于同一種級(jí)配，掃描電壓、電流越高，其重構(gòu)后實(shí)測(cè)的空隙率越接近于計(jì)算空隙率.電壓、電流值增大，工業(yè)CT成像精度越高，重構(gòu)后的三維圖像更加真實(shí)準(zhǔn)確，圖像噪聲點(diǎn)少，圖7（b）、7（e）對(duì)比，更接近于真實(shí)試件存在狀態(tài)；細(xì)觀尺度下實(shí)測(cè)空隙率與馬歇爾方法下計(jì)算空隙率偏差較小，兩者的相關(guān)性較好.

隨著級(jí)配類型的變化，瀝青混合料的公稱最大粒徑逐漸變大，掃描成像的過(guò)程中，需要更高能量的X射線才能對(duì)其進(jìn)行穿透.而當(dāng)電壓、電流過(guò)低時(shí)，或者濾波片的吸收能量作用比較強(qiáng)時(shí)，透過(guò)瀝青混合料試件的射線能量較低，成像后的圖像噪聲點(diǎn)較多，在進(jìn)行三維重構(gòu)空隙識(shí)別時(shí)，會(huì)將噪聲點(diǎn)誤識(shí)別為空隙，使得所測(cè)的空隙體積偏大.因此，隨著公稱最大粒徑的增大，在對(duì)試件進(jìn)行掃描的過(guò)程中，要增大電壓、電流值，選用合適的濾波片，抑制噪聲點(diǎn)的出現(xiàn)，從而提高測(cè)試精度.

圖7 試驗(yàn)掃描斷層圖像

加在X射線放射口的濾波片的作用是減少低能射線部分所占的比例，防止發(fā)生射束硬化產(chǎn)生環(huán)狀偽影.由圖5中載玻片種類與空隙率關(guān)系可以看出，當(dāng)采用兩張銅片疊加組合時(shí)，所測(cè)得空隙率與實(shí)際情況具有較好的相關(guān)性，與馬歇爾試驗(yàn)下的結(jié)果相符；而當(dāng)采用銅、錫濾波片時(shí)，測(cè)得空隙率偏差較大，原因是錫的吸能效果較銅片高很多，使透射試件的射線能量降低，產(chǎn)生較多的噪聲點(diǎn)，在計(jì)算過(guò)程中同樣會(huì)出現(xiàn)誤差.

2#、3#試驗(yàn)結(jié)果的空隙率偏差最大，這是由于電壓、電流偏低，且濾波片的吸能比較強(qiáng)，導(dǎo)致掃描后的灰度圖像并沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的兩個(gè)波峰的形狀，在計(jì)算空隙體積時(shí)，在確定空隙與瀝青混合料閾值時(shí)出現(xiàn)誤差.如圖8、9所示.而結(jié)果偏差最小的8#試驗(yàn)的灰度圖像如圖10所示，可以看出，灰度圖像具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，可以較好地區(qū)分出瀝青混合料與空隙的閾值，其掃描圖像噪聲點(diǎn)少，如圖7（b）所示，圖像清晰，因而計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確.

2.4 試驗(yàn)方差分析

方差分析，又稱變異數(shù)分析或F檢驗(yàn)，通過(guò)分析研究不同來(lái)源的變異對(duì)總變異的貢獻(xiàn)大小，從而確定可控因素對(duì)研究結(jié)果影響力的大?。?/p>

圖8 2#試驗(yàn)圖像灰度圖

圖9 3#試驗(yàn)圖像灰度圖

圖10 8#試驗(yàn)圖像灰圖

分別計(jì)算總離差平方和SST、各因素引起的離差平方和SSj、試驗(yàn)誤差的平方和SSe、自由度dfj、平均離差平方和MSj、以及F值，分列于表5中．其中，誤差分別為SSe=8.104 1；dfe=2；MSe=4.052．查得臨界值表F0.05（2，2）=6.94，由表5可知，F(xiàn)A= 7.181，F(xiàn)A＞F0.05（2，2），說(shuō)明電壓／電流值對(duì)試件掃描重構(gòu)后的準(zhǔn)確度具有顯著的影響，而級(jí)配類型與濾波片的影響較電壓／電流的影響小．表4中試驗(yàn)8#中，空隙率為4.4%，最接近于實(shí)際中馬歇爾試件的空隙率．

表5 方差分析表

3 結(jié) 論

1）基于X-ray CT技術(shù)和數(shù)字圖像處理手段，對(duì)馬歇爾試件進(jìn)行掃描并三維重構(gòu)，可以計(jì)算出集料、瀝青膠漿、空隙的體積組成，實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料空隙率計(jì)算的數(shù)字化，由于考慮了瀝青混合料內(nèi)部三維組成結(jié)構(gòu)，相比馬歇爾方法下計(jì)算的空隙率，利用工業(yè)CT技術(shù)測(cè)試空隙率將會(huì)更有利于瀝青混合料力學(xué)特性的研究.

2）瀝青混合料掃描重構(gòu)的準(zhǔn)確性依賴于CT機(jī)的參數(shù)配置.當(dāng)瀝青混合料的最大公稱粒徑增大時(shí)，要適當(dāng)加大掃描電壓、電流值.電壓的大小決定了X射線透射試件的能力，電流的大小決定了掃描試件重構(gòu)后不同材料的對(duì)比度.基于本研究，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件最優(yōu)的掃描配置為:電壓／電流為180 kV／80 μA，濾波片為2片銅片疊加組成.

3）由試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于細(xì)觀尺度與宏觀尺度得到的瀝青混合料空隙率具有良好的相關(guān)性，在優(yōu)化參數(shù)配置的情況下，測(cè)試結(jié)果的差異性較小，為進(jìn)一步開(kāi)展瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面研究奠定了基礎(chǔ).

［1］裴建中.瀝青路面細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性與衰變行為［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:1-3.

［2］MASAD E，MUHUNTHAN B，SHASHIDHAR N，et al. Quantifying laboratory compaction effects on the internalstructureofasphaltconcrete［C］／／Transportation Research Record 1681.Washington DC:TRB，1999: 179-185.

［3］TASHMAN L，MASAD E，PETERSON B，et al. Internal structure analysis of asphalt mixes to improve the simulation of superpave gyratory compaction to field conditions［J］.Proceedings of Association of Asphalt Paving Technologists，2001，70:605-645.

［4］WANG L B，WANG Y，MOHAMMAD L，et al.Voids distribution and performance of asphalt concrete［J］. International Journal of Pavements，2002，1（3）:22-33.

［5］ARAMBULA E，MASAD E，MARTIN A E.Influence of air void distribution on the moisture susceptibility of asphalt mixes［J］.JournalofMaterialsinCivil Engineering，2007，19（8）:655-664.

［6］AL-OMARI A，TASHMAN L，MASAD E，et al.Proposed methodology for predicting HMA permeability［J］. JournaloftheAssociationofAsphaltPaving Technologists，2002，71（2）:30-58.

［7］TASHMAN L，WANG L，THYAGARAJAN S.Microstructure characterizationformodelingHMAbehaviorusing imaging technology［J］.Road Materials and Pavement Design，2007，8（2）:207-238.

［8］吳文亮，李智，張肖寧.用數(shù)字圖像處理技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料均勻性［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2009，39（4）:921-925.

［9］吳文亮，王端宜，張肖寧，等.瀝青混合料級(jí)配的體視學(xué)推測(cè)方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22（5）:29-33.

［10］王旭東，應(yīng)鵬程.瀝青混合料空隙率的研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19（4）:18-21.

［11］JTG E20—2011.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［12］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012:124-170.

［13］張肖寧.基于X-ray CT的瀝青混合料計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.交通科學(xué)與工程，2010（6）: 1-8.

［14］KRANZ R L.Crack-crack and crack-pore interactions in stressed granite［J］.International Journal of Rock MechanicsandMiningSciences＆Geomechanics Abstracts，1979，16（1）:37-47.

［15］段躍華.基于X-ray CT的瀝青混合料粗集料基礎(chǔ)特性研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.

［16］JTG F40—2004.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

（編輯 魏希柱）

Analysis of influencing factors of the test precision of asphalt mixture voids based on X-ray CT

TAN Yiqiu1，REN Junda1，2，JI Lun1，XU Zhenyu1
（1.School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.The Communication Research Institute of Liaoning Province，110015 Shenyang，China）

To study the factors that influence the test precision of percent air voids of asphalt mixture based on mesoscopic scale，German Phoenix v｜tome｜x S240 industrial X-ray CT was utilized in combination with orthogonal test and variance analysis to study how different CT parameters and gradation types influenced the 3D reconstruction volume parameters of asphalt mixture.Marshall specimens were scanned by changing the parameters of CT and gradation types of asphalt mixture and the results were used for three-dimensional analysis，the relation between influence factors and percent air voids was also built，and then determine the optimal scanning parameters.The test results showed that it is feasible to make three-dimensional volume analysis of asphalt mixture on the basis of meso-scale；the scanning parameters and gradation types have different levels of effects on reconstruction results；the test accuracy would be improved by increasing scaning voltage and current properly and as well as choosing the appropriate filters.The percent air voids that obtained on the base of both meso-scale and macro-scale had good correlation under the condition of appropriate parameter of apparatus，in addition can improve the accuracy and economy of the test.

meso-structure；X-ray CT；asphalt mixture；three-dimensional reconstruction；test precision

U414.75

A

0367-6234（2014）06-0065-07

2013-03-18.

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51225803）.

譚憶秋（1968—），女，教授，博士生導(dǎo)師.

紀(jì) 倫，jilun＠hit.edu.cn.