室內(nèi)成型試件與路面芯樣的抗車轍差異性評價

張肖寧，肖 鑫

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，510640廣州)

車轍是我國瀝青路面主要的損壞形式之一，目前評價瀝青路面抗車轍能力的方法大多都是在室內(nèi)成型的瀝青混合料上進(jìn)行的，實際瀝青路面中的瀝青混合料由于在施工過程中受到各種因素的影響，往往會在性能指標(biāo)和參數(shù)上與室內(nèi)設(shè)計出的瀝青混合料存在較大差異，單一利用室內(nèi)成型的瀝青混合料不能全面反映瀝青路面的抗車轍能力［1-2］.近年來，英美德等國已開始采用現(xiàn)場路面芯樣評價瀝青路面的抗車轍能力，在國內(nèi)此項研究也已展開［3-4］.這些研究只單純描述了路面芯樣的車轍變形特征，并沒有對室內(nèi)成型試件與路面芯樣抗車轍能力的差異進(jìn)行評價.如何考慮兩者之間的差異以及使兩者達(dá)到更好的相關(guān)性，有待進(jìn)一步研究.

瀝青混合料是由集料、瀝青和空隙形成的復(fù)雜多相非均勻材料［5］，其性能不僅受瀝青、集料和空隙體積含量的影響，還與這些因素的空間分布相關(guān)［6-7］.由于技術(shù)限制，以往的研究無法分析各組成因素的空間分布特征，常假定瀝青混合料為均勻?qū)嶓w［8-9］.近年來，隨著數(shù)字圖像技術(shù)的快速發(fā)展，利用工業(yè)CT進(jìn)行瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究成為可能，并將逐漸成為研究瀝青路面復(fù)雜行為的切入點和著力點［10-13］.鑒于此，為了更真實表征實際瀝青路面的抗車轍能力、更全面描述瀝青混合料內(nèi)部的相關(guān)信息，本文從宏觀和細(xì)觀兩個角度對室內(nèi)成型試件與路面芯樣的抗車轍性能進(jìn)行對比研究，探討造成兩者之間差異的主要原因，尋求有效措施提高兩者之間的相關(guān)性，為更好地提高實際瀝青路面的抗車轍能力提供依據(jù).

1 室內(nèi)成型試件與路面芯樣抗車轍能力的宏觀對比評價

1.1 試件制作與試驗方法

路面芯樣來自在建高速公路，其路面結(jié)構(gòu)形式為:上面層厚度4 cm，級配為AC-13，采用改性瀝青，集料為玄武巖;中面層厚度6 cm，級配為AC-20，瀝青為普通瀝青，集料采用石灰?guī)r;下面層厚度8 cm，級配為AC-25，瀝青為普通瀝青，集料采用石灰?guī)r.

為減少材料差異造成的影響，試驗采用的室內(nèi)成型試件為瀝青路面施工過程中，到施工現(xiàn)場的攤鋪位置隨機抽取8～10 kg瀝青混合料，進(jìn)行保溫后成型馬歇爾試件.取料的同時在取料位置處做好標(biāo)記，待路面壓實完成后再在此標(biāo)記處鉆取圓柱體路面芯樣.兩種試件的厚度均為6 cm，當(dāng)厚度大于6 cm時切除下部多出部分.

采用多輪車轍儀(RLWT)進(jìn)行試驗.因為RLWT可以直接對實際路面芯樣和室內(nèi)成型試樣進(jìn)行車轍試驗評價，可以減少對路面結(jié)構(gòu)的破壞，提高取樣及試驗效率.采用6.35 mm車轍深度和加載次數(shù)16 000次(參照NCAT環(huán)道試驗)共同控制試驗終止時間，以車轍深度作為抗車轍性的評價指標(biāo)［1］.

1.2 試驗結(jié)果分析

由于中面層是產(chǎn)生車轍的主要區(qū)域，且上、下面層的試驗結(jié)果與中面層近似，本文主要對中面層的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，中面層采用AC-20級配，礦料的配合比為1#∶2#∶3#∶4#∶5#:礦粉=20∶20∶20∶5∶30∶5，采用馬歇爾試驗確定最佳油石比，最終確定最佳油石比4.2%，設(shè)計空隙率4.5%［1］.現(xiàn)場施工溫度與壓實度均符合規(guī)范要求.測定試件的車轍深度與空隙率，試驗結(jié)果見表1.

表1 車轍深度與空隙率試驗結(jié)果

從表1可以看出:荷載作用16 000次時，路面芯樣的變形量為2.54 mm，室內(nèi)成型試件為0.67 mm，路面芯樣為室內(nèi)成型試件的3.8倍，說明路面芯樣與室內(nèi)成型試件的抗車轍能力存在較大的差異.由于室內(nèi)成型試件所用的混合料是在路面芯樣的攤鋪現(xiàn)場取料的，它們所用材料的性能完全一致，因此造成這種差異較大的原因是與施工過程中的各種變異性、碾壓方式以及壓實程度等有關(guān).

碾壓方式影響粗集料在瀝青膠漿中的排列特性，從而影響粗集料在瀝青混合料中的堆積狀態(tài).在室內(nèi)試驗中，馬歇爾成型法采用垂直力擊實試件，壓實過程中集料顆粒受豎向力作用.在路面施工中，瀝青面層材料攤鋪后在雙輪壓路機的碾壓及振動作用下，混合料中集料顆粒將向深度及車輪的前進(jìn)方向移動或轉(zhuǎn)動，在輪胎壓路機作用下，還將發(fā)生搓揉作用，這樣就使得室內(nèi)成型試件與實際路面芯樣的壓實狀態(tài)不一致［1］.

為研究壓實程度對試件抗車轍性的影響，對兩種試件的空隙率進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1，并繪制了空隙率與車轍變形關(guān)系，見圖1.從表1可知，路面芯樣的空隙率與空隙率變異性明顯大于室內(nèi)成型試件.初始空隙率較大時，混合料中集料顆粒之間沒有完全相互嵌擠，接觸點不穩(wěn)定，在荷載作用下產(chǎn)生壓密性車轍.路面芯樣的初始空隙率比室內(nèi)成型試件大，在試驗過程中路面芯樣可能首先發(fā)生壓密變形，造成試件具有相對較大的變形量.從圖1可以看出，當(dāng)試件空隙率較大時抗車轍性能下降.因此，在實際施工過程中要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，控制好碾壓工藝，保證路面具有較高的壓實度［1］.根據(jù)圖1的回歸曲線可以看出，空隙率為4%時，室內(nèi)成型試件與路面芯樣的總變形量相差較大.可見除壓實程度對路面車轍變形量有重要影響外，壓實過程中空隙與集料的分布狀況可能也是影響車轍變形量的重要因素.

圖1 試件空隙率-總變形關(guān)系

因為無法從宏觀角度獲取空隙與集料分布狀況等細(xì)觀因素的信息，下面將從細(xì)觀角度，利用工業(yè)CT研究瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)與外部抗車轍能力的關(guān)系，從新的視角探討瀝青混合料抗車轍能力的機理.

2 采用工業(yè)CT的室內(nèi)成型試件與路面芯樣抗車轍能力的細(xì)觀分析

工業(yè)CT是一種利用X射線輻射成像的裝置.利用X射線穿透物質(zhì)時輻射強度呈指數(shù)型衰減且衰減率僅與物質(zhì)密度相關(guān)的原理，將不同密度物質(zhì)的射線吸收率定義為CT數(shù)(空氣和水的CT數(shù)分別為-1 000 HU和0HU)，建立被檢測物體密度與CT數(shù)之間的換算關(guān)系并轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的像素灰度值(顏色值)，即可借助計算機獲取非透明物體組成結(jié)構(gòu)斷面的數(shù)字信息［10，14］.本文采用德國YXLON公司生產(chǎn)的Compact-225型高精度工業(yè) CT儀，其性能指標(biāo)見表2［5］.

表2 Compact-225型工業(yè)CT產(chǎn)品性能指標(biāo)

2.1 瀝青混合料體積組成分析與差異性物質(zhì)辨識

瀝青混合料由石質(zhì)集料顆粒、瀝青膠漿、空隙等差異性物質(zhì)組成.由于瀝青與集料、空隙等差異性物質(zhì)交互滲透致使邊界圖像模糊，難以利用瀝青混合料數(shù)字圖像精確區(qū)分不同物質(zhì).現(xiàn)有的區(qū)分方法主要有最大類間方差法(大津法)、基于混合高斯模型(GMM)的EM算法和模糊C均值聚類算法(FCM)［14］，在這些方法中大津法應(yīng)用最為廣泛.然而，由于工業(yè)CT機掃描能量的制約，工業(yè)CT沿試件厚度方向掃描時功率逐漸衰減，同類物質(zhì)在試件不同位置掃描后得到的灰度值也存在較大變異，單一閾值已無法有效識別差異性物質(zhì).因此本文采用李智等［14］提出的改進(jìn)的大津法進(jìn)行CT圖像組分識別，其原理與分割效果見圖2，可以看出分割的結(jié)果中，集料邊界比較清晰，能清楚地區(qū)分各組成物質(zhì)，整體效果良好.

圖2 改進(jìn)大津法原理與效果

2.2 瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)各組分的空間分布評價

瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以簡單地認(rèn)為包括如下信息:粗集料占整個試件的比例以及分布，空隙率及其空隙分布，瀝青膠漿比例及其分布［14-15］.由于瀝青膠漿可以間接通過粗集料顆粒、空隙的分布體現(xiàn)，限于篇幅下文將只討論粗集料顆粒及空隙分布在兩種對比試件中的差異，對比試件同樣采用中面層混合料成型的室內(nèi)試件與路面芯樣，各試件的參數(shù)見表3.

表3 各試件的參數(shù)

2.2.1 粗集料顆粒的分布

對于圓形截面來說，采用扇形掃描方式較為合適.本文選用該方式進(jìn)行掃描，見圖3.以試件截面Y軸正向為起點，以圓心為轉(zhuǎn)軸，沿順時針方向θ角為掃描角度，經(jīng)分析比選，最終選定θ為15°，則每個截面被劃分為24個區(qū)域［14-15］.對掃描得到的圖像進(jìn)行處理，調(diào)整對比度、飽和度等參數(shù)，選取圖像質(zhì)量較好的圖像進(jìn)行分析.

圖3 扇形掃描示意

將扇形面積內(nèi)顆粒面積所占比例定義為顆粒面積比;將粗集料顆粒在掃描區(qū)域內(nèi)相對中心均勻分布或離散的程度定義為粗集料顆粒面積比不均勻分布系數(shù);將同一個試件的豎向所有切面間粗集料顆粒面積比的離散程度定義為試件顆粒豎向分布波動系數(shù)［14-15］.利用顆粒面積比不均勻系數(shù)來反映截面水平面內(nèi)顆粒分布狀態(tài)，顆粒豎向的空間分布狀態(tài)則由顆粒豎向分布波動系數(shù)來體現(xiàn).如果顆粒在瀝青混合料水平截面內(nèi)均勻分布，則試件的顆粒不均勻性系數(shù)小，表明在平面內(nèi)能夠?qū)χT多顆粒實施均勻壓實作用;反之，則變異性大，壓實效果不理想.同理，若瀝青混合料顆粒在豎向分布的越均勻，則試件的顆粒分布波動系數(shù)就越?。?4-15］，表明能夠?qū)崿F(xiàn)良好的豎向壓實效果;反之，則其變異性大，壓實效果也差.試驗統(tǒng)計分析結(jié)果見表4.從表4可以看出，路面芯樣的不均勻系數(shù)大于室內(nèi)成型試件，表明路面芯樣的粗集料顆粒在水平面內(nèi)分布的均勻性比室內(nèi)成型試件差;路面芯樣的波動系數(shù)大于室內(nèi)成型試件，表明路面芯樣的粗集料顆粒沿深度方向分布的均勻性較差，進(jìn)而說明其在豎向的壓實效果較差，因此，在荷載作用下，路面芯樣產(chǎn)生的變形要大于室內(nèi)成型試件.

表4 顆粒面積比不均勻系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

2.2.2 空隙率的分布

利用工業(yè)CT掃描獲取瀝青混合料試件的連續(xù)斷層圖像，將斷層圖像中的空隙面積與試件截面面積的比值定義為面空隙率［5，14-15］，并對面空隙率的分布進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表5.試件面空隙率隨試件深度的變化情況見圖4，圖中所示曲線的試件深度為剔除端部效應(yīng)后的深度，而結(jié)果分析中涉及的試件深度均包含了試件兩端剔除的深度.抽取兩種試件在同一深度處的原始圖像，并進(jìn)行閾值處理與空隙特征提取，本文共抽取4張圖像，分別為兩種試件在兩個不同深度處的圖像，見圖5.

表5 空隙分布統(tǒng)計結(jié)果

從表5、圖4與圖5可以看出:

1)室內(nèi)成型試件，面空隙率隨深度方向不斷變化，兩端面空隙率較大，中間部位21～48 mm深度范圍內(nèi)的面孔隙率分布較均勻，約為2%，面空隙率最小值出現(xiàn)在試件中部，面空隙率分布沿試件中部基本對稱.

2)路面芯樣試件頂端的面空隙率最大，面空隙率隨深度的增加不斷減小，最小值出現(xiàn)在深度的2/3～3/4處，在底端的較小范圍內(nèi)(離底端約4 mm)面孔隙率又迅速增大，但小于試件頂端的面孔隙率.

3)對試件上端的面空隙率進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn):上部10 mm厚度處，室內(nèi)成型試件的面孔隙率為4.5%，路面芯樣為10.4%，路面芯樣遠(yuǎn)大于室內(nèi)成型試件;兩種試件面空隙率大于6%的深度范圍分別為:室內(nèi)成型試件0～7 mm，路面芯樣0～17 mm;兩種試件面空隙率大于4%的深度范圍分別為:室內(nèi)成型試件0～14 mm，路面芯樣0～20 mm.這表明路面芯樣上端的面空隙率明顯大于室內(nèi)成型試件的面空隙率.

4)面空隙率平均值表明，路面芯樣的平均面空隙率大于室內(nèi)成型試件.面空隙率變異系數(shù)分析顯示，相比于室內(nèi)成型試件，路面芯樣的面空隙分布均勻性較差.

5)路面芯樣圖像中的空隙分布情況與其對應(yīng)深度處的室內(nèi)成型試件不同，路面芯樣中的面空隙率及單個空隙的尺寸均比室內(nèi)成型試件大.另外，同一試件在不同深度處的空隙分布呈現(xiàn)出某些不同，由此也可說明，空隙的分布沿試件深度方向表現(xiàn)出不均勻性.

通過上述的分析，可以解釋兩種試件車轍變形的差異:路面芯樣上端的面空隙率大于室內(nèi)成型試件，這就使得路面芯樣在荷載作用下首先發(fā)生一定量的壓密變形;路面芯樣的平均面空隙率大于室內(nèi)成型試件，路面芯樣的粗集料顆粒與空隙分布的均勻性比室內(nèi)成型試件差;壓實方式與壓實程度的不同，以及施工中的各種變異性;中面層所處區(qū)域承受的壓縮剪切應(yīng)力最大、溫度高.在這些因素的綜合影響下，路面芯樣在荷載作用下的變形要大于室內(nèi)成型試件.

瀝青路面施工涉及面廣，影響因素多，造成兩種試件變形差異是宏觀和細(xì)觀各種因素綜合作用的結(jié)果.要提高實際瀝青路面的抗車轍能力，就得從宏觀和細(xì)觀兩方面的影響因素著手，而在現(xiàn)有的技術(shù)水平上很難繼續(xù)改善宏觀影響因素，因此改善細(xì)觀結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，亦即提高瀝青混合料組成材料分布的均勻性.

圖4 空隙的分布特性

圖5 不同成型方法試件的代表截面圖像及空隙分布

3 結(jié)論

1)多輪車轍試驗中，荷載作用16 000次時路面芯樣的變形量為2.54 mm，室內(nèi)成型試件為0.67 mm，說明室內(nèi)成型試件的抗車轍能力要強于路面芯樣.

2)從CT分析結(jié)果可知，路面芯樣的粗集料顆粒與面空隙率在豎向分布的均勻性較差，路面芯樣的空隙體積大小、平均面空隙率及上端的面空隙率明顯大于室內(nèi)成型試件，從而從細(xì)觀角度證明了宏觀分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

3)壓實過程中空隙與集料分布狀況的差異、壓實方式與壓實程度的不同、以及施工中的各種變異性是造成兩種試件車轍變形差異的主要因素.

4)室內(nèi)成型試件與路面芯樣在抗車轍能力上存在差異，并從宏觀和細(xì)觀兩個角度分析了造成差異的主要原因.

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