兩類型瀝青混合料粗集料微觀軌跡分析

王　可

(現(xiàn)代投資股份有限公司， 湖南 長沙　410004)

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兩類型瀝青混合料粗集料微觀軌跡分析

王可

(現(xiàn)代投資股份有限公司， 湖南 長沙410004)

[摘要]基于數(shù)字圖像處理(DIP)技術(shù)，對AC-13和SMA-13兩類型瀝青混合料進(jìn)動態(tài)行剪切疲勞性試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)前后試件進(jìn)行CT掃描，并對CT圖像進(jìn)行細(xì)觀特征參數(shù)參數(shù)提取，對比分析2類型混合料破壞前后的粗顆粒的運(yùn)動軌跡。結(jié)果表明，破壞后AC-13級配混合料粗集料位移量L比SMA-13級配大，AC-13級配粗顆粒位移平動角在所有層位的平均值分布均值波動大于SMA-13級配，各層位粗集料面積均值A(chǔ)C-13級配面積差變化比SMA-13大，面積差較大都是出現(xiàn)在中間層位，AC-13粗集顆粒取向角整體變化差值較SMA-13級配較為明顯。

[關(guān)鍵詞]瀝青混合料； 數(shù)字圖像處理技術(shù)； 動態(tài)剪切疲勞試驗(yàn)； CT掃描； 粗集料運(yùn)動軌跡

0引言

近年來，數(shù)字圖像處理(DIP)技術(shù)在道路領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，研究人員通過采用該技術(shù)來獲取描述其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征以研究瀝青混合料的力學(xué)特性[1-3]，為拓寬學(xué)科發(fā)展提供了新的方向。Yuan等[4]應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)測量了瀝青混合料試件疲勞破壞過程。Cai和Birgisson等[5，6]采用該技術(shù)對瀝青混合料的抗車轍及疲勞開裂性能進(jìn)行了評價(jià)。吳文亮等[7]應(yīng)用DIP技術(shù)分別對AC-13C瀝青混合料試件車轍試驗(yàn)前原始圖像及加載不同次數(shù)后截面圖像中粗顆粒的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析。李佳等[8]基于DIP技術(shù)并結(jié)合四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)開發(fā)了追蹤瀝青混合料內(nèi)部粗集料運(yùn)動軌跡的新方法，并記錄了AC-16瀝青混合料試件的疲勞破壞過程。本文利用P技術(shù)描述瀝青混合料疲勞剪切破壞前后粗集料的運(yùn)動情況，通過定義轉(zhuǎn)角θ和位移量L來描述顆粒發(fā)生平動時(shí)的運(yùn)動軌跡，以粗集料顆粒主軸方向?yàn)橹笜?biāo)，評價(jià)瀝青混合料破壞前后的顆粒分布情況及排列狀態(tài)，從微觀角度分析瀝青混合料內(nèi)部集料組成及材料性質(zhì)對瀝青混合料剪切破壞的影響。

1瀝青混合料粗集料平動及轉(zhuǎn)動機(jī)理

瀝青混合料在車輛荷載作用下會產(chǎn)生變形，變形過程中內(nèi)部集料會發(fā)生平動和轉(zhuǎn)動，觀測顆粒在荷載作用下的運(yùn)動軌跡對研究抗剪切疲勞破壞的機(jī)理具有重要意義。

因?yàn)轭w粒的面積、周長等都是常數(shù)，假設(shè)荷載作用僅使得顆粒發(fā)生剛體運(yùn)動，粗顆粒的的坐標(biāo)(x，y)選取其質(zhì)心所在位置點(diǎn)，通過虛擬連接試驗(yàn)前后該顆粒質(zhì)心所在位置坐標(biāo)，通過定義轉(zhuǎn)角θ和位移量L來描述顆粒發(fā)生平動時(shí)的運(yùn)動軌跡，如圖1所示。

圖1　顆粒運(yùn)動軌跡示意圖Figure 1　Representation of particle moving track

顆粒平動位移量L和轉(zhuǎn)角和θ計(jì)算式：

(1)

(2)

式中：x1，y1為粗顆粒原始坐標(biāo)；x2，y2為粗顆粒發(fā)生運(yùn)動后坐標(biāo)。

瀝青混合料在荷載作用下亦會發(fā)生轉(zhuǎn)動，用顆主軸方向作為描述顆粒運(yùn)動的指標(biāo)。粗集料的形態(tài)不規(guī)則多為長方形顆粒，每個(gè)顆粒都存在唯一最長弦，稱該弦為粗集料顆粒主軸。將形態(tài)復(fù)雜的粗集料顆粒假設(shè)成擁有同樣最大弦長和面積的等效橢圓，而橢圓凸邊界上任意兩點(diǎn)連線的最大值定義為顆粒最大主軸，定義主軸方向α(0≤α≤90°)為最大主軸與水平x軸的夾角[9]，如圖2所示。

圖2　顆粒主軸方向Figure 2　Orientation of main axis of particle

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.1試件制備

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型100mm×150mm的試件。試驗(yàn)采用石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉，瀝青采用70號基質(zhì)瀝青，SMA-13混合料中摻加0.3%的木質(zhì)纖維。AC-13油石比為4.4%，毛體積密度為2.349%；SMA-13油石比為6.3%，毛體積密度2.371。瀝青混合料級配AC-13和SMA-13配合比見表1。

表1 瀝青混合料配合比Table1 Gradationasphaltmixtures級配類型通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13100.095.4081.352.935.121.615.810.78.45.3SMA-13100.097.175.334.425.721.914.111.78.55.6

2.2試驗(yàn)方法

考慮到用等效短軸描述粒子所帶來的誤差，以4.75mm來提取粗集料顆粒。運(yùn)用SPT瀝青混合料簡單性能試驗(yàn)儀對試件進(jìn)行動態(tài)剪切蠕變試驗(yàn)。采用工業(yè)CT分別對剪切疲勞破壞前后的瀝青混合料試件進(jìn)行斷層掃描，間隔5mm依次由下而上掃描20層，從而獲取不同層位的CT圖像數(shù)據(jù)。運(yùn)用MATLAB對CT圖像進(jìn)行圖像處理，應(yīng)用Image-Proplus提取出截面粗集料的輪廓，對粗集料進(jìn)行編號(見圖3)，并進(jìn)行粗顆粒質(zhì)心X、Y坐標(biāo)、面積、周長、角度等參數(shù)提取，粗顆粒轉(zhuǎn)角θ和位移量L計(jì)算方法參考式(1)和式(2)。

圖3　粗集料輪廓提取及編號Figure 3　Contour extraction and numbering coarse particles

3瀝青混合料破壞前后平動軌跡分析

3.1粗集料位移量L分析

兩級配瀝青混合料破壞前后粗集料位移量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差見圖4和圖5。

圖4　兩級配各掃描層位粗集料位移量平均值圖Figure 4　The average displacement of two kinds of asphalt mixes at each layer

圖5　兩級配各掃描層位粗集料位移量標(biāo)準(zhǔn)差Figure 5　The standard deviation of average displacement of two kinds of asphalt mixes at each layer

由圖可知：位于AC-13試件兩端的層位1～8和13～20層的位移量L平均值浮動較小，而中間部位9～12層位位移量較大，呈“中間大，兩端小”的特征，說明試件中部破壞最為嚴(yán)重。SMA-13試件的位移量變化規(guī)律與AC-13試件類似，但每一層位位移量平均值均比AC-13小。可見AC-13級配混合料比SMA-13級配破壞嚴(yán)重。AC-13級配與級配SMA-13的中間層位標(biāo)準(zhǔn)差變化較大，說明試件中部位移量波動性大。

AC-13級配為懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和密實(shí)度較大。SMA-13為骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，粗集料含量較多，集料相互間的接觸較大，嵌緊能力高，所以SMA-13級配抵抗流動變形如剪切疲勞破壞的能力高。所以縱觀兩級配粗集料剪切疲勞破壞產(chǎn)生的位移量平均值，AC-13級配混合料比SMA-13級配較大，離散性大，最大最小值之間的差異較大。

3.2粗集料位移平動角分析

平動角的分析是測量出疲勞破壞前后截面內(nèi)同一粗集料的質(zhì)心坐標(biāo)，用式(1)來計(jì)算平動轉(zhuǎn)角值，用來描述顆粒發(fā)生平動時(shí)的運(yùn)動軌跡，其中兩級配粗集料平動轉(zhuǎn)角均值如圖6所示。

圖6　兩級配各掃描層位粗集料位移平動角均值Figure 6　The average of turning angle of coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer

從圖6可以看出：AC-13級配瀝青混合料在20個(gè)層位里的平動角均值波動大于SMA-13級配，AC-13級配出現(xiàn)的最大值比SMA-13的最大值大，最小值比SMA-13的小，損傷破壞不均勻，SMA-13各層位破壞較均勻，都在角度40～50°之間波動?？梢奡MA-13級配抵抗疲勞剪切的性能要好。

4瀝青混合料破壞前后面積變化分析

在瀝青混合料疲勞剪切試驗(yàn)后，其內(nèi)部粗集料會出現(xiàn)各種改變，除了上面列出的粗集料軌跡的改變還有粗集料面積的略微變化，受到擠壓破壞、開裂等會影響到集料面積的改變。圖7、圖8為2種級配破壞前后各層位粗集料面積變化平均值。

圖7　兩級配實(shí)驗(yàn)前后各層位粗集料面積前后對比圖Figure 7　The area of coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer before and after the experiment

圖8　兩級配試件各掃描層位粗集料破壞前后面積差Figure 8　The difference of area coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer before and after the experiment

由圖發(fā)現(xiàn)：各層位粗集料面積均值都在疲勞破壞以后出現(xiàn)了減小，減小幅度較大的是中間層位8～11層，兩端層位變化較小。AC-13級配面積差變化較SMA-13大，尤其是中間層位，而SMA-13除個(gè)別層位面積差大于AC-13，其它層位變化較小。這是由于級配SMA-13粗集料的比例比AC-13大，所呈現(xiàn)出來粗顆粒初始面積均值也大于AC-13，但是整體破壞前后變化較小。所以SMA-13級配抵抗荷載作用抗剪切疲勞變形的能力較AC-13級配強(qiáng)。

5瀝青混合料破壞前后轉(zhuǎn)動主軸方向分析

瀝青混合料是通過集料與集料間嵌擠并利用瀝青膠結(jié)在一起形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。瀝青混合料中粗集料的長軸方向與材料密實(shí)度和穩(wěn)定性關(guān)系密切，可以用它來描述瀝青混合料的變形，所以剪切疲勞破壞也可以利用長軸方向來評價(jià)分析。選用粗集料長軸方向來對比分析瀝青混合料SPT簡單性能試驗(yàn)前后粗顆粒變化規(guī)律。

選取瀝青混合料各層位圖像中所有顆粒的主軸方向平均值作為此層位的主軸方向大小，將SMA-13和AC-13兩級配的破壞前后同一層位粗顆粒主軸方向計(jì)算結(jié)果，以及破壞前后平均值差值列主軸方向破壞前后平均差值見圖9。

圖9　兩級配破壞前后粗集料長軸方向變化差值Figure 9　The probability distribution of area coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer before and after the experiment

由圖可知：AC-13試件在剪切疲勞試驗(yàn)后試件顆粒取向角相對于初始試件大部分層位均在減小，個(gè)別層位主軸方向角反而增大。轉(zhuǎn)角差值最大值出現(xiàn)8～11層，最小值出現(xiàn)在第1和第20層，破壞不均勻，與試件破壞后中間鼓起現(xiàn)象相符。AC-13級配在剪切破壞后集料顆粒的主軸方向變小，說明集料趨于水平方向排列。

SMA-13級配試件試驗(yàn)后的粗集顆粒取向角相比試驗(yàn)前增大較多，但整體變化差值各層位較為均勻，變化沒有AC-13明顯。

在剪切作用力之下，集料各點(diǎn)受力復(fù)雜不一，主軸方向重新排布。瀝青混合料的集料間互相的嵌擠和混合料的壓實(shí)情況能作用并影響主軸取向變化。隨著圍壓的進(jìn)行，瀝青混合料進(jìn)一步密實(shí)，同時(shí)受到粗集料嵌擠作用的約束，試件的主軸取向重新排布。

6結(jié)語

①AC-13級配粗集料疲勞破壞產(chǎn)生的位移量平均值大于SMA-13級配，且整體比SMA-13破壞稍嚴(yán)重，AC-13級配粗顆粒運(yùn)動位移離散性更大。

②AC-13級配瀝青混合料粗顆粒位移平動角在所有層位的平均值分布均值波動大于SMA-13級配。AC-13平動角整體均值和標(biāo)準(zhǔn)差等均大于SMA-13。

③ 各層位粗集料面積均值都在疲勞破壞以后出現(xiàn)了略微的減小，AC-13級配面積差變化比SMA大，面積差較大都是出現(xiàn)在中間層位。

④AC-13試件中間層位的轉(zhuǎn)角差值也比其它層略大，破壞極不均勻，這跟觀察到的破壞后試件中間鼓起相符。剪切疲勞試驗(yàn)后，AC-13級中粗集料趨向水平方向排列，使得顆粒主軸方向夾角減小，SMA-13級配試件的粗集顆粒取向角整體變化差值各層位持平變化沒有AC-13明顯。

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CalculationofMicroMovementTrackofCoarseAggregateofTwoKindsofAsphaltMixesComposedofDifferentTypeGradation

WANGKe

(XiandaiInvestmentCompanyLimited，Changsha，Hunan410004，China)

[Abstract]Dynamic shear fatigue test was performed for two kinds of asphalt mixes composed of different type gradation which were AC-13 and SMA-13 based on digital image processing，the specimens were carried out CT scan，micro-structure characterization parameters were obtained through image processing，the movement track of coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes were compared and analyzed.The results indicate that the displacement value of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture after test was lager than SMA-13 asphalt mixture，the variation of turning angle of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture at each layer was lager than SMA-13 asphalt mixture，the variation of the area difference of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture at each layer was lager than SMA-13 asphalt mixture，the variation of the area of coarse aggregate the layers at the middle of the specimens was larger，the overall changes of the orientation angle of main axis of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture was larger than SMA-13 asphalt mixture.

[Key words]asphalt mixture； digital image processing； dynamic shear fatigue damage； CT scan； movement track of coarse aggregate

[收稿日期]2016-03-14

[作者簡介]王可(1982-)，男，湖南長沙人，工程師，從事工程管理研究。

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0242-05