多孔瀝青混合料旋轉壓實效果研究

李翔，蔡旭，肖天佑，葉平，楊國良

（廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510000）

0 引言

多孔瀝青混合料是一種具有排水、降噪、抗滑等多種優(yōu)點的路面材料，近年來在國內逐漸得到重視與應用?，F有多孔瀝青混合料設計方法[1-4]針對控制礦料間隙率、瀝青飽和度、空隙率等體積指標和其他力學性能等參數進行設計，均為宏觀試驗參數，對于材料內部結構的研究較少。

在“海綿城市”建設的大背景下，部分專家學者開始從細觀角度分析多孔瀝青混合料的路用性能。Zelelew等[5]提出了一種圖像處理技術用于獲取混合料內部圖像。肖鑫和張肖寧[6]采用工業(yè)CT和圖像處理技術獲取混合料內部圖像，重建混合料結構，研究了混合料中空隙的分布特點，認為彎曲度等指標可用來評判滲水性能。蔣瑋等[7]基于CT獲取了空隙的分布狀態(tài)，研究分析了空隙與飛散損失、動穩(wěn)定度之間的相關關系，認為細觀空隙對宏觀性能有影響。吳浩等[8]運用CT獲取了不同級配的OGFC-13馬歇爾試件的內部結構，用分形理論分析了空隙的分維特征與路用性能的關系。裴建中等[9-10]基于CT技術對空隙的豎向分布特性進行了描述，認為空隙特征圖像可以定性描述多孔瀝青混合料內部結構的特性。

以上研究主要集中在多孔瀝青混合料中空隙的三維重構，對于粗集料的分布、分檔涉及較少。實際上在多孔瀝青混合料中，粒徑2.36 mm以上的集料含量達到80%以上，傳統(tǒng)方式的顆粒面積比已不能良好表征混合料形成骨架和均勻性。因此，本文在二維平面的基礎上，借助于數字圖像處理技術分析多孔瀝青混合料旋轉壓實效果，方便、簡單、快捷，為將數字圖像處理技術向施工現場推廣，判斷路面均勻性、骨架形成等問題提供了可能性。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

集料：廣州市政維修處的花崗巖，其技術指標見表1；瀝青：外摻15%40目橡膠粉的橡膠瀝青，其基本指標見表2。

表1 花崗巖礦料的技術指標

表2 橡膠瀝青的主要技術指標

1.2 試驗方案

使用旋轉壓實儀成型多孔瀝青混合料試件，油石比為5.8%，級配見表3。將旋轉壓實試件沿水平方向切開，形成3個獨立截面，切割示意圖見圖1。

表3 多孔瀝青混合料的級配

圖1 分層切割示意

采用nikon d3300單反相機獲取圖像信息，示例為截面3，試件截面見圖2（a），通過二值化處理區(qū)別集料、砂膠（細集料與瀝青）見圖2（b），根據調整閾值，提取出空隙圖像，見圖2（c）。

圖2 截面3的圖像信息

2 集料分析

2.1 集料的分檔

通過MATLAB編程可分析出二值化圖片中集料的面積、周長、質心坐標、外界矩形的長短軸等物理指標。目前集料短軸分檔方式有3種方式：等效圓、等效橢圓、外接矩形。3種分檔方式對集料的分檔見圖3。

（1）等效圓：保證集料面積不變的前提下，等效為圓，計算出的直徑視為集料粒徑。

式中：D——等效圓直徑；AREA——集料面積。

（2）等效橢圓：與原顆粒的面積和長軸相等的橢圓，計算出等效橢圓的短軸視為集料粒徑。

式中：B——等效橢圓短軸；A——等效橢圓長軸；AREA——集料面積；

（3）外接矩形：可用MATLAB分析出外接矩形的寬視為集料粒徑。

圖3 顆粒分檔

從圖3同一截面可以看出：（1）等效圓分析出的粗集料數量最多，因為這種方法歸檔集料只需面積達到以2.36 mm為直徑的圓即可視為粗集料，控制量單一，嚴重不符合實際的顆粒形狀；（2）外接矩形短軸分檔集料，外接短軸可以表征與集料長軸垂直的最長邊，比等效圓方法控制量多，劃分集料更加嚴格；（3）等效橢圓的分檔方法最為嚴格，把控了長軸與面積的雙量等效，反推出集料的短軸，更加符合實際。

2.2 粗集料位置分布

研究圖像截面時，把試件的截面看成等截面薄板。將截面中的每檔集料看作一個整體來研究其位置分布，所以在理想狀態(tài)下的試件截面粗集料應關于截面中心對稱分布。根據薄板質心定理計算各檔集料的質心坐標位置，如式（3）、式（4）：

Xm、Ym——第i檔集料中第n個顆粒的坐標；

Ni——第i檔集料中顆粒的總數。

根據2點間的距離公式計算出各檔集料與幾何中心的偏差，由于13.2 mm以上顆粒數目較少，將其歸入大于9.5 mm集料中計算，見表4。

表4 各檔集料的偏差距

由表4可以看出，大于9.5 mm這一檔的偏差較大，這是由于這2檔的集料較少，隨機性較大。而2.36～4.75 mm和4.75～9.5 mm這2檔集料的位置偏差較小，集料顆粒的數量大，能更好地表現集料的分布情況。

2.3 截面的顆粒面積比

本文通過環(huán)形掃描來分析水平截面由內而外的顆粒面積比，分區(qū)示意見圖4。顆粒面積比為掃描面積內的粗集料面積比整個掃描分區(qū)的面積，可以用來表征掃描區(qū)域的級配的粗細程度。由內而外分別為G1、G2、G3區(qū)，根據中心距分區(qū)，G1中心距為0～25 mm，G2為25～50 mm，G3為50～75 mm。顆粒面積、短軸、中心距等參數見表5，顆粒面積比如圖5。

圖4 環(huán)形掃描分區(qū)示意

表5 顆粒參數

圖5 環(huán)形分區(qū)顆粒面積比

由圖5可以看出，水平截面不同分區(qū)的顆粒面積比并沒有明顯的趨勢，且差別較大，其主要原因是因為大孔隙瀝青混合料與密級配瀝青混合料空隙的差別，密級配試件中的空隙率較小，空隙的等效粒徑小，且空隙數量少，對顆粒的填充影響不大；而在大孔隙試件中空隙分布是隨機的，顆粒面積比受空隙影響較大，空隙較多的區(qū)域顆粒面積比較小。

因此，在大孔隙瀝青混合料中使用密級配中顆粒面積比的方法具有局限性，所以將其進行改進，將掃描區(qū)域內的粗集料面積與所有集料面積之比定義為多孔瀝青混合料的顆粒面積比。由于數字圖像處理技術原因，現階段不能完全識別顆粒小于0.3 mm的集料，會產生一定的誤差，但是在多孔瀝青混合料試件中0.3 mm以下的集料含量極小，且每個顆粒的面積也較小，誤差可以忽略不計，改進計算方法的顆粒面積比見圖6。

圖6 改進計算方法的顆粒面積比

由圖6可以看出，水平截面上沿直徑方向最外側的圓環(huán)部分顆粒面積比最大，而中間的2個部分沒有明顯趨勢且相差不大。

3 空隙分布分析

通過體積法測算旋轉壓實切塊的空隙率，實驗結果見圖7。

圖7 空隙率變化

1?！?＃試件分別對應試件深度 1～3 cm、3～6 cm、6～9 cm、9～12 cm。由圖7可知，試件的空隙率隨著深度的變化而發(fā)生改變，試件兩端的空隙率偏大而中間的空隙率較小。這說明試件內部中心處最為密實。而形成這種空隙分布原因是：根據圣維南原理，在成型試件時，兩端混合料受到了模具的邊界制約，且水平方向受到摩擦力等復雜受力，顆粒的運動狀態(tài)復雜，所以試件兩端混合料均勻性較差。而中部在壓實功的擠壓下，粗集料通過不斷地旋轉移動來找尋穩(wěn)定狀態(tài)，此時試件的內部不斷的被粗集料填充，逐漸形成骨架。此外，溫度對試件的成型也存在一定的影響，試件成型的過程中，初期混合料有較高的溫度，瀝青的粘度低，細集料與瀝青形成的膠結料容易流動，在自身重力與粗集料尋找穩(wěn)定狀態(tài)時擠壓的作用下，膠結料逐漸包裹粗集料，所以無法進入穩(wěn)定狀態(tài)；隨著旋轉壓實次數的增加，兩端接觸頂蓋與底座的面開始降溫，此時瀝青粘度增大，使兩端開始逐漸穩(wěn)定，而內部的混合料還在相互擠壓運動；當旋轉壓實完成后，溫度下降，試件穩(wěn)定，從而形成了兩端空隙率大，中間空隙率小的現象。溫度對試件成型的影響力還有待研究。

4 結論

（1）通過分析對比等效圓、外接矩形短軸、等效橢圓3種數字圖像分析粗集料短軸的方法，得出等效橢圓法控制量多，分析出的數據更為精確，貼近實際。而等效圓法控制量單一，誤差較大，在非理想化的條件下不建議使用此方法。

（2）在足夠的旋轉壓實功作用下，多孔瀝青混合料水平方向上的粗集料位置基本與截面幾何中心對稱，9.5 mm以上的粗集料由于數量較少波動較大。

（3）提出針對大孔隙瀝青混合料的顆粒面積比的改進計算方法，并分析水平截面上沿直徑方向最外側的圓環(huán)部分顆粒面積比最大，而中間的2個部分沒有明顯趨勢且相差不大。此種方法可為今后研究多孔瀝青混合料的均勻性提供參考。

（4）旋轉壓實試件的空隙率沿深度方向發(fā)生變化，兩端空隙率較大，中部空隙率較小。