多孔瀝青混合料細(xì)觀構(gòu)造研究

李棋倫

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣東廣州 510060）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快。在發(fā)展過程中，越來(lái)越多的城鎮(zhèn)面臨著內(nèi)澇、噪音等問題。多孔瀝青混合料（porous asphalt mixture，即PA）因具有透水、降噪、抗滑等優(yōu)良特性而受到廣泛重視與推廣應(yīng)用[1-2]。

瀝青混合料是由集料、粘彈性的膠漿及空隙組成的復(fù)雜構(gòu)造體系[3]，具有十分顯著的非線性力學(xué)特征及顆粒特性，其路用性能是混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn)。研究多孔瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)上對(duì)瀝青混合料的特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)于深入了解混合料的路用性能，進(jìn)而優(yōu)化瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，均具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 多孔瀝青混合料設(shè)計(jì)

本論文選用四種OGFC（open graded friction courses）研究多孔瀝青混合料的細(xì)觀構(gòu)造，混合料的路用性能指標(biāo)見表1。

表1 多孔瀝青混合料路用性能

OGFC因粗集料相互嵌擠構(gòu)成緊密的骨架，混合料具有良好的高溫性能；但同時(shí)，也因?yàn)楣羌苤g存在大量且連通的空隙，混合料的穩(wěn)定度較常用的AC、SMA混合料結(jié)構(gòu)偏低。

2 多孔瀝青混合料試件成型

和普通的混合料成型方式相比，輪碾成型機(jī)通過控制試件的終碾高度，能夠較為精確的控制混合料的密度，從而達(dá)到控制試件空隙率的目的。同時(shí)，與一般的成型方式相比，輪碾成型機(jī)的荷載及成型方式與實(shí)際路面路用的壓路機(jī)更為接近，故而成型的混合料更為接近路面實(shí)際情況。

使用輪碾成型機(jī)，分次成型 10cm OGFC-13（1）、4cm OGFC-10+6cm OGFC-13（2）、4cm OGFC-13（1）+6cm OGFC-20 試件，用于分析排水路面的細(xì)觀構(gòu)造。

3 多排水路面細(xì)觀構(gòu)造

3.1 CT技術(shù)

本研究中使用德國(guó)YXLON公司制造的PrecisionⅡ型工業(yè)二級(jí)CT以識(shí)別混合料內(nèi)部特征。

混合料由集料、膠漿、空隙三相組成。粗集料相互嵌鎖，構(gòu)成了試件的骨架，而膠漿裹附在集料上，其余部分則為空隙。

3.2 數(shù)字圖像處理

為獲取混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)觀特征，使用直方圖均衡算法對(duì)灰度圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，然后再通過中值濾波算法降噪，圖像閉運(yùn)算填充混合料內(nèi)部細(xì)小空洞，聯(lián)結(jié)鄰近物體，并在最后使用圖像分割算法分割混合料各組分，識(shí)別混合料內(nèi)部特征。

本文使用OTSU算法用于圖像分割。OTSU算法該方法又稱作最大類間方差法，是一種自適應(yīng)的閾值確定方法，該算法通過計(jì)算圖像的最佳閾值來(lái)區(qū)分目標(biāo)圖像和背景圖像，由于簡(jiǎn)單、快速以及性能穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用[4]。

本文以0.2mm為間隔，從底部開始由下至上掃描試件，獲取混合料內(nèi)部灰度圖像，數(shù)字圖像處理，提取CT圖像的特征。本文接下來(lái)的分析中，對(duì)混合料的空隙率、空隙數(shù)量以及最大空隙的面積進(jìn)行分析：

統(tǒng)計(jì)處理后圖像空隙部分與其他部分的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，則可確定空隙部分占混合料截面的面積比率，以此作為該0.2mm高度范圍混合料的空隙率。

使用regionprops函數(shù)度量圖像區(qū)域?qū)傩裕R(shí)別處理后截面范圍內(nèi)的連通域?yàn)楠?dú)立的空隙，統(tǒng)計(jì)截面上獨(dú)立空隙的個(gè)數(shù)可認(rèn)為是該0.2mm高度范圍混合料內(nèi)部空隙的數(shù)量。

按照掃描圖像的比例關(guān)系，計(jì)算CT圖像內(nèi)單位像素點(diǎn)的面積，統(tǒng)計(jì)單個(gè)空隙內(nèi)部像素個(gè)數(shù)，則可得到截面上各空隙的面積，對(duì)混合料各截面上最大空隙的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可認(rèn)為是0.2mm高度混合料內(nèi)部最大空隙的面積。

3.3 多孔瀝青混合料空隙率縱向分布

一般來(lái)說，成型過程中瀝青混合料試件內(nèi)部空隙的縱向分布會(huì)呈現(xiàn)出不均勻的分布。分別計(jì)算試件各斷面的空隙率，將其繪制于一張圖中，便可得到雙層排水路面內(nèi)部空隙率的縱向分布，結(jié)果見圖1。

圖1 單層OGFC-13縱向空隙率分布

表2 多孔瀝青混合料空隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（1）混合料空隙率呈現(xiàn)出上、下高，中間低的縱向分布規(guī)律，其中雙層排水試件上下面層的界面附近空隙率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，該峰值位置即為上下面層的交界處。

（2）下面層粗粒徑混合料試件中間空隙率的波動(dòng)幅度往往又大于上面層細(xì)粒徑多孔瀝青混合料。對(duì)于多孔瀝青混合料來(lái)說，最大粒徑越大，空隙率越大，則混合料內(nèi)部空隙變化也越大。

3.4 多孔瀝青混合料空隙數(shù)量及最大空隙面積縱向分布

統(tǒng)計(jì)CT圖像內(nèi)的空隙數(shù)量和空隙面積，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 空隙數(shù)量縱向分布

圖3 空隙最大面積縱向分布

分析三種試件內(nèi)部空隙分布規(guī)律，所用四種混合料按空隙數(shù)量多少排序?yàn)椋篛GFC-10>OGFC-13（1）>OGFC-13（2）>OGFC-20，按最大空隙面積大小正好相反，為 OGFC-20>OGFC-13（2）>OGFC-13（1）>OGFC-10。雙層排水路面下面層混合料的空隙率和粒徑均大于上面層混合料，這主要是因?yàn)?，混合料中集料粒徑越大，粗集料之間的空隙則越大，故混合料內(nèi)部最大空隙面積和平均面積越大，則單位面積內(nèi)空隙數(shù)量越少。

雙層多孔瀝青混合料試件，上面層的空隙數(shù)量要多于下面層，而最大空隙面積和平均空隙面積的分布規(guī)律則完全相反，這種空隙分布使雙層排水路面形成“篩子效應(yīng)”：上面層的混合料的空隙較小，阻止大粒徑的雜物進(jìn)入混合料的內(nèi)部；而下面層的空隙較大，水流可輕松排出進(jìn)去混合料內(nèi)部的細(xì)小灰塵與其他雜物，防止堵塞。因此，可以很容易地利用真空吸塵和水槍噴射等技術(shù)，將被堵塞的上面層清理干凈。即使雙層排水路面的上層被堵塞而沒有被及時(shí)清理，由于空隙被堵塞，當(dāng)路面上有積水時(shí)，車輛行駛會(huì)產(chǎn)生很大的水壓力，將細(xì)小的堵塞物沖入下面層，而下面層的空隙則明顯更大而不會(huì)被堵塞，雜物被沖走，達(dá)到自清潔的效果。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了三種排水路面結(jié)構(gòu)組合（單層OGFC-13、雙層OGFC-13（1）+OGFC-20、雙層 OGFC-10+OGFC-13（2），并研究分析了多孔瀝青混合料的路用性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征：

（1）混合料空隙率呈現(xiàn)出上、下高，中間低的縱向分布規(guī)律，其中雙層混合料試件中間空隙率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，該峰值位置即為上下面層的交界處。

（2）混合料的粒徑越大，空隙率越大，則混合料內(nèi)部最大空隙面積越大，空隙數(shù)量越少，空隙的平均面積越大。雙層排水路面結(jié)構(gòu)中，上面層的空隙數(shù)量要多于下面層，而最大空隙面積和平均空隙面積的分布規(guī)律則完全相反，這種空隙分布使雙層排水路面形成“篩子效應(yīng)”：上面層的混合料的空隙較小，阻止大粒徑的雜物進(jìn)入混合料的內(nèi)部；而下面層的空隙較大，水流可輕松排出進(jìn)去混合料內(nèi)部的細(xì)小灰塵與其他雜物，防止堵塞。