密級(jí)配瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)

張建飛，郭 輝，陳小麗，武金婷，徐亦冬

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶市 400074；2.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450）

0 引 言

瀝青混合料由礦料、礦粉、瀝青及空隙組成，其均勻性對(duì)瀝青路面的使用性能和壽命存在顯著影響[1-2]?；跀?shù)字圖像技術(shù)的瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)已開展較多研究。梁乃興等[3-5]建立了以集料靜矩為主要研究參數(shù)的瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并在試驗(yàn)路段進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的評(píng)價(jià)效果，但該方法僅能評(píng)價(jià)道路表面的混合料均勻性，而無法評(píng)價(jià)路面以下結(jié)構(gòu)均勻性，存在一定局限性。彭勇等[6-8]根據(jù)馬歇爾試件截面的集料分布位置、集料分布數(shù)，建立了不同截面的集料水平分布指標(biāo)，但由于圓形試件受到模具影響，截面邊緣部分的集料會(huì)對(duì)均勻性評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響。李智[9]和郭乃勝等[10]采用截面不同區(qū)域集料面積比和混合料各組分面積比作為評(píng)價(jià)參數(shù)來評(píng)價(jià)試件截面內(nèi)的均勻程度。面積比評(píng)價(jià)方法參數(shù)簡(jiǎn)單，易計(jì)算得到混合料的均勻性。然而，這類方法評(píng)價(jià)均勻性受區(qū)域劃分影響，當(dāng)區(qū)域繞截面幾何中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，同一個(gè)截面所得到的均勻性指標(biāo)存在一定波動(dòng)性。

已有研究均取得了一定的成果，但仍存在評(píng)價(jià)區(qū)域的相關(guān)問題。室內(nèi)成型的瀝青混合料由于模具尺寸和形狀的限制，試件在成型過程中邊緣集料的分布必然受模具影響，導(dǎo)致結(jié)合工程芯樣驗(yàn)證均勻性指標(biāo)時(shí)往往不具備充分的參考價(jià)值。本文通過粗集料間劃分區(qū)域的方法來評(píng)價(jià)混合料的均勻性，減小模具邊緣效應(yīng)對(duì)均勻性評(píng)價(jià)帶來的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 均勻性評(píng)價(jià)分析參數(shù)介紹

為減小邊緣集料分布對(duì)均勻性分析的影響，以切片截面上三顆粗集料的外側(cè)公切線所包圍的集料作為均勻性評(píng)價(jià)的集料單元。均勻性評(píng)價(jià)區(qū)域包括評(píng)價(jià)單元內(nèi)的集料和與評(píng)價(jià)單元內(nèi)的集料直接相鄰的外部集料，避免了切片截面上邊緣集料參與計(jì)算和評(píng)價(jià)。從混合料切片中周圍相鄰粗集料的角度出發(fā)，針對(duì)一顆粗集料，尋找與其相鄰的粗集料，同時(shí)將相鄰粗集料的質(zhì)心相連，圖1為評(píng)價(jià)單元和相鄰粗集料區(qū)域示意圖。

圖1 評(píng)價(jià)單元和相鄰粗集料區(qū)域示意圖

給出關(guān)系式：

式中：A為相鄰粗集料區(qū)域面積比值；SJL為質(zhì)心圍成區(qū)域內(nèi)粗集料面積；SQY為質(zhì)心圍成區(qū)域面積。將面積比作為均勻性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，對(duì)截面上均勻性評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)相鄰粗集料構(gòu)成的面積比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。利用MATLAB軟件編寫相關(guān)程序提取面積比參數(shù)，面積比參數(shù)用圖像前景像素個(gè)數(shù)與區(qū)域內(nèi)像素總個(gè)數(shù)的比值近似代替。

將提取到的相鄰粗集料區(qū)域面積比的相對(duì)平均差作為單個(gè)水平截面均勻性評(píng)價(jià)的指標(biāo)，如式（2）所示：

式中：C為相鄰粗集料區(qū)域面積比相對(duì)平均差；n為質(zhì)心圍成區(qū)域個(gè)數(shù)；Ai為不同相鄰粗集料區(qū)域面積比值為相鄰粗集料區(qū)域面積比平均值。系數(shù)反映了不同區(qū)域相鄰集料構(gòu)成面積比與面積比平均值的偏差程度。式（3）為局部均勻性表達(dá)式：

式中：Ci為相鄰粗集料區(qū)域相對(duì)面積差，反映了截面的局部均勻性，可與評(píng)價(jià)區(qū)域的截面均勻性指標(biāo)形成對(duì)照關(guān)系。

1.2 瀝青混合料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）設(shè)計(jì)AC-13C和SMA-13兩種類型的瀝青混合料配合比。兩種類型混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配見表1。

表1 瀝青混合料集料通過率

為了消除集料種類和瀝青型號(hào)對(duì)混合料中粗集料分布帶來的影響，試驗(yàn)集料均采用玄武巖，瀝青均采用SBS類改性瀝青。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）成型上述類型試件各5個(gè)，并進(jìn)行試件切割和圖像采集，試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)過程

利用圖像處理技術(shù)，對(duì)混合料試件的水平切割截面進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像灰度化、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理等，如圖3所示。

圖3 S MA-13混合料切片預(yù)處理流程

2 結(jié)果分析

2.1 相鄰粗集料區(qū)域面積比參數(shù)

圖4分別為兩種類型混合料切片二值圖像，其中紅色區(qū)域?yàn)椴糠窒噜彺旨蠀^(qū)域。通過相關(guān)程序獲取相鄰粗集料區(qū)域面積比參數(shù)，計(jì)算截面上均勻性評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)粗集料面積比的平均值。

圖4 相鄰粗集料區(qū)域

由圖5可知，兩種類型混合料相鄰粗集料區(qū)域面積比的差異性，SMA-13比AC-13C提高了40.7%。由于SMA-13為骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料，內(nèi)部粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)相互嵌鎖，壓實(shí)過程中可供粗集料移動(dòng)的空間小。AC-13C為懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料，粗集料移動(dòng)空間大，無法形成嵌鎖骨架。因此，在圖像上，SMA-13提取到的相鄰粗集料區(qū)域面積比會(huì)高于AC-13C。這與兩類混合料的結(jié)構(gòu)類型相符合。

圖5 相鄰粗集料區(qū)域面積比

圖6為分計(jì)粗集料的相鄰粗集料區(qū)域面積比柱狀圖，其中以相鄰粗集料區(qū)域中的中心集料作為分計(jì)集料。由圖可知，隨著粗集料粒徑的增大，兩種類型混合料相鄰粗集料區(qū)域面積比均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中AC-13C各檔位粗集料面積比相比次級(jí)檔位粗集料面積比分別提高了9.8%、20.1%和13.14%，而SMA-13分 別 提 高 了4.3%、11.2%和10.51%。SMA-13各檔位粗集料的相鄰粗集料區(qū)域面積比增長(zhǎng)程度較小，面積比更接近，說明SMA-13有更好的骨架穩(wěn)定性，變異性比AC-13C更小。

圖6 分計(jì)粗集料的相鄰粗集料區(qū)域面積比

2.2 AC-13C和S MA-13瀝青混合料均勻性對(duì)比

圖7為兩種類型混合料單個(gè)截面面積比相對(duì)平均差和單個(gè)試件面積比相對(duì)平均差的統(tǒng)計(jì)圖。

圖7 截面面積比相對(duì)平均差

按照均勻性評(píng)價(jià)參數(shù)，面積比相對(duì)平均差越小，瀝青混合料中粗集料的分布就越均勻。由圖7可知，兩類混合料均勻性存在顯著區(qū)別。AC-13C和SMA-13相鄰粗集料區(qū)域面積比相對(duì)平均差的平均值分別為0.144 0和0.215 3，SMA-13比AC-13C降低了33.1%，說明SMA-13的瀝青混合料均勻性整體好于AC-13C。根據(jù)圖5所得的結(jié)論可知，SMA-13的相鄰粗集料區(qū)域面積比平均值顯著高于AC-13C，使得式（2）中分母項(xiàng)增大，從而面積比相對(duì)平均差整體小于AC-13C。通過計(jì)算得到AC-13C和SMA-13面積比相對(duì)平均差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.044 6和0.025 2，即AC-13C面積比相對(duì)平均差的離散程度較SMA-13更大，說明AC-13C瀝青混合料不同截面上均勻性差異較大。這是由于AC-13C的粗集料在成型過程中更易發(fā)生隨機(jī)地遷移，造成局部粗集料堆積和部分區(qū)域?yàn)r青膠漿過多；而SMA-13由于骨架相互嵌鎖，成型過程中粗集料可遷移空間較小，因此均勻性變化相對(duì)較小。

雖然兩種類型混合料整體均勻性存在差異，但部分截面上差異性小，均勻性程度相近，較難以單個(gè)截面的面積比相對(duì)平均差區(qū)分出兩種混合料類型。因此，以同一試件不同截面面積比相對(duì)平均差的平均值作為單個(gè)試件的均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖8給出了單個(gè)試件的面積比相對(duì)平均差相關(guān)數(shù)據(jù)，其中AC-13C的均勻性最小值為0.186 8，SMA-13的最大值為0.167 1，二者在均勻性數(shù)值上不存在重疊區(qū)域。因此，可有效區(qū)分AC-13C和SMA-13。

圖8 試件面積比相對(duì)平均差

2.3 分計(jì)粗集料的分布對(duì)集料結(jié)構(gòu)均勻性的影響分析

混合料中集料粒徑的差異也會(huì)有不同的均勻性表現(xiàn)。分計(jì)后的相鄰粗集料區(qū)域相對(duì)面積差可以體現(xiàn)出不同檔位粗集料對(duì)整體均勻性貢獻(xiàn)的差異性。

圖9為試件分計(jì)粗集料的相鄰粗集料區(qū)域相對(duì)面積差與面積比關(guān)系圖。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)回歸發(fā)現(xiàn)，兩種類型混合料隨著相鄰粗集料區(qū)域面積比（集料粒徑）的增大，相對(duì)面積差并非呈線性分布，而是呈現(xiàn)出先有一定減小而后增大的趨勢(shì)?；貧w曲線為二次拋物線，復(fù)相關(guān)系數(shù)AC-13C為0.714 87，SMA-13為0.765 92，說明面積比與相對(duì)面積差存在較大的相關(guān)性。由圖可知，AC-13C的4.75~9.5 mm檔位粗集料的相對(duì)面積差為0.202 2，是最小的，因此均勻性是最好的；而大于13.2 mm檔位粗集料的相對(duì)面積差為0.316 2，是最大的，因此均勻性最差。SMA-13的4.75~9.5 mm和9.5~13.2 mm檔位的粗集料相對(duì)面積差非常接近，分別為0.136 8和0.134 8，均屬于最小的檔位，因此這兩檔均勻性最好；而大于13.2 mm檔位的粗集料相對(duì)面積差為0.221 8，是最大的，因此均勻性最差。

圖9 試件分計(jì)粗集料的相鄰粗集料區(qū)域面積比與相對(duì)面積差關(guān)系

2.4 均勻性評(píng)價(jià)效果

根據(jù)圖7中的均勻性數(shù)據(jù)并結(jié)合觀察法，按面積比相對(duì)平均差等分的原則，將瀝青混合料均勻性程度分為四類（見表2）。

表2 均勻性分級(jí)

表中的“均勻”和“輕度不均勻”屬于均勻性較好的一類，截面上粗集料的分布較為合理，而“中度不均勻”和“重度不均勻”屬于均勻性較差一類，截面上存在粗集料堆積和瀝青膠漿集中的現(xiàn)象。均勻性評(píng)價(jià)效果如圖9所示。

由圖10可知，隨著均勻性指標(biāo)的增大，混合料的均勻性程度分別由均勻變?yōu)橹囟炔痪鶆颉?/p>

圖10 混合料截面圖

從圖10可以較好地反映出兩種類型瀝青混合料截面的整體均勻性，但局部均勻性較差的部分也是最易引發(fā)混合料病害的薄弱點(diǎn)。分別取圖10中均勻性最差的4個(gè)截面進(jìn)行圖像分割并計(jì)算局部均勻性。圖11反映了混合料截面上局部區(qū)域的均勻性，圖中紅色集料標(biāo)記區(qū)域?yàn)榻孛嫔暇植烤鶆蛐宰畈畹牟糠帧?/p>

圖11（a）為AC-13C的局部均勻性區(qū)域，根據(jù)計(jì)算得出紅色標(biāo)記的局部均勻性為0.613 1和0.640 6。圖11（b）為SMA-13的局部均勻性區(qū)域，根據(jù)計(jì)算得出紅色標(biāo)記的局部均勻性為0.363 8和0.434 9。因此，可知評(píng)價(jià)區(qū)域的局部均勻性和整體均勻性的對(duì)比效果明顯。

圖11 混合料截面局部均勻性

3 結(jié) 語

（1）SMA-13的相鄰粗集料區(qū)域面積比比AC-13C提高了40.7%，且SMA-13各檔位粗集料面積比變異性小于AC-13C，SMA-13有更好的骨架穩(wěn)定性。

（2）SMA-13的相鄰粗集料區(qū)域面積比相對(duì)平均差比AC-13C降低了33.1%，SMA-13均勻性整體好于AC-13C。單個(gè)試件作為均勻性評(píng)價(jià)單元，可有效區(qū)分兩種類型的瀝青混合料。

（3）AC-13C的4.75~9.5 mm和大于13.2 mm檔位粗集料的相對(duì)面積差分別為0.202 2和0.316 2，是AC-13C中均勻性最好和最差檔位的集料。SMA-13的4.75~9.5 mm和9.5~13.2 mm檔位粗集料的相對(duì)面積差分別為0.136 8和0.134 8，是SMA-13中均勻性最好的兩檔粗集料。大于13.2 mm檔位粗集料的相對(duì)面積差為0.221 8，是SMA-13中均勻性最差檔位的集料。