基于油石分離的再生集料顆粒形態(tài)多尺度變化

馬川義　閆顯亮　呂鑫　張吉哲

摘要：為研究廢舊瀝青混合料（recycle asphalt pavement，RAP）再生工藝對集料顆粒形態(tài)特征的影響，采用油石分離處置技術(shù)制備再生集料，建立考慮再生集料顆粒宏觀-細觀-微觀的多尺度評價指標體系，結(jié)合三維掃描儀和集料圖像測量系統(tǒng)測量新集料、未處置RAP和再生集料顆粒的球度、針片狀指數(shù)、梯度棱角性和紋理指數(shù)等4個形態(tài)評價指標，對比分析3種集料顆粒的形態(tài)特征與多尺度變化規(guī)律。結(jié)果表明：相比于新集料顆粒和未處置RAP顆粒，再生集料顆粒的形態(tài)特征在宏觀尺度上的指標參數(shù)變化不大，在微觀-細觀尺度上的指標變化較大，梯度棱角性平均減小12.5%，紋理指數(shù)平均增大14.0%，3種集料的4個形態(tài)指標均符合正態(tài)分布。相比于未處置RAP顆粒，再生集料顆粒的球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)的標準差均明顯變小，表明油石分離處置技術(shù)對改善再生集料顆粒的宏觀-微觀-細觀形態(tài)特征的變異性有積極作用。對RAP進行高摻量再生利用時，應(yīng)考慮再生集料顆粒的梯度棱角性和紋理指數(shù)與混合料路用性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：油石分離；再生集料；多尺度評價；顆粒形態(tài)；球度；梯度棱角性；紋理指數(shù)

中圖分類號：U416.03;U214.7+5文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2023）02-0095-07

引用格式：馬川義，閆顯亮，呂鑫，等.基于油石分離的再生集料顆粒形態(tài)多尺度變化［J］.山東交通學院學報，2023，31（2）：95-101.

MA Chuanyi， YAN Xianliang， Lｕ Xin，et al. Multi-scale variation of recycled aggregate particle morphology based on oilstone separation［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（2）：95-101.

0 引言

經(jīng)過大規(guī)模的公路建設(shè)周期后，我國每年有大量路段需進行養(yǎng)護維修，由此產(chǎn)生大量廢舊瀝青混合料（recycle asphalt pavement，RAP），傳統(tǒng)的處理方法是將RAP露天堆放或填理，易造成堆放場地的環(huán)境污染。對RAP進行再生利用的常用處理方法是對RAP進行破碎篩分，篩分后的RAP表面裹附較多老化瀝青，再生瀝青混合料中新舊瀝青混溶效果較差，影響瀝青混合料的路用性能，制約了RAP的高摻量回收再利用。

集料是瀝青路面建設(shè)過程中使用量最大的原材料，其顆粒形態(tài)特征影響瀝青混合料內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)和應(yīng)力傳遞路徑[1]，采用各種處置技術(shù)難免影響原有集料的顆粒形態(tài)，需系統(tǒng)評價再生集料的顆粒形態(tài)特征，提升RAP資源利用的效果，保障再生瀝青混合料的服役性能。

在集料顆粒形態(tài)評價指標的研究中，研究人員建立了從二維層面到三維層面的評價指標[2-3]。Liu等[4]基于二維傅立葉變換快速測量新集料的紋理，Wang等[5]基于傅里葉形態(tài)分析建立評價顆粒形狀和棱角性的三維指標?，F(xiàn)在多采用數(shù)字圖像技術(shù)表征集料顆粒形態(tài)，Wang等[6]借助AIMS系統(tǒng)和CT掃描技術(shù)分析不同磨耗程度下集料的棱角性，結(jié)果表明相比于CT技術(shù)，AIMS系統(tǒng)可更高效地測量集料的棱角性。

目前國內(nèi)外研究的主要對象為新集料，且常從集料顆粒宏觀-細觀-微觀形態(tài)3個尺度中選擇某一尺度進行評價，較少對再生集料的形態(tài)特征進行多尺度評價，同時油石分離處置技術(shù)對再生集料形態(tài)特征的影響規(guī)律尚不明晰。本文采用瀝青銑刨料精細化處置裝備對RAP進行油石分離，建立多尺度的顆粒形態(tài)評價指標體系，對再生集料的顆粒形態(tài)進行合理評價，分析精細化處置對再生集料顆粒形態(tài)特征的影響，為RAP的高摻量再生利用提供參考。

1 集料顆粒形態(tài)評價

集料顆粒形態(tài)評價指標大致分為宏觀尺度、細觀尺度和微觀尺度等3個尺度[7]，如圖1所示。

1.1 集料顆粒形態(tài)評價指標

宏觀形態(tài)指標主要表征集料顆粒的整體輪廓[8]，目前文獻[9]只限制粗集料顆粒針片狀特征，并未限定其宏觀輪廓特征[10]?？赏ㄟ^建立縱橫比[11]和矩形度[12]等二維指標快速評價集料顆粒的宏觀形態(tài)特征，但損失了部分維度信息。也可建立針片狀指數(shù)、形狀因子、球度和形狀等三維指標[13-15]，但難以快速精準測量三維指標所需的集料顆粒輪廓參數(shù)。

細觀形態(tài)指標主要表征集料顆粒邊緣棱角的分布情況，可采用等效橢圓和凸包理論方法衡量集料顆粒的棱角性[16-17]，再采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和CT掃描技術(shù)建立精確評價指標[18-19]，但測量過程繁瑣，成本較高。

微觀形態(tài)指標主要表征集料顆粒表面的形態(tài)特征，可采用分形維數(shù)研究集料顆粒表面紋理[20]，可采用功率譜法、方差法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法和盒子計數(shù)法。

宏觀尺度方面選擇球度αDS和針片狀指數(shù)αFER為評價指標，細觀和微觀方面分別選擇梯度棱角性αGA、紋理指數(shù)αTX為評價指標。

1.2 集料顆粒形態(tài)測量方法

集料顆粒形態(tài)特征的測量方法主要分為傳統(tǒng)人工測量和基于數(shù)字圖像處理測量：傳統(tǒng)測量結(jié)果易受操作人員影響，誤差較大；數(shù)字圖像處理方法可準確測量集料顆粒形態(tài)[21]，測量技術(shù)包括動態(tài)圖像分析、電荷耦合器件（charge coupled device，CCD） 相機掃描、集料顆粒電子分析系統(tǒng)、粗集料形態(tài)特征分析系統(tǒng)、集料圖像分析、三維光學掃描、X射線斷層掃描、集料微觀紋理激光檢測，其中單攝像機可測量二維形態(tài)指標，多攝像機可實現(xiàn)三維形態(tài)指標的測量，X射線斷層掃描可組合多幅二維圖像進行三維集料重構(gòu)，但其重構(gòu)精度依賴掃描次數(shù)，成本較高。采用多攝像機圖像處理方法的三維光學掃描技術(shù)測量集料顆粒形態(tài)較便捷，準確度較可靠，成本較有優(yōu)勢。

采用三維光學掃描儀測量集料顆粒形態(tài)的宏觀形態(tài)參數(shù)時，2個攝像頭呈一定夾角采集被藍光照射的集料顆粒圖像，再結(jié)合圖像處理技術(shù)解算公共區(qū)域內(nèi)像素點的三維坐標，實現(xiàn)集料顆粒的三維重構(gòu)[22]，如圖2所示。

在集料顆粒的三維重構(gòu)階段，三維掃描儀對顆粒表面進行圓滑處理，喪失表面局部紋理等信息，影響集料顆粒微觀-細觀形態(tài)參數(shù)的準確性，因此采用集料圖像測量系統(tǒng)（aggregate image measurement system，AIMS）測量集料顆粒的αGA和αTX。以集料顆粒輪廓切線方向的變化率表征棱角性，基于小波分析中的短高頻基函數(shù)和長低頻基函數(shù)分別量化集料顆粒表面細節(jié)紋理與粗略紋理，建立表征集料顆粒表面紋理的αTX，所得結(jié)果較精確。

2 再生集料顆粒形態(tài)評價

2.1 再生集料制備

通常對RAP只進行銑刨-破碎-篩分后直接使用，預(yù)處理較簡單。為提高新舊瀝青的混溶效果，保障再生瀝青混合料的路用性能，對RAP進行油石分離的精細化處置，將RAP處理為再生集料和富油細集料。

采用瀝青銑刨料精細化處置裝備對40 kg RAP進行30 min的油石分離，獲得再生集料，如圖3c）所示。再生集料的表觀相對密度、表干相對密度、含水率和吸水率等指標的室內(nèi)測試結(jié)果如表1所示，各指標均滿足文獻[23]要求。

2.2 再生集料形態(tài)的多尺度評價

選取新集料、未處置RAP和再生集料各100粒進行分析，對再生集料的顆粒形態(tài)進行多尺度評價，分析精細化處置對再生集料形態(tài)特征的影響。

2.2.1 多尺度評價試驗方法

選擇αDS和αFER 2個指標分析再生集料顆粒的宏觀形態(tài)特征，測量步驟為：清洗、晾干再生集料顆粒；對再生集料顆粒表面噴涂白色顯影劑，便于后續(xù)圖像掃描，保證三維掃描效果；采用三維掃描儀測量再生集料顆粒的輪廓尺寸，旋轉(zhuǎn)臺每次旋轉(zhuǎn)60°，掃描單個再生集料顆粒6次，保證再生集料顆粒的多維掃描圖像順利拼接；將集料顆粒三維重構(gòu)圖像導(dǎo)入后處理軟件，統(tǒng)計得到集料顆粒輪廓的長邊、中邊和短邊數(shù)據(jù)。

集料顆粒宏觀形態(tài)指標的計算公式為：

式中：DL、DI、DS分別為集料顆粒最小包圍盒的長邊、中邊、短邊長度。

選擇αGA和αTX 2個指標評價再生集料顆粒的微、細觀形態(tài)特征，具體測量步驟為：清洗、晾干再生集料顆粒；將再生集料顆粒逐顆擺放在AIMS相應(yīng)規(guī)格的托盤凹槽中，關(guān)上暗箱門板掃描3次，第1次用于定位各再生集料顆粒的相對位置，第2次通過攝像機測量獲得集料顆粒的αGA，第3次掃描通過頂視燈和顯微鏡獲得集料顆粒的表面紋理數(shù)據(jù)；在AIMS中計算集料顆粒微、細觀形態(tài)指標。

集料顆粒微、細觀形態(tài)指標的計算公式為：

式中：θi為第i個邊點的方向角度，θi+3為第i+3個邊點的方向角度，n為邊點的總數(shù)，D為分解函數(shù)，N為小波系數(shù)的總數(shù)，（x，y）為變換域內(nèi)系數(shù)位置。

不同集料顆粒的αDS、αFER、αGA和αTX等4個指標的平均值如表2所示。

由表2可知：相較于未處置RAP，再生集料顆粒在宏觀形態(tài)上變化較小，其中αDS——增大2.9%，αFER——減小7.6%；在微-細觀尺度上相關(guān)評價指標變化較大，其中αGA——減小12.5%，αTX——增大14.0%。原因是在對RAP進行拋丸噴磨處置時，在外力作用下，部分結(jié)團的RAP裂解，集料顆粒整體的αFER小幅下降；經(jīng)過拋丸噴磨處置后，集料顆粒表面出現(xiàn)較明顯的打磨痕跡，αTX增大，但對集料顆粒的梯度棱角性產(chǎn)生一定破壞。

2.2.2 宏觀形態(tài)特征評價

將表征顆粒宏觀形態(tài)的αDS和αFER 2個指標進行直方圖統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：3種集料顆粒的2個指標均符合正態(tài)分布，相比于新集料顆粒和未處置RAP顆粒，再生集料顆粒αDS的分布曲線更陡峭，原因是經(jīng)過油石分離處置后，原集料顆粒的球度變異性得到明顯改善；再生集料顆粒的αFER直方圖與新集料顆粒較接近，前者αFER的標準差在新集料顆粒和未處置RAP顆粒間，原因是油石分離處置過程中，一些結(jié)團的RAP發(fā)生裂解，再生集料顆粒整體的針片狀情況得以改善。

2.2.3 微、細觀形態(tài)特征評價

將表征顆粒微、細觀形態(tài)特征的αGA和αTX 2個指標進行直方圖分布分析，如圖5所示。

由圖5可知：再生集料顆粒的αGA呈非標準正態(tài)分布，比新集料顆粒和未處置RAP顆粒的分布區(qū)間整體偏左，說明RAP油石分離處置技術(shù)對集料顆粒的局部梯度棱角性產(chǎn)生負面影響，可能影響再生瀝青混合料的路用性能；再生集料顆粒αTX的分布區(qū)間整體偏右，紋理指數(shù)為400～500的集料顆粒占比相較于未處置RAP顆粒減小52.94%，紋理指數(shù)為800～1200的集料顆粒占比相較于未處置RAP顆粒增大21.05%，表明RAP油石分離處置技術(shù)增加了再生集料顆粒的表面紋理。

因此，相較于新集料顆粒和未處置RAP顆粒，油石分離技術(shù)明顯改善再生集料顆粒在宏觀-微觀層面的形態(tài)特征，但對集料細觀層面的梯度棱角性產(chǎn)生負面影響。相比于未處置RAP顆粒，再生集料顆粒的αDS、αGA和αTX的標準差均明顯變小，3個指標的離散程度有所改善，表明油石分離技術(shù)對改善再生集料的宏觀-微觀-細觀特征有積極作用。

3 結(jié)論

采用油石分離技術(shù)處置RAP制備再生集料，建立考慮再生集料顆粒宏觀-細觀-微觀的多尺度評價指標體系，對比新集料、未處置RAP和再生集料的顆粒形態(tài)特征，分析油石分離技術(shù)對集料顆粒形態(tài)特征的影響規(guī)律。

1）采用油石分離技術(shù)處置RAP后再生集料老化瀝青質(zhì)量分數(shù)明顯減小，各項物理指標滿足規(guī)范要求。

2）建立再生集料顆粒形態(tài)多尺度評價指標體系，采用三維光學掃描儀測量再生集料顆粒的宏觀形態(tài)參數(shù)，采用集料圖像測量系統(tǒng)分析集料的微-細觀形態(tài)參數(shù)，測量方法較便捷可靠。

3）相比于新集料顆粒和未處置RAP顆粒，再生集料顆粒在微-細觀尺度上變化較大，紋理指數(shù)平均增大14.0%，梯度棱角性平均減小12.5%，表明對RAP進行再生利用時需關(guān)注集料顆粒的梯度棱角性損失情況。再生集料顆粒的球度、針片狀指數(shù)、梯度棱角性和紋理指標等4個形態(tài)指標均符合正態(tài)分布，油石分離技術(shù)對改善再生集料顆粒的宏觀-微觀-細觀特征有積極影響，相比于未處置RAP顆粒，再生集料顆粒的球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)的標準差均明顯變小。

參考文獻：

[1] 唐海柱.瀝青混合料粗集料簡化骨架構(gòu)建與內(nèi)應(yīng)力路徑識別[D].廣州：廣州大學，2022.

TANG Haizhu. Simplified skeleton construction and identification of internal stress paths for coarse aggregates in asphalt mixtures[S].Guangzhou： Guangzhou University， 2022.

[2] 崔喆，張生瑞.基于CT圖像的集料三維棱角性計算方法[J].交通運輸工程學報， 2017，17（5）：39-49.

CUI Zhe， ZHANG Shengrui. Computational method of 3D aggregate angularity based on CT images[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering， 2017，17（5）：39-49.

[3] SU D， YAN W M. Quantification of angularity of general-shape particles by using Fourier series and a gradient-based approach[J].Construction and Building Materials，2018，161：547-554.

[4] LIU Y， GONG F Y， YOU Z P， et al. Aggregate morphological characterization with 3d optical scanner versus X-ray computed tomography[J].Journal of Materials in Civil Engineering， 2017，30（1）： 04017248.

[5] WANG L B， WANG X R. Unified method to quantify aggregate shape angularity and texture using Fourier analysis[J].Journal of Materials in Civil Engineering， 2005， 17（5）： 498-504.

[6] WANG H N， WANG C H， BU Y， et al. Correlate aggregate angularity characteristics to the skid resistance of asphalt pavement based on image analysis technology[J].Construction and Building Materials，2020，242（C） ：118150.

[7] XIE X G， LU G Y， LIU P F， et al. Evaluation of morphological characteristics of fine aggregate in asphalt pavement[J].Construction and Building Materials，2017，139：1-8.

[8] 張開銀，崔樹森，李松，等.集料形態(tài)特性對瀝青路面抗滑性能的影響[J].武漢理工大學學報，2021，43（6）：41-46.

ZHANG Kaiyin， CUI Shusen， LI Song， et al. Research on skid resistance of asphalt pavement based on aggregate characteristics[J].Journal of Wuhan University of Technology， 2021，43（6）：41-46.

[9] 中華人民共和國交通運輸部，交通運輸部公路科學研究院.公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范：JTG/T 5521—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

[10] 紀倫，李俊，張磊，等.瀝青混凝土中粗集料形貌特征分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2019，51（3）：61-67.

JI Lun， LI Jun， ZHANG Lei， et al. Analysis of the morphology characteristics of coarse aggregate in asphalt concrete[J].Journal of Harbin Institute of Technology， 2019，51（3）：61-67.

[11] 王文真，申愛琴，郭寅川，等.基于圖像分析的粗集料形狀特征參數(shù)及分布規(guī)律[J].公路交通科技，2020，37（1）：25-31.

WANG Wenzhen， SHEN Aiqin， GUO Yinchuan， et al. Shape feature parameters and distribution rule of coare aggregate based on image analysis[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2020，37（1）：25-31.

[12] 李洛克，劉海明，張鎮(zhèn)國，等.路用集料三維形貌的定量表征方法研究[J].公路交通科技，2021，38（2）：16-23.

LI Luoke， LIU Haiming， ZHANG Zhenguo， et al. Study on quantitative characterization method of 3D morphology of road aggregate[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2021，38（2）：16-23.

[13] 袁海.集料表觀形態(tài)與瀝青混合料性能相關(guān)性分析[J].鹽城工學院學報（自然科學版），2019，32（3）：64-69.

YUAN Hai. Analysis of correlation between aggregate apparent morphology and asphalt mixture performance[J].Journal of Yancheng Institute of Technology（Natural Science Edition）， 2019，32（3）：64-69.

[14] 尹海鵬，李有堂，黃華.基于幾何形態(tài)學影響的集料建模及評價方法[J].西南交通大學學報，2022，57（6）：1184-1192.

YIN Haipeng， LI Youtang， HUANG Hua. Modeling and evaluation of aggregate based on influence of geometry morphology[J].Journal of Southwest Jiaotong University， 2022，57（6）：1184-1192.

[15] 耿超.基于圖像處理的集料形態(tài)特征定量評價[J].公路交通科技，2018，35（12）：42-47.

GENG Chao. Quantitative evaluation of morphological feature of aggregate based on image processing[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2018，35（12）：42-47.

[16] 趙振軍. 粗集料棱角性的評價方法及對混合料性能影響研究[D].西安：長安大學， 2018.

ZHAO Zhenjun. Study on the evaluation method of coarse aggregate angularity and its influence on the road performance of asphalt mixture[D].Xi′an： Chang′an University， 2018.

[17] 朱洪洲，譚祺琦，范世平，等.基于圖像技術(shù)的瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)研究進展[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2021，40（10）：97-110.

ZHU Hongzhou， TAN Qiqi， FAN Shiping， et al. Research progress of bituminous mixture meso-structure based on image technology[J].Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science）， 2021，40（10）：97-110.

[18] 金燦，李守國，汪培松，等.基于X-ray CT圖像的集料形狀表征方法[J].交通科技與經(jīng)濟，2018，20（6）：66-69.

JIN Can，LI Shouguo， WANG Peisong， et al. Preliminary study on aggregate shape characterization based on X-ray CT imaging[J].Technology & Economy in Areas of Communications， 2018，20（6）：66-69.

[19] 《中國公路學報》編輯部.中國路面工程學術(shù)研究綜述·2020[J].中國公路學報，2020，33（10）：1-66.

Editorial Department of China Journal of Highway and Transport.Review on China′s pavement engineering research·2020[J].China Journal of Highway and Transport， 2020，33（10）：1-66.

[20] 王鳳，肖月，崔培德，等.集料形態(tài)特征對瀝青混合料性能影響規(guī)律的研究進展[J].材料導(dǎo)報，2022，36（17）：95-107.

WANG Feng， XIAO Yue， CUI Peide， et al. Review on the characterization of aggregate morphology and its influence on asphalt mixture properties[J].Materials Reports， 2022，36（17）：95-107.

[21] 郭美虹. 基于圖像處理技術(shù)的粗骨料形狀特性分析及其應(yīng)用[D].煙臺：煙臺大學，2020.

GUO Meihong. Shape characteristics analysis of coase aggregate based on image processing technology and its application[D].Yantai： Yantai University，2020.

[22] 陳甲康，高俊鋒，汪海年，等.集料圖像測量系統(tǒng)（AIMSⅡ）的評價指標研究與合理性驗證[J].筑路機械與施工機械化，2019，36（9）：100-105.

CHEN Jiakang， GAO Junfeng， WANG Hainian， et al. Research on evaluation index and rationality of aggregate image measurement system（AIMSⅡ）[J].Road Machinery & Construction Mechanization， 2019，36（9）：100-105.

[23] 中華人民共和國交通部，交通部公路科學研究院.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

Multi-scale variation of recycled aggregate particle morphology based on oilstone separation

MA Chuanyi1， YAN Xianliang2，Lｕ Xin3， ZHANG Jizhe3

1. Shandong Hi-Speed Group， Jinan 250098， China;

2.Shandong Provicial Communication Planning and Design Institute Group Co.， Ltd.， Jinan 250098， China;

3. School of Qilu Transportation， Shandong University， Jinan 250100， China

Abstract：In order to study the influence of recycled asphalt pavement （RAP） regeneration process on the morphology characteristics of aggregate particles， the recycled aggregate is prepared by oil stone separation and disposal technology， and a multi-scale evaluation index system considering macro-meso-micro scale of recycled aggregate particles is established. Combined with the three-dimensional scanner and aggregate image measurement system（AIMS） to measure the sphericity， needle-like index， gradient angularity and texture index of new aggregate， untreated RAP and recycled aggregate. The morphological characteristics and multi-scale variation of three kinds of aggregate particles are compared and analyzed. The results show that， compared with the new aggregate and untreated RAP particles， the morphological characteristics of recycled aggregate particles do not change much at the macro scale， but change greatly at the micro-meso scale. The gradient angularity decreases by 12.5% on average， and the texture index increases by 14.1% on average. The four morphological indexes of the three aggregates accord with normal distribution. Compared with untreated RAP particles， the standard deviation of sphericity， gradient angularity and texture index of recycled aggregate are significantly smaller.It shows that the oil stone separation and treatment technology has a positive effect on improving the variability of macro-micro-microscopic morphological characteristics of recycled aggregate particles. When recycling RAP with high dosage， the association between the gradient angularity and texture index of recycled aggregate particles and the pavement performance of the mixture should be considered.

Keywords：oil stone separation ; recycled aggregate; multi-scale evaluation; particle morphology; sphericity; gradient angularity; texture index（責任編輯：王惠）

收稿日期：2023-02-16

基金項目：山東省交通運輸科技計劃項目（2020B66）

第一作者簡介：馬川義（1987—）， 男，山東萊州人，工程師，主要研究方向為瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料、固廢材料綜合利用技術(shù)研究，E-mail：machuanyi2006@163.com。