賴萬松，于 江，李林萍，張金輝

（新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

目前，對瀝青混合料的認識主要集中在現(xiàn)象學基礎上的宏觀層次的分析，包括理論分析和試驗評價。但由于瀝青混合料組成問題的復雜性，傳統(tǒng)的分析手段還缺乏總體的把握，系統(tǒng)的思路和深入的理論探討，沒有從根本上解決我國瀝青路面早期破壞嚴重的問題，嚴重影響道路服務水平、耐久性和營運效益。為此，人們開始研究瀝青路面微細觀結構與外部宏觀力學特性之間的關系，從新的角度探索瀝青路面宏觀現(xiàn)象下的微觀機理，調整未來瀝青路面設計原理和方法。瀝青路面微細觀結構研究是闡述瀝青路面行為特征的理論基礎與重要途徑。本文基于X射線CT技術（簡稱CT技術）研究瀝青路面微細觀結構特性，主要分析瀝青混合料多尺度、集料、空隙等微細觀特性，并對研究方向進行展望。

1 瀝青路面多尺度問題

采用傳統(tǒng)方法研究瀝青路面多尺度問題，把尺度問題分3類（見圖1）：宏觀層次、細觀層次、微觀層次。理論上，瀝青路面的宏觀尺度是由許多物質點所組成的不連續(xù)介質，而每一個物質點又是由許多微觀元素構成。因此，瀝青路面實際上可以近似的看成由許多微觀連續(xù)介質構成的構筑物。例如，瀝青路面在宏觀尺度上統(tǒng)計是均勻的，可以研究任意典型的局部細觀尺度分析材料的性能。還有研究認為，在宏觀尺度區(qū)域試驗觀察到的非線性行為是局部微細觀尺度試驗觀察到的微裂縫擴展結果，用微細觀力學粘彈性模型模擬微觀裂縫。所以，用有限元建立起來的多尺度模型，在RVE中的宏觀應力、應變場可視為均勻的，而微觀應力、應變場可以通過其體積平均值對材料的宏觀性能產生影響考慮。這樣在解決微細觀力學問題后就可以觀察到小尺度物理現(xiàn)象，明確局部微細觀尺度的發(fā)展機理（即：裂縫），能更好地評價微細觀機理對宏觀整體性的影響。此理論預估材料服務壽命周期的早期破損，從而采取有效措施。通過單個材料性能，此理論預估評價瀝青路面的有效性，反算全壽命周期，以減少大量的室內試驗、節(jié)約成本、提高經(jīng)濟效益。

圖1 瀝青混合料層次結構

2 集料特性

2.1 傳統(tǒng)的集料研究

在瀝青路面設計研究中，美國提出Superpave設計體系和傳統(tǒng)的Marshall設計法仍缺乏有效的理論數(shù)據(jù)支撐和試驗分析方法。學者針對集料的級配、瀝青路面混合料的體積特征參數(shù)、材料性能等宏觀品質與瀝青路面的高低溫性能、疲勞水損害、老化耐久性等路用性能進行研究；并沒有對單個集料形狀、尺寸、棱角、表面紋理及集料個體在瀝青路面中的空間分布狀況等問題的研究。所以，傳統(tǒng)的集料研究只是對瀝青路面的宏觀性能指標進行簡單的分析與評價，并沒有涉及對瀝青路面的微觀作用機理的探索，不能客觀地提出評價瀝青路面集料微細觀研究的常用方法。瀝青路面集料在微細觀方面等問題帶來困難，不能準確地了解單個集料在宏觀路用性能中的表現(xiàn)，使瀝青路面微細觀研究處于停滯不前的尷尬局面。

2.2 新型的集料研究

新型的瀝青路面集料研究摒棄傳統(tǒng)的實驗觀察的現(xiàn)象學經(jīng)驗方法，采用先進的技術手段、力學分析軟件，定量地分析微觀或細觀尺度集料的力學特征，分析其微細觀與宏觀力學性能之間的關系?；跀?shù)字圖像技術與分形原理，試圖分析集料形態(tài)及對骨架結構、分布狀況的影響，并作為用虛擬力學試驗驗證級配組成設計的基本方法。主要研究集料顆粒的形狀、棱角性、表面紋理等并嘗試應用多種方法分析集料形態(tài)與分布特征，為瀝青路面級配組成虛擬力學試驗積累基礎方法。

集料是介于有序與無序、微觀與宏觀之間的狀態(tài)，一般它的外表特征極其破碎、無規(guī)則和復雜，內部特征卻具有自相似性和自仿射性。因此，可以采用手工測量和投影圖像法測量集料的球狀和形狀因子，而且投影圖像法在檢測中間尺度或正交軸尺寸以及最短軸尺寸時可以達到很高精度，可以作為有限元虛擬力學試驗模型修正的基礎方法；通過分形理論，透過復雜無序的混亂現(xiàn)象和不規(guī)則的形態(tài)，認清集料的規(guī)律、預判局部與整體之間的本質聯(lián)系。用盒維數(shù)計算法可以比較穩(wěn)定地分析單個顆粒以及瀝青路面剖面中顆粒的幾何形狀等；借助現(xiàn)代數(shù)學理論，實驗設備用有限元軟件從集料微細觀入手對集料的微細觀性能和力學指標進行研究；結合離散元法和拓撲優(yōu)化理論，建立試驗模型；采用CT技術，在動荷載作用下觀測集料微細觀力學現(xiàn)象。綜上所述，新型的集料研究探討集料顆粒、集料粒徑分布、集料形狀紋理、級配以及集料體積分維等問題為研究對象，把微細觀分析結果對比于基礎試驗和典型試驗結果，進一步完善集料質量控制體系參數(shù)，初步確定集料特性與宏觀路用性能之間的關系，繪出集料特性曲線，為初步建立集料微細觀分形理論奠定基礎。

3 空隙特性

瀝青路面是一種具有復雜結構的復合結構體，其宏觀力學模型呈現(xiàn)出不確定性、不規(guī)則性、模糊性和非線性等特征，主要因為瀝青路面空隙的復雜多樣性等原因造成的。分形理論引入瀝青路面空隙特性的研究是十分有效的，它可以對瀝青路面空隙顯微結構的復雜程度進行精細的量化描述；通過CT掃描光電圖像在計算機上運用MATLA軟件（Matrix Laboratory）等進行不同灰度預處理后，得到斷面輪廓曲線，用計盒維數(shù)法求出其分維數(shù)，用分維數(shù)的大小描述瀝青路面空隙的復雜程度，以此反推瀝青路面宏觀力學模型。因而，分維數(shù)可以取到宏觀與微觀相互轉換的橋梁作用。

3.1 空隙空間描述方法

統(tǒng)計學方法因其本身的特性是描述散粒性材料空間分布復雜與高度無序性的一種有效的方法。瀝青路面的空隙形狀和大小恰好滿足經(jīng)典統(tǒng)計學描述方法的條件。統(tǒng)計學方法對空隙的宏觀物理力學性能有一個較準確地預估，但對其微細觀具有多變性、隨機性等特征卻不能很好地顯現(xiàn)，不能反映瀝青路面空隙的空間分布形狀及規(guī)律；拓撲學方法采用空隙結構的拓撲不變性原理通過配位數(shù)和連通度等參數(shù)進行空隙特性的表征，得到的參數(shù)描述準確，與實際情況相關性很好，但工作量很大，試驗費用較高，一般不采用；歐幾里德幾何簡化分析方法作為描述自然界中復雜、無序現(xiàn)象的一種定量手段，以此來研究瀝青路面空隙的空間分布狀態(tài)，該方法適用于路面空隙分形，簡單可操作性強，得到的數(shù)據(jù)精度能夠滿足現(xiàn)階段的試驗要求。

3.2 空隙空間試驗描述

目前，檢測空隙的主要常用方法有壓汞法、氣體吸附法、X射線層析攝像法等。大量研究表明：X射線層析攝像法是研究瀝青路面微細觀空隙較好的試驗方法，它改進X射線照相技術物質與物質之間相互重疊的缺點，發(fā)揮層析照相技術可以將物質層與層之間信息相分離的優(yōu)點，這樣圖像就可以清晰地再現(xiàn)瀝青路面內部結構與空隙的排列狀態(tài)，不會產生重影。該技術不僅可以很好地表征瀝青路面中的空隙形貌，而且可以對路面的變形實現(xiàn)無損成像。因此，相比于其他檢測空隙的主要常用方法，X射線層析攝像法更具有優(yōu)勢。

空隙空間試描述試驗需要將試件（馬歇爾試件、旋轉壓實試件或現(xiàn)場鉆心取樣等）進行切片、CT掃描，通過CT掃描圖像應用計算機上處理圖像的軟件對其預處理，得到斷面輪廓曲線，根據(jù)灰色關聯(lián)度描述斷面空隙的復雜程度，從此分析路面的宏觀力學性能，建立宏觀與微觀的聯(lián)系。

4 CT圖像

美國聯(lián)邦公路局與特納公路研究中心（TFHRC）聯(lián)合執(zhí)行的SIMAP計劃中，首次利用CT技術對瀝青路面內部組成結構進行研究。隨著瀝青路面研究的深入，采用CT技術獲取瀝青路面內部微細觀結構組成，分析瀝青路面多尺度、集料性能、空隙特性等問題的研究成為瀝青路面技術領域關注的熱點問題之一。

4.1 X射線CT技術

X射線CT技術，即計算機體層攝影，也稱為計算機斷層成像技術。機器采用準直后的X射線束對瀝青混合料試件的某一層面進行掃描，衰減后的X射線由探測器接收成為多組原始數(shù)據(jù)，在經(jīng)計算機重建產生顯示數(shù)據(jù)矩陣，在CRT或膠片上成像，如圖2所示。

圖2 CT掃描工作原理

4.2 CT圖像處理

數(shù)字圖像處理技術采用一定的算法對CT圖像進行處理，獲得人眼視覺或者某種接收系統(tǒng)所需要的圖像過程。在瀝青路面微細觀研究中，由于數(shù)字圖像處理技術的方便性、經(jīng)濟性、可利用信息量大、形象化存儲、非接觸、全場測量和高精度等方面的優(yōu)點，使得其研究結果更加客觀和直觀，成為國際道路領域研究的重點。

利用CT掃描采集瀝青路面混合料試件的內部結構信息，通常要對試件進行切割一般高度可以根據(jù)車轍板試件、標準馬歇爾試件、大型馬歇爾試件，旋轉壓實試件等的高度具體而定，推薦高度一般是5～10cm，由于試件表面的形態(tài)特性影響，近表面空隙主要是開口空隙，結構很特殊，需作為單獨研究。因此，在分析試件高度的時候試件底部和頂部宜預留8～12mm的高度不用掃描，這樣既節(jié)省試驗費用，又可以摒除不利的影響因素。掃描層厚根據(jù)試驗設計者的要求需要可以自行選取，現(xiàn)在市面上的CT機械檢測的幾何靈敏度一般可以達到0.05mm，一般選取2mm為一個掃描層的比較常見，可以滿足瀝青路面微（細）觀分析。采用單張瀝青路面混合料CT掃描圖像簡要介紹所獲得的數(shù)字圖像用于定量分析前通常需進行的一般處理內容，如：濾波去噪、圖像增強、圖像閾值化、顆粒復原、顆粒分離和集料內部的空洞還原等（如圖3～5所示）。經(jīng)過處理后，可對集料顆粒的邊緣進行識別與提取、對混合料間的空隙、瀝青膠漿的面積組成進行計算等。常用的軟件有：Photoshop、Image Pro Plus、MATLAB等。

5 結束語

本文僅對瀝青路面多尺度、集料和空隙特性三方面做簡要的論述。研究結果表明：①基于瀝青路面多尺度性能，可以采用RVE方法充分關注小尺度結構特征，擬合本構關系，建立有限元模型，虛擬瀝青路面各標準狀態(tài)下的力學行為，減少室內試驗，節(jié)約時間和成本；②充分關注單個集料本身的性能、空間分布狀況以及模擬瀝青路面力學性能的方法等問題，用計盒維數(shù)法可以比較穩(wěn)定地分析單個顆粒以及瀝青路面剖面中顆粒的幾何形狀，可以很好地描述集料特性，求出的分維數(shù)，是聯(lián)系微觀與宏觀的橋梁；③瀝青路面空隙是影響路面復雜力學性能的主要原因，應用分形幾何法對空隙空間分布進行描述，采用CT掃描對空隙空間進行實測，通過對CT圖像的灰度處理，根據(jù)灰色關聯(lián)度描述斷面空隙的復雜程度；④CT技術是無損檢測，是現(xiàn)階段研究瀝青路面微細觀方面較先進的技術手段。CT技術與圖像處理軟件相結合，可以方便直觀地解決集料顆粒邊緣的識別與提取空隙的空間分布、瀝青膠漿面積組成計算等宏觀領域不能解決的問題。CT技術還可以準確真實直觀的觀察到瀝青路面各個受力階段的微細觀變形，但真正建立三維瀝青路面分形理論模型，具體與實際路用宏觀力學性能建立一定的相關關系還需要進一步的探索研究。

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