李 依 　 丁 燕

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州　225000)

0　引言

瀝青路面在使用過(guò)程中，整體強(qiáng)度降低的根本原因是外界環(huán)境和行車(chē)荷載的藕合作用而導(dǎo)致混合料內(nèi)部空隙的擴(kuò)展、瀝青結(jié)合料的老化[1]。事實(shí)上，瀝青混合料的宏觀力學(xué)性能受其細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制，宏觀的破壞行為是細(xì)觀尺度上的損傷行為累積和發(fā)展的結(jié)果[2]。僅有宏觀唯象研究，而無(wú)細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化分析，難以揭示材料破壞的物理機(jī)制。

吳文亮等[3]選擇粗集料顆粒長(zhǎng)軸方向?yàn)檐?chē)轍性能指標(biāo)，利用圖像處理技術(shù)分析截面粗集料主軸方向的變化規(guī)律。傅香如等[4]通過(guò)縱斷面內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，統(tǒng)計(jì)計(jì)算集料主軸方向角，發(fā)現(xiàn)成型方式影響集料取向。

1　數(shù)字圖像處理研究

數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。

本節(jié)將以基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的雙層瀝青混合料組合試件的曲面切面圖像的處理作為論述對(duì)象，兩種試件級(jí)配組合分別為SMA+SUP和SMA+AC，闡述數(shù)字圖像處理基本過(guò)程，見(jiàn)圖1。

1.1　截取截面

采用曲面切割方法，選用芯樣圓柱體側(cè)面為采集對(duì)象。切割設(shè)備以及切割完成的試件見(jiàn)圖2。

1.2　圖像采集

圖像采集時(shí)，在采集面正面兩側(cè)布置LED燈管，保證光照的均勻性，如圖3所示。然后利用CCD線(xiàn)陣掃描相機(jī)采集圖像，后期進(jìn)行截取拼接，最終得到相應(yīng)尺寸的圓柱體試件表面圖像。

1.3　灰度處理

本文實(shí)現(xiàn)灰度轉(zhuǎn)化，采用平均值處理法，結(jié)果如圖4所示。

1.4　圖像二值化

對(duì)1.3灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理。首先確定一個(gè)灰度閾值，當(dāng)某個(gè)像素點(diǎn)的灰度不小于閾值時(shí)就認(rèn)為是集料，反之則判斷為瀝青，結(jié)果見(jiàn)圖5。

2　切面圖像特征參數(shù)獲取

由于雙層瀝青混合料層間粘層油用量較少，對(duì)特征參數(shù)研究影響較小，故本節(jié)僅對(duì)無(wú)粘層油的雙層瀝青混合料試件切面圖像進(jìn)行分析。

2.1　集料主軸角度排列分布

集料的主軸角度由每個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際面積及長(zhǎng)度求得。方向角為顆粒主軸或者長(zhǎng)軸方向和豎直方向的夾角，如圖6所示。當(dāng)方位角為0°或180°時(shí)，表示集料顆粒處于“站立”狀態(tài)；當(dāng)方位角為90°時(shí)，表示集料顆粒處于“平躺”狀態(tài)。從受力穩(wěn)定角度考慮，普遍認(rèn)為平躺狀態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。

本研究采用IPP軟件對(duì)切面圖像的顆粒主軸角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究模擬不同車(chē)轍形變程度下試件切面顆粒主軸角度分布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為兩種級(jí)配組合(SMA+SUP和SMA+AC)試件對(duì)應(yīng)車(chē)轍形變5 mm,10 mm,15 mm,20 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)不同空隙率，顆粒主軸方向角度分布情況，見(jiàn)圖7,圖8。原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值分布情況見(jiàn)圖9,圖10。

由圖7，圖8可知，車(chē)轍形變程度加深，兩種結(jié)構(gòu)組合切面內(nèi)所有顆粒的主軸角度分布規(guī)律均服從正態(tài)分布，呈現(xiàn)良好的一致性。且試件內(nèi)部顆粒主軸角度多接近90°，處于“平躺”狀態(tài)，說(shuō)明壓實(shí)狀態(tài)良好。當(dāng)混合料整體受軸向荷載作用時(shí)，內(nèi)部豎向集料處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，集料會(huì)主動(dòng)保持“平躺”狀態(tài)，即有使主軸方向垂直于重力場(chǎng)方向的趨勢(shì)，以保持自身穩(wěn)定。

由圖9可知，隨著車(chē)轍形變程度的增加，空隙率降低，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，表明隨著壓密程度加深，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，主軸方向角度接近90°的顆粒逐漸增多。由圖10，對(duì)比兩種級(jí)配組合混合料顆粒主軸角度的平均值，前者更接近90°。分析認(rèn)為SUP-20級(jí)配中骨料較多，更易形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，從而擁有更好的高溫穩(wěn)定性。

2.2　瀝青面積比變化

瀝青混合料二維切面圖像主要是明暗相間的兩相體系，礦料顆粒呈現(xiàn)明相，瀝青、礦粉和空隙構(gòu)成的體系呈現(xiàn)暗相，因此單靠集料形態(tài)特征不能表征混合料表面全部圖像特征。研究表明，混合料的體積組成更能決定其性質(zhì)，而瀝青含量直接影響瀝青混合料的體積指標(biāo)?；谇捌谘芯?，認(rèn)為瀝青面積比可以從一定程度上表征瀝青混合料膠漿(瀝青)的含量。

由二值化處理圖像獲得相應(yīng)識(shí)別數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到不同空隙率下的瀝青面積比，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

(1)

其中，PA為瀝青面積比；Nb為閾值分割點(diǎn)左邊各灰度對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；Na為閾值分割點(diǎn)左邊各灰度孔洞對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；N為像素點(diǎn)總和。

由圖11可知，車(chē)轍形變程度增加，空隙率降低，瀝青面積比整體呈先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。空隙率較大時(shí)，瀝青的蠕動(dòng)遷移比較頻繁，導(dǎo)致瀝青面積比變化較大；后期空隙率減小，混合料逐漸密實(shí)，局部骨料可能被壓碎，被瀝青吞噬，導(dǎo)致瀝青膠漿含量增多，瀝青面積比緩慢增加。

3　抗剪性能

本節(jié)從集料顆粒主軸方位角標(biāo)準(zhǔn)差和瀝青面積比兩個(gè)方面研究分析混合料組合抗剪性。

由圖12可知，車(chē)轍形變量增大，空隙率降低，顆粒主軸方向角標(biāo)準(zhǔn)差緩慢減小，抗剪強(qiáng)度隨之增加。主軸方向角標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，表明更多的集料顆粒主軸方向角約為90°，即集料處于穩(wěn)定狀態(tài)，嵌擠能力提高，抗剪強(qiáng)度固然增強(qiáng)。

由圖13可知，對(duì)比不同車(chē)轍階段，瀝青面積比的變化略有不同。車(chē)轍前期，瀝青面積比減小，抗剪強(qiáng)度增大；車(chē)轍后期，瀝青面積比與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系較為復(fù)雜，整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。究其原因，主要是混合料試件上面層是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，下面層是懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在壓密過(guò)程中表現(xiàn)不一致，故車(chē)轍后期才會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的變化情況。

4　結(jié)語(yǔ)

1)兩種典型級(jí)配組合在路面使用階段，隨著車(chē)轍形變程度不斷加深，兩種結(jié)構(gòu)組合切面內(nèi)所有顆粒主軸角度分布呈正態(tài)，呈現(xiàn)良好的一致性，試件內(nèi)部顆粒主軸角度大多接近90°。且車(chē)轍形變程度增加，主軸方向角度接近90°的顆粒逐漸增多。SMA+SUP級(jí)配組合混合料顆粒主軸角度的平均值更接近90°。

2)瀝青面積比變化反映了瀝青的蠕動(dòng)遷移情況，隨著車(chē)轍深度的逐漸加深，空隙率逐漸下降，瀝青面積比整體呈先降低后增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3)抗剪強(qiáng)度隨著顆粒主軸方向角標(biāo)準(zhǔn)差減小而增加。對(duì)比不同車(chē)轍階段，瀝青面積比對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響略有不同。車(chē)轍前期，抗剪強(qiáng)度隨瀝青面積比的減小而增大；車(chē)轍后期，瀝青面積比與抗剪強(qiáng)度較為復(fù)雜，整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。