景鵬翔

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青混合料是一種復(fù)合材料，其主要由礦料、瀝青膠漿、空隙等共同構(gòu)成的，而礦料又包含粗集料和細(xì)集料，其在施工過程中極易產(chǎn)生分布不均勻的問題；尤其是熱拌瀝青混合料，受溫度、施工機械等因素的影響，其在施工過程中極易產(chǎn)生集料分布不均勻，導(dǎo)致瀝青混合料級配、含油量在施工過程中與設(shè)計值存在嚴(yán)重誤差，引起瀝青路面的攤鋪不均勻，誘發(fā)瀝青路面的開裂、局部沉陷、車轍、翻漿等病害。因此，總結(jié)歸納均勻性影響因素，利用室內(nèi)試驗手段研究各因素的影響程度，給出具體、實用的均勻性評價方法，對于控制施工過程中瀝青集料均勻性、提高瀝青路面施工技術(shù)水平具有非常重要的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外道路工程領(lǐng)域的學(xué)者們針對其均勻性已開展了大量深入而詳實的研究工作，獲得了一大批實用的科研成果。彭勇[1]利用數(shù)字圖像技術(shù)對瀝青混合料在攤鋪過程中的均勻性進(jìn)行深入分析，揭示了其影響因素的基本特點；黃志福[2]依托某在建瀝青路面工程，利用數(shù)字圖像技術(shù)對其均勻性開展深入研究，開發(fā)了自動計算均勻性的軟件，提出了評價方法；郭乃勝[3]利用CT技術(shù)對瀝青集料截面進(jìn)行掃描，揭示了集料微觀結(jié)構(gòu)特性，并參考馬歇爾設(shè)計方法，提出了集料中瀝青最佳用量的確定方法；魏艷玲[4]利用無核密度儀測試瀝青混合料的壓實密度、空隙率，給出了其均勻性的綜合評價方法。本文在歸納總結(jié)均勻性影響因素的基礎(chǔ)上，通過一系列室內(nèi)試驗分析各因素的影響程度及規(guī)律，并利用數(shù)字圖像技術(shù)研究其分布特征，給出了瀝青混合料均勻性評價方法體系，研究成果可為提高瀝青路面施工質(zhì)量、減少瀝青路面運營病害提供技術(shù)支撐。

1 瀝青混合料均勻性影響因素

1.1 油石比

油石比是指在瀝青混合料中，瀝青與其他礦料的質(zhì)量百分比，其物理意義在于表示了瀝青的含量大小。在實際工程中，若油石比過小，將導(dǎo)致瀝青混合料開裂、松散、翻漿等病害；而當(dāng)油石比過大時，瀝青路面在運營過程中極易出現(xiàn)泛油、車轍甚至局部沉陷等病害。為深入分析瀝青混合料在攤鋪過程中油石比對均勻性的影響，本文選取油石比分別為4.0%、5.5%、7.0%的試樣，并測試其在振動 30 s、120 s、210 s情況下的瀝青混合料均勻性指標(biāo)，所得結(jié)果如表1所示。

表1 不同油石比工況下瀝青混合料均勻性

可見，瀝青混合料均勻性受油石比的影響幅度較大，因此油石比應(yīng)作為瀝青路面施工過程中最重要的控制指標(biāo)之一，其在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制。

1.2 集料粒徑

由于含有不同比例粗集料的瀝青混合料均勻性不同，本文選取典型粗集料工況下（2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm）的瀝青混合料試驗，通過一系列的室內(nèi)試驗，得出各試件的均勻性指標(biāo)，其結(jié)果如表2所示。

表2 不同集料粒徑工況下瀝青混合料均勻性

可見，小粒徑的集料相對大粒徑的集料具有較好的均勻性，此原因在于小粒徑集料顆粒較多、質(zhì)量較小，單顆粒狀態(tài)下受施工振動較小，能保持較好的均勻性。

1.3 壓實功

為深入分析壓實功與瀝青混合料均勻性的相關(guān)性，選取旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)分別為50、60、70次的壓實功作用后的試件，分別測試其水平均勻性、豎向均勻性及整體均勻性，所得結(jié)果如表3所示。

表3 不同壓實功工況下瀝青混合料均勻性

可見，壓實功對瀝青混合料水平均勻性具有明顯的影響，但隨著壓實功的增大，其水平均勻性增加幅度呈減小趨勢，而豎向及整體均勻性影響不大，此原因在于滿足一定壓實功后，混合料中的粗集料形成骨架，整體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

2 瀝青混合料分布特性

顆粒分布特征是研究瀝青集料均勻性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，肉眼觀察是其最常用的方法，但其缺點在于所得結(jié)果誤差較大，費時費力。近年來，隨著數(shù)字成像、激光掃描、數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用范圍越來越廣。利用該技術(shù)研究瀝青混合料，可準(zhǔn)確、快捷地獲得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而全面客觀地分析其分布特征。

目前，常用的數(shù)字圖像采集設(shè)備主要有掃描儀、高清數(shù)碼相機，結(jié)合本項目的實際情況，考慮到高清數(shù)碼相機方便快捷，本試驗中選用像素為2 000萬的高清數(shù)碼相機。其次，制作瀝青混合料試件，保證試件截面干凈整潔，沒有塵土、碎屑等雜質(zhì)，其圖像采集過程情況如圖1所示，所得圖像結(jié)果如圖2所示。

為更加清晰、直觀地分析瀝青混合料的分布特性，在獲取上述截面圖像的基礎(chǔ)上，利用Image-Pro Plus軟件將彩色圖片處理為灰度圖，進(jìn)而對圖像對比度進(jìn)一步增強，并對其進(jìn)行高斯模糊化處理，從而避免了分辨率、光線、鏡頭曲率等因素的干擾，其處理后的截面情況如圖3所示。

圖1 瀝青混合料圖像采集

圖2 瀝青混合料截面圖像

圖3 處理后的瀝青混合料截面圖像

從圖3中可知，利用圖像識別軟件可自動區(qū)分出 2.36 mm、4.75 mm、9.50 mm、13.2 mm 四檔的集料分布情況，根據(jù)其分析結(jié)果可知，2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm兩檔的集料在整個集料中占主導(dǎo)地位，對瀝青混合料的整體均勻性具有非常大的影響。3 瀝青混合料均勻性評價方法及效果分析

3.1 均勻性評價方法

通過采用Image-Pro Plus軟件識別瀝青混合料截面圖像中各檔集料的顆粒重心坐標(biāo)、截面面積，然而，由于各檔集料的顆粒截面面積不同，僅采用各個顆粒的重心坐標(biāo)平均值來表示顆粒截面面積對瀝青混合料均勻性的影響，其結(jié)果不夠客觀準(zhǔn)確。因此，為全面評價粗、細(xì)集料顆粒對整體均勻性的影響程度，本文引入面積矩的概念，以此表示集料的合成重心，該值能夠準(zhǔn)確、客觀地反映顆粒位置和顆粒截面面積對瀝青混合料均勻性的影響，其公式如式（1）、式（2）：

式（1）、式（2）中：Xi、Yi分別為第 i檔集料合成重心橫、縱坐標(biāo)；Xin、Yin分別表示不同集料中不同顆粒的重心橫、縱坐標(biāo)；Ni為第i檔集料的顆粒數(shù)量；Ain為第i檔集料中每第n個顆粒的截面面積。

在瀝青混合料中，各檔集料的合成重心與截面的幾何中心存在一距離Dij，其物理意義在于衡量了各檔集料的均勻性，其公式為：

式中：Xpj、YPj分別為第j個試件截面幾何中心的橫、縱坐標(biāo)。

因此，瀝青混合料試件均勻性可根據(jù)上述4檔集料的重心偏差量來衡量，偏差量公式為：

式中：Dij為第j個截面中第i檔集料合成重心與整個截面的幾何中心之間的距離；Lj為不同截面的幾何中心到各自截面邊緣的距離。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各個試件截面的均勻性，可得出其整體均勻性，其公式為：

3.2 均勻性評價效果分析

為進(jìn)一步分析采用上述方法評價瀝青混合料均勻性的實際效果，本項目將上述方法與肉眼觀察方法相對比，即通過主觀判斷瀝青混合料的均勻性與上述方法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，從而進(jìn)行相互驗證。由于瀝青混合料整體均勻性是由各個試件截面均勻性指標(biāo)Sj計算得來，因此可通過主觀判斷試件各截面均勻性與Sj是否一致來驗證評價效果。本項目選取4個試件進(jìn)行對比分析，其中包含2個水平截面試件和2個豎直截面試件，具體情況如圖4～圖7所示。各個截面的主觀評價結(jié)果與數(shù)字圖像處理所得均勻性指標(biāo)Sj對比分析情況見表4。

從表4中可以看出，利用數(shù)字圖像技術(shù)加理論分析方法所得的均勻性評價指標(biāo)與主觀評價結(jié)果基本一致，該評價指標(biāo)值越小，表示該試件的均勻性越好。總之，采用綜合評價法（數(shù)字圖像技術(shù)+理論分析）評價其均勻性可取得良好的效果。

圖4 試件1水平截面

圖5 試件1豎向截面

圖6 試件2水平截面

圖7 試件2豎向截面

表4 主觀評價與數(shù)字圖像處理所得評價結(jié)果

4 結(jié)論

本文深入分析了瀝青混合料均勻性的主要影響因素，并利用數(shù)字圖像技術(shù)分析其分布特性，在此基礎(chǔ)上提出了均勻性評價方法，并對該方法進(jìn)行效果評價，得出以下幾點結(jié)論：

a）瀝青混合料均勻性的主要影響因素有油石比、集料粒徑、壓實功，然而其對整體均勻性的影響程度并不相同。

b）利用圖像識別軟件可自動區(qū)分出集料分布情況，2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm兩檔集料在整個瀝青混合料中占主導(dǎo)地位，其對瀝青混合料均勻性具有決定性作用。

c）采用綜合評價法所得的均勻性評價指標(biāo)與主觀評價結(jié)果基本一致，其均勻性評價方法效果良好。