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        多孔瀝青混合料細(xì)觀構(gòu)造研究

        2020-06-09 05:40:50李棋倫
        建材與裝飾 2020年16期
        關(guān)鍵詞:細(xì)觀空隙雙層

        李棋倫

        (廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣東廣州 510060)

        隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快。在發(fā)展過程中,越來越多的城鎮(zhèn)面臨著內(nèi)澇、噪音等問題。多孔瀝青混合料(porous asphalt mixture,即PA)因具有透水、降噪、抗滑等優(yōu)良特性而受到廣泛重視與推廣應(yīng)用[1-2]。

        瀝青混合料是由集料、粘彈性的膠漿及空隙組成的復(fù)雜構(gòu)造體系[3],具有十分顯著的非線性力學(xué)特征及顆粒特性,其路用性能是混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn)。研究多孔瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu),從細(xì)觀結(jié)構(gòu)上對(duì)瀝青混合料的特點(diǎn)進(jìn)行分析,對(duì)于深入了解混合料的路用性能,進(jìn)而優(yōu)化瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì),均具有十分重要的指導(dǎo)意義。

        1 多孔瀝青混合料設(shè)計(jì)

        本論文選用四種OGFC(open graded friction courses)研究多孔瀝青混合料的細(xì)觀構(gòu)造,混合料的路用性能指標(biāo)見表1。

        表1 多孔瀝青混合料路用性能

        OGFC因粗集料相互嵌擠構(gòu)成緊密的骨架,混合料具有良好的高溫性能;但同時(shí),也因?yàn)楣羌苤g存在大量且連通的空隙,混合料的穩(wěn)定度較常用的AC、SMA混合料結(jié)構(gòu)偏低。

        2 多孔瀝青混合料試件成型

        和普通的混合料成型方式相比,輪碾成型機(jī)通過控制試件的終碾高度,能夠較為精確的控制混合料的密度,從而達(dá)到控制試件空隙率的目的。同時(shí),與一般的成型方式相比,輪碾成型機(jī)的荷載及成型方式與實(shí)際路面路用的壓路機(jī)更為接近,故而成型的混合料更為接近路面實(shí)際情況。

        使用輪碾成型機(jī),分次成型 10cm OGFC-13(1)、4cm OGFC-10+6cm OGFC-13(2)、4cm OGFC-13(1)+6cm OGFC-20 試件,用于分析排水路面的細(xì)觀構(gòu)造。

        3 多排水路面細(xì)觀構(gòu)造

        3.1 CT技術(shù)

        本研究中使用德國(guó)YXLON公司制造的PrecisionⅡ型工業(yè)二級(jí)CT以識(shí)別混合料內(nèi)部特征。

        混合料由集料、膠漿、空隙三相組成。粗集料相互嵌鎖,構(gòu)成了試件的骨架,而膠漿裹附在集料上,其余部分則為空隙。

        3.2 數(shù)字圖像處理

        為獲取混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)觀特征,使用直方圖均衡算法對(duì)灰度圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,然后再通過中值濾波算法降噪,圖像閉運(yùn)算填充混合料內(nèi)部細(xì)小空洞,聯(lián)結(jié)鄰近物體,并在最后使用圖像分割算法分割混合料各組分,識(shí)別混合料內(nèi)部特征。

        本文使用OTSU算法用于圖像分割。OTSU算法該方法又稱作最大類間方差法,是一種自適應(yīng)的閾值確定方法,該算法通過計(jì)算圖像的最佳閾值來區(qū)分目標(biāo)圖像和背景圖像,由于簡(jiǎn)單、快速以及性能穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用[4]。

        本文以0.2mm為間隔,從底部開始由下至上掃描試件,獲取混合料內(nèi)部灰度圖像,數(shù)字圖像處理,提取CT圖像的特征。本文接下來的分析中,對(duì)混合料的空隙率、空隙數(shù)量以及最大空隙的面積進(jìn)行分析:

        統(tǒng)計(jì)處理后圖像空隙部分與其他部分的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),則可確定空隙部分占混合料截面的面積比率,以此作為該0.2mm高度范圍混合料的空隙率。

        使用regionprops函數(shù)度量圖像區(qū)域?qū)傩裕R(shí)別處理后截面范圍內(nèi)的連通域?yàn)楠?dú)立的空隙,統(tǒng)計(jì)截面上獨(dú)立空隙的個(gè)數(shù)可認(rèn)為是該0.2mm高度范圍混合料內(nèi)部空隙的數(shù)量。

        按照掃描圖像的比例關(guān)系,計(jì)算CT圖像內(nèi)單位像素點(diǎn)的面積,統(tǒng)計(jì)單個(gè)空隙內(nèi)部像素個(gè)數(shù),則可得到截面上各空隙的面積,對(duì)混合料各截面上最大空隙的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可認(rèn)為是0.2mm高度混合料內(nèi)部最大空隙的面積。

        3.3 多孔瀝青混合料空隙率縱向分布

        一般來說,成型過程中瀝青混合料試件內(nèi)部空隙的縱向分布會(huì)呈現(xiàn)出不均勻的分布。分別計(jì)算試件各斷面的空隙率,將其繪制于一張圖中,便可得到雙層排水路面內(nèi)部空隙率的縱向分布,結(jié)果見圖1。

        圖1 單層OGFC-13縱向空隙率分布

        表2 多孔瀝青混合料空隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        (1)混合料空隙率呈現(xiàn)出上、下高,中間低的縱向分布規(guī)律,其中雙層排水試件上下面層的界面附近空隙率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值,該峰值位置即為上下面層的交界處。

        (2)下面層粗粒徑混合料試件中間空隙率的波動(dòng)幅度往往又大于上面層細(xì)粒徑多孔瀝青混合料。對(duì)于多孔瀝青混合料來說,最大粒徑越大,空隙率越大,則混合料內(nèi)部空隙變化也越大。

        3.4 多孔瀝青混合料空隙數(shù)量及最大空隙面積縱向分布

        統(tǒng)計(jì)CT圖像內(nèi)的空隙數(shù)量和空隙面積,結(jié)果見圖2、圖3。

        圖2 空隙數(shù)量縱向分布

        圖3 空隙最大面積縱向分布

        分析三種試件內(nèi)部空隙分布規(guī)律,所用四種混合料按空隙數(shù)量多少排序?yàn)椋篛GFC-10>OGFC-13(1)>OGFC-13(2)>OGFC-20,按最大空隙面積大小正好相反,為 OGFC-20>OGFC-13(2)>OGFC-13(1)>OGFC-10。雙層排水路面下面層混合料的空隙率和粒徑均大于上面層混合料,這主要是因?yàn)?,混合料中集料粒徑越大,粗集料之間的空隙則越大,故混合料內(nèi)部最大空隙面積和平均面積越大,則單位面積內(nèi)空隙數(shù)量越少。

        雙層多孔瀝青混合料試件,上面層的空隙數(shù)量要多于下面層,而最大空隙面積和平均空隙面積的分布規(guī)律則完全相反,這種空隙分布使雙層排水路面形成“篩子效應(yīng)”:上面層的混合料的空隙較小,阻止大粒徑的雜物進(jìn)入混合料的內(nèi)部;而下面層的空隙較大,水流可輕松排出進(jìn)去混合料內(nèi)部的細(xì)小灰塵與其他雜物,防止堵塞。因此,可以很容易地利用真空吸塵和水槍噴射等技術(shù),將被堵塞的上面層清理干凈。即使雙層排水路面的上層被堵塞而沒有被及時(shí)清理,由于空隙被堵塞,當(dāng)路面上有積水時(shí),車輛行駛會(huì)產(chǎn)生很大的水壓力,將細(xì)小的堵塞物沖入下面層,而下面層的空隙則明顯更大而不會(huì)被堵塞,雜物被沖走,達(dá)到自清潔的效果。

        4 總結(jié)

        本文設(shè)計(jì)了三種排水路面結(jié)構(gòu)組合(單層OGFC-13、雙層OGFC-13(1)+OGFC-20、雙層 OGFC-10+OGFC-13(2),并研究分析了多孔瀝青混合料的路用性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征:

        (1)混合料空隙率呈現(xiàn)出上、下高,中間低的縱向分布規(guī)律,其中雙層混合料試件中間空隙率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值,該峰值位置即為上下面層的交界處。

        (2)混合料的粒徑越大,空隙率越大,則混合料內(nèi)部最大空隙面積越大,空隙數(shù)量越少,空隙的平均面積越大。雙層排水路面結(jié)構(gòu)中,上面層的空隙數(shù)量要多于下面層,而最大空隙面積和平均空隙面積的分布規(guī)律則完全相反,這種空隙分布使雙層排水路面形成“篩子效應(yīng)”:上面層的混合料的空隙較小,阻止大粒徑的雜物進(jìn)入混合料的內(nèi)部;而下面層的空隙較大,水流可輕松排出進(jìn)去混合料內(nèi)部的細(xì)小灰塵與其他雜物,防止堵塞。

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