楊彥海 王漢彬 郝丕琳 黃 強(qiáng) 楊 野

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，遼寧 沈陽(yáng) 110005）

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用圖像處理技術(shù)，研究了不同瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其物理力學(xué)性能的影響［1-3］，隨著研究的不斷深入，在不同條件下瀝青混合料中粗集料狀態(tài)的改變對(duì)整體性能的影響成為許多道路研究者關(guān)注的焦點(diǎn)［4-5］，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后，瀝青混合料內(nèi)部粗集料的各項(xiàng)物理指標(biāo)總是發(fā)生較大變化，進(jìn)而影響整體材料的力學(xué)性能［6-10］，張德育和Pouranian M R 等采用離散元方法 （DEM） 結(jié)合PFC2D/3D 軟件，定量描述了瀝青混合料中粗集料排列的狀態(tài)［11-12］，郭輝和蔡旭等同樣利用數(shù)字處理技術(shù)評(píng)價(jià)了瀝青混合料成型過(guò)程中粗集料排布的變化規(guī)律［13-14］，高磊和詹國(guó)良等通過(guò)研究?jī)煞N不同類型的冷再生瀝青混合料，分析了其中粗集料的分布、方向和形狀特性［15-16］，邢超基于 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和數(shù)字圖像處理方法，討論了瀝青混合料的破壞對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)和骨料接觸的影響［17］。

這些研究促進(jìn)了對(duì)瀝青混合料中粗集料作用的認(rèn)識(shí)，也促進(jìn)了圖像處理技術(shù)在表征瀝青混合料部分細(xì)觀特性的應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重心主要還是集中在路面工程中常用的普通瀝青混合料和一些改性瀝青混合料，或者對(duì)乳化瀝青冷再生混合料僅進(jìn)行了比較基本的細(xì)觀層面初步分析，后續(xù)研究有待繼續(xù)完善。由于乳化瀝青冷再生混合料在原材料的組成設(shè)計(jì)、界面的組合特征上均與普通瀝青混合料存在著本質(zhì)區(qū)別，倘若直接使用以往普通瀝青混合料的研究方法和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析乳化瀝青冷再生混合料，會(huì)使研究成果存在極大的差異和不準(zhǔn)確性，所以目前對(duì)重復(fù)荷載作用下乳化瀝青冷再生混合料集料的運(yùn)動(dòng)特性研究還是缺少一種系統(tǒng)且具體的分析方法。

本文提出了一種基于重復(fù)荷載試驗(yàn)并且結(jié)合二維數(shù)字圖像處理技術(shù)，能夠分析乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部集料在重復(fù)荷載作用下的運(yùn)動(dòng)特性，包括集料接觸點(diǎn)、集料傾角、集料分維數(shù)、集料的嵌擠規(guī)律，為乳化瀝青冷再生工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 材料選擇和試驗(yàn)方法

2.1 原材料的選擇及組成設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)使用的乳化瀝青冷再生混合料主要由乳化瀝青、瀝青混合料回收料 （RAP）、新集料、水泥和水常溫拌和而成。使用慢裂型陽(yáng)離子乳化瀝青，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其固含量為64.0%。RAP料來(lái)源于遼寧省某一級(jí)公路面層，所使用的RAP料篩分結(jié)果見表1。為滿足中粒式乳化瀝青冷再生混合料的組成和強(qiáng)度要求，本次試驗(yàn)添加了16～19mm、13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、1.18～2.36mm、0～1.18mm 新集料和 32.5# 普通硅酸鹽水泥，新集料和水泥各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。混合料拌和采用的是可飲用水。根據(jù) 《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》 （JTG T5521-2019） 要求，對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的體積指標(biāo)和路用性能試驗(yàn)進(jìn)行分析，最終確定級(jí)配組成為RAP：19 ～26.5mm：16 ～19mm：13.2 ～16mm：9.5 ～13.2mm：4.75 ～9.5mm：2.36 ～4.75mm：1.18 ～2.36mm：0～1.18mm：水泥=70 ∶1.8 ∶1.5 ∶3 ∶4.5 ∶7.5 ∶4.5 ∶2.7 ∶3 ∶1.5，混 合料 的最佳 含水率為4.5%，最佳乳化瀝青用量為3.5%。

表1 舊料篩分結(jié)果

2.2 重復(fù)荷載試驗(yàn)方法

本論文成型 300×300×50mm 試件 4 塊，成型后的試件在60℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生至恒重，然后在室溫條件下放置12h。進(jìn)行重復(fù)荷載試驗(yàn)前，利用高精度雙面鋸沿4 個(gè)試件的成型方向?qū)ζ溥M(jìn)行切割，將試件分為等距的兩部分，采用高倍相機(jī)提取試件初始斷面圖像 （即重復(fù)荷載作用0min的圖像），然后將試件放置在60℃恒溫環(huán)境中保溫5h，使用輪壓為0.7MPa 的試驗(yàn)輪在切割后的試件上進(jìn)行重復(fù)作用，切割斷面位于試驗(yàn)輪中線附近，試驗(yàn)輪每 min 作用 （42±1） 次，分別采集重復(fù)荷載作用 15min，30min，45min 和 60min 后的試件斷面圖像，試驗(yàn)流程圖如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

3 集料運(yùn)動(dòng)指標(biāo)分析

本文針對(duì)在重復(fù)荷載作用下乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部的集料接觸點(diǎn)、長(zhǎng)軸狀態(tài)、分維數(shù)以及嵌擠規(guī)律等細(xì)觀指標(biāo)的運(yùn)動(dòng)變化特性進(jìn)行研究，以進(jìn)行重復(fù)荷載作用下乳化瀝青冷再生混合料集料運(yùn)動(dòng)特性的分析。

3.1 集料接觸點(diǎn)

采用接觸點(diǎn)來(lái)量化集料之間的接觸特性。將兩集料間的距離定義一個(gè)接觸閾值，當(dāng)距離小于所定義的接觸閾值時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)集料顆?；ハ嘟佑|。集料接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)的確定受所設(shè)定接觸閾值的直接影響，而一般情況下試驗(yàn)的集料最小計(jì)算粒徑?jīng)Q定了接觸閾值的選擇，本次試驗(yàn)使用集料的最小計(jì)算粒徑為1.18mm，采用0.25 倍的集料最小計(jì)算粒徑作為接觸閾值，故將接觸點(diǎn)的閾值設(shè)置為0.295mm。

集料接觸點(diǎn)識(shí)別搜索的過(guò)程為：首先對(duì)高倍相機(jī)采集到的斷面圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、分割等先期處理，然后采用大津法對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，提取集料的二值化圖像，輸入接觸閾值0.295mm，進(jìn)行接觸點(diǎn)的搜索識(shí)別標(biāo)記，如圖2 所示。不同加載時(shí)間集料接觸點(diǎn)變化情況如圖3 所示。

圖2 接觸點(diǎn)搜索

圖3 集料接觸點(diǎn)變化曲線

由圖3 可知，集料接觸點(diǎn)的數(shù)量隨著重復(fù)荷載作用增加逐漸增多，在初始加載的15min，接觸點(diǎn)數(shù)量上升的速率較慢，說(shuō)明在加載初期由于乳化瀝青冷再生混合料的空隙率較大，混合料的內(nèi)部狀態(tài)不是很密實(shí)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的加載，接觸點(diǎn)的數(shù)量增長(zhǎng)不明顯；15-30min 時(shí)段內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)目提升較快，這一階段接觸點(diǎn)數(shù)量處于快速增長(zhǎng)期，混合料處于碾壓密實(shí)的主要階段；30-45min 時(shí)段內(nèi)接觸點(diǎn)增長(zhǎng)速率略微降低，說(shuō)明此時(shí)集料的接觸已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，集料接觸點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到較高值；45-60min 時(shí)段內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)目再次出現(xiàn)增長(zhǎng)，結(jié)合斷面圖像分析，在這一階段荷載作用下，乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部的個(gè)別集料顆粒發(fā)生破碎，形成新的小顆粒，故接觸點(diǎn)增長(zhǎng)速率上升。

3.2 集料長(zhǎng)軸與傾角

隨著重復(fù)荷載作用時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，乳化瀝青冷再生混合料會(huì)產(chǎn)生車轍形變，導(dǎo)致其內(nèi)部集料的相對(duì)空間位置發(fā)生改變，進(jìn)而影響整體材料的力學(xué)性能。本研究采用二維圖像處理技術(shù)對(duì)顆粒進(jìn)行量化運(yùn)動(dòng)分析，主要通過(guò)集料的質(zhì)心坐標(biāo)來(lái)確定集料的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)集料的長(zhǎng)軸信息來(lái)確定集料的大小、傾角狀況。長(zhǎng)軸長(zhǎng)度能夠很好的表達(dá)集料的大小狀況，長(zhǎng)軸傾角能反映集料的被壓倒程度，能夠?qū)χ貜?fù)荷載作用下集料的粒徑、壓倒程度變化進(jìn)行有效的分析，不同碾壓時(shí)間的集料重心變化情況如圖4 所示。

圖4 集料重心坐標(biāo)圖

通過(guò)圖4 集料重心對(duì)比可知，從未碾壓到碾壓60min 后，集料的重心坐標(biāo)發(fā)生了明顯的變化，說(shuō)明混合料內(nèi)部集料整體呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。不同加載時(shí)間混合料中集料長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的頻率分布和累積頻率統(tǒng)計(jì)如圖5 所示。

圖5 各階段斷面長(zhǎng)軸長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)圖

通過(guò)對(duì)圖5 分析發(fā)現(xiàn)，隨著車輛荷載的作用，乳化瀝青冷再生混合料的部分集料會(huì)產(chǎn)生破碎，整體趨勢(shì)呈現(xiàn)出長(zhǎng)軸長(zhǎng)度逐漸減小。碾壓0→15min 階段：長(zhǎng)度為 38-40 像素的長(zhǎng)軸比率減少，長(zhǎng)度為1-7 像素的長(zhǎng)軸比率升高，集料長(zhǎng)軸長(zhǎng)度集中分布在3-20 像素范圍內(nèi)，考慮這部分變化是由于集料發(fā)生相應(yīng)的破碎，集料由粒徑高向粒徑低轉(zhuǎn)變。碾壓15→30min 階段：長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為1-3 像素值的集料消失，由于車輪的不斷碾壓，導(dǎo)致瀝青膠漿將細(xì)集料包裹，同時(shí)鑒于本論文僅考慮粒徑為1.18mm 以上的集料，故導(dǎo)致這一長(zhǎng)軸長(zhǎng)度范圍的集料消失。同時(shí)長(zhǎng)度為38-40像素范圍內(nèi)的集料繼續(xù)減少。碾壓30→45min 階段：長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為1-3 像素的集料繼續(xù)缺失，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度38-40 像素范圍內(nèi)的集料繼續(xù)減少。碾壓45→60min 階段：38-40 像素范圍內(nèi)的集料消失，由于個(gè)別集料破碎，導(dǎo)致長(zhǎng)軸長(zhǎng)度1-3 像素范圍內(nèi)的集料出現(xiàn)。混合料長(zhǎng)軸傾角進(jìn)行頻率分布直方圖和累積頻率分布直方圖如圖6 所示。

圖6 各階段斷面長(zhǎng)軸角度統(tǒng)計(jì)圖

通過(guò)圖6 分析可知，從碾壓開始到碾壓45min 時(shí)段：長(zhǎng)軸角度位于-45°～45°之間的集料顆粒增多，長(zhǎng)軸傾角為-90°～-45°和 45°～90°之間顆粒數(shù)目減少，說(shuō)明在這一階段隨著荷載的重復(fù)作用，集料逐漸被壓密，顆粒的整體走勢(shì)呈現(xiàn)出接近水平的狀態(tài)。碾壓45-60min 時(shí)段：長(zhǎng)軸角度位于-45°～45°之間的集料顆粒減少，長(zhǎng)軸傾角為-90°～-45°和之間顆粒數(shù)目增多，該階段出現(xiàn)與0-45min 顆粒不同的走勢(shì)，顆粒的長(zhǎng)軸傾角增大，碾壓45min 成為顆粒運(yùn)動(dòng)的拐點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比碾壓60min 的斷面圖片，可以發(fā)現(xiàn)有一小部分顆粒出現(xiàn)碎裂，導(dǎo)致顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)律的無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.3 集料分維數(shù)

集料分維數(shù)是集料形貌特征的表征，本研究基于分形理論，Canny 算法識(shí)別集料的邊界并提取邊緣，再利用計(jì)盒維數(shù)法來(lái)確定集料的維數(shù)。通過(guò)計(jì)盒維數(shù)法對(duì)碾壓前的斷面邊緣圖像進(jìn)行分維數(shù)求解，得到分維數(shù)與盒子尺寸的關(guān)系如圖7所示。

圖7 分維數(shù)計(jì)算圖

圖8 分維數(shù)變化圖

圖7 為碾壓前不同盒子尺寸所對(duì)應(yīng)的集料分維數(shù)，對(duì)其求取平均值得到集料分維數(shù)為1.749，通過(guò)上述方法求取每個(gè)加載階段的分維數(shù)并繪制變化趨勢(shì)圖，如圖8 所示。通過(guò)對(duì)圖8 分析得知，隨著重復(fù)荷載作用的增加，乳化瀝青冷再生混合料的集料分維數(shù)逐漸降低，意味著集料的不規(guī)則性減弱，混合料內(nèi)部逐漸趨于密實(shí)。

3.4 集料嵌擠規(guī)律

乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部嵌擠密實(shí)說(shuō)明混合料內(nèi)部空隙較少，如果嵌擠不夠密實(shí)，說(shuō)明混合料內(nèi)部存在較多空隙，本研究運(yùn)用Delaunay三角剖分法來(lái)研究集料與膠漿的嵌擠變化情況，以此表征混合料內(nèi)部空隙特征變化。本研究采用數(shù)字圖形處理，提取出混合料圖像的質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab 編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合料的三角面域劃分，處理后混合料斷面圖像如圖9 所示。

圖9 三角剖分后混合料斷面圖像

通過(guò)對(duì)圖9 的分析可知，整個(gè)混合料斷面圖像被劃分為多個(gè)三角面域，通過(guò)求取整個(gè)斷面圖像中不規(guī)則面域內(nèi)集料與膠漿的比值，來(lái)代表混合料的嵌擠狀況。在圖像的二值化圖像中白色代表的為顆粒，像素值為1；黑色代表的為膠漿，像素值為0，因此通過(guò)求解像素值為1 與像素值為0 的個(gè)數(shù)的比值，即可以求取集料與膠漿面積比，求取的不同階段的集料膠漿剖分面積比變化如圖10 所示。

圖10 集料膠漿面積比變化曲線

通過(guò)對(duì)圖10 的分析得知，隨著重復(fù)荷載的作用，集料膠漿面積比增大，表明集料的嵌擠狀態(tài)良好，空隙率逐漸減小，當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)（在加載45min 后） 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但集料膠漿面積比的數(shù)值下降不大，說(shuō)明在這一時(shí)刻個(gè)別顆粒發(fā)生了破碎，打破了原有的嵌擠規(guī)律。

4 結(jié)論

（1） 隨著車輛荷載作用時(shí)間的增長(zhǎng)，乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部的集料發(fā)生了較為明顯的運(yùn)動(dòng)，主要表現(xiàn)在集料接觸點(diǎn)數(shù)量增加、集料長(zhǎng)軸方向的走勢(shì)趨于一致、集料輪廓的分維數(shù)由1.749 逐漸降至1.705，顆粒輪廓的復(fù)雜度降低。

（2） 重復(fù)荷載作用 45min 后，集料與膠漿的面積比達(dá)到最大值，乳化瀝青冷再生混合料的嵌擠程度隨碾壓時(shí)間的增長(zhǎng)趨于密實(shí)，空隙率降低。

（3） 通過(guò)分析研究，可以將乳化瀝青冷再生混合料在重復(fù)荷載的作用下分成3 個(gè)主要階段，第1 階段位于加載0min～15min，該階段混合料主要是前期壓密過(guò)程；第2 階段為加載15min～45min，這一階段為集料碾壓密實(shí)階段，對(duì)應(yīng)路面在修筑完成后一定期限的路面混合料穩(wěn)定期；第3 階段為混合料的破壞過(guò)程，該階段對(duì)應(yīng)的是加載 45min～60min，表示著在這一碾壓時(shí)段，混合料由于重復(fù)荷載的作用會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的力學(xué)破壞。