王 雙，Mischelle Esguerra

(1.哈爾濱劍橋?qū)W院 電氣與信息工程學(xué)院 哈爾濱市 150000； 2.菲律賓萊西姆大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，馬尼拉，4200)

0 引言

斷級(jí)配瀝青混合料主要用于瀝青路面磨耗層，可分為多空隙開級(jí)配排水式瀝青混合料(OGFC)與密實(shí)式斷級(jí)配瀝青混合料(SMA、Ruflex、CMHB、SAC等)。斷級(jí)配瀝青混合料在礦料組成中增加碎石比例以提高其高溫穩(wěn)定性與抗滑性，并摻入較多礦粉以減少空隙率，降低其透水性[1]。其中SAC級(jí)配瀝青混合料在上世紀(jì)80年代由沙慶林院士提出，通過多條試驗(yàn)路鋪筑逐步形成了整套礦料級(jí)配設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方法[2]。

劉國耘[3]基于粒子干涉理論，提出了間斷級(jí)配瀝青混合料的體積設(shè)計(jì)方法。劉朝暉、彭波等[4-5]通過室內(nèi)試驗(yàn)表明SAC系列瀝青混合料具有良好的路用性能。

瀝青混合料的空隙率與空隙分布特征直接影響其各方面性能，SAC瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)要求空隙率為3%～5%，CMHB技術(shù)指標(biāo)要求空隙率小于3%，可見空隙率對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料的性能影響顯著，因此斷級(jí)配瀝青混合料空隙率的計(jì)算至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的瀝青混合料空隙率表干法受試驗(yàn)環(huán)境和操作者影響較大，隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)在瀝青混合料研究中廣泛應(yīng)用，基于CT的圖像技術(shù)可以識(shí)別瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)并對(duì)其體積參數(shù)進(jìn)行分析。Masad、Wang等[6-7]最先采用CT技術(shù)研究SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和Westrack試驗(yàn)路芯樣瀝青混合料的空隙二維分布特征。裴建中等[8]對(duì)OGFC-13的豎向空隙分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明CT得出的空隙二維特征圖像可用來定性描述其分布特征。Wang等[9]對(duì)AC-16、SMA-16、OGFC-16內(nèi)部空隙二維分布特征進(jìn)行分析，表明SGC成型試件空隙呈“兩頭大、中間小”，試件徑向呈“外大內(nèi)小”的特征。

雖然CT技術(shù)在瀝青混合料內(nèi)部空隙研究領(lǐng)域已得到較好的運(yùn)用，但上述研究在圖像處理中仍局限于斷層圖像的二維分析，未能反映空隙的三維特征及連通狀態(tài)，因此需要對(duì)瀝青混合料的CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，并利用三維圖像計(jì)算瀝青混合料的空隙率。

為此，采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)與靜壓兩種成型方法制作SAC-16圓柱體試件，應(yīng)用CT設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行掃描并獲取其斷層圖像，采用Mimics圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行空隙分離及三維重構(gòu)，研究空隙的三維分布及連通狀態(tài)，并對(duì)空隙體積及空隙率進(jìn)行了計(jì)算。

1 CT試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用遼河90#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。石灰?guī)r集料和礦粉產(chǎn)自哈爾濱阿城區(qū)，SAC-16瀝青混合料級(jí)配組成如圖1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

圖1 SAC-16礦料級(jí)配曲線

采用馬歇爾試驗(yàn)確定SAC-16瀝青混合料最佳油石比為3.9%，空隙率為4.2%，毛體積密度為2.460g/cm3。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)規(guī)定的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)和靜壓兩種方法成型試件，馬歇爾擊實(shí)試件(SAC-16M)尺寸為Φ101.6×63.5mm，靜壓試件(SAC-16P)尺寸為Φ100×100mm。

1.2 CT掃描方案

研究采用Siemens螺旋CT設(shè)備對(duì)SAC-16M和SAC-16P試件進(jìn)行掃描，設(shè)備掃描參數(shù)見表2。沿試件高度掃描寬度為1mm，SAC-16M和SAC-16P試件橫斷面CT掃描圖像數(shù)量分別為60張和120張。沿試件直徑方向環(huán)形掃描，每20°掃描一層，厚度設(shè)置為1mm。SAC-16M和SAC-16P試件均得到18張縱斷面掃描圖像，掃描位置如圖2所示。

表2 X-CT設(shè)備掃描參數(shù)

圖2 CT掃描示意圖

CT掃描后獲取的SAC-16M連續(xù)斷層圖像如圖3所示。

圖3 SAC-16M試件斷層掃描圖片

2 空隙三維重構(gòu)

2.1 CT閾值分析

X射線穿過非均勻物質(zhì)后，其強(qiáng)度將會(huì)按指數(shù)形式衰減，X射線通過物體后強(qiáng)度Iout與入射強(qiáng)度Iin關(guān)系式為：

3.利用課文內(nèi)容，完善學(xué)生心理素質(zhì)。語文課同其他學(xué)科相比，有一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，即思想性和文學(xué)性完美的統(tǒng)一。它不像政治課以直接的思想訓(xùn)導(dǎo)引起學(xué)生的厭倦，而是把思想教育不知不覺寓于藝術(shù)美感之中。它們都極容易感染青年學(xué)生，都是使青年學(xué)生心理健康向上的催化劑，她們一旦被學(xué)生的心理所接受，不但能使學(xué)生形成崇高而偉大的理想，正確的人生觀，而且會(huì)使學(xué)生的心理素質(zhì)達(dá)到高層次的境界。

(1)

式(1)中，l為X射線在均勻物質(zhì)中的傳播距離；μ為物質(zhì)對(duì)X射線的衰減系數(shù)。

由此可知，某物質(zhì)的密度可通過X射線的衰減系數(shù)來體現(xiàn)，相比于物質(zhì)密度，研究人員更為關(guān)注非均勻物質(zhì)間的密度差異，因此引入CT值的概念，表述為：

(2)

由式(2)可知某物質(zhì)CT值與其密度成正比關(guān)系。

為了將瀝青混合料中的空隙與集料、瀝青等材質(zhì)進(jìn)行分離，首先應(yīng)準(zhǔn)確獲取空隙的CT值范圍。本研究應(yīng)用Profile line采集空隙徑向“邊緣-中心-邊緣”范圍內(nèi)的CT值變化。圖4為SAC-16P試件第50斷層圖像中6個(gè)空隙的CT值隨徑向長度“邊緣-中心-邊緣”的變化規(guī)律。

圖4 空隙的CT值隨徑向長度變化

從圖4可以看出，空隙邊緣處CT值遠(yuǎn)大于中心，空隙兩側(cè)邊緣至內(nèi)部存在比較明顯的過渡區(qū)，長度為1～2mm，CT值由邊緣處正值在1～2mm范圍內(nèi)迅速下降至-1000HU左右。每斷層圖像至少采集6個(gè)空隙的CT值，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)空隙CT值介于-1024～578HU之間，進(jìn)而選取578HU作為空隙的CT閾值上限進(jìn)行后續(xù)處理。

理論上空氣的衰減系數(shù)近似為0，代入式(2)可得空氣CT值應(yīng)為-1000HU，而本研究中空隙內(nèi)部CT值在-1000HU左右，邊緣處均高于-1000HU，主要是由于瀝青混合料中空隙、集料、瀝青三相材料間混合狀態(tài)的復(fù)雜性，空隙與高密度材料的迅速過渡必然使得空隙的CT值也存在一定的過渡區(qū)域。

2.2 空隙分離

采用578HU作為空隙的CT閾值上限，對(duì)SAC-16M、SAC-16P斷層圖像中空隙進(jìn)行分離，圖5(a)、圖5(b)分別為SAC-16M試件第38斷層和SAC-16P試件第46斷層空隙分離后的圖像。

圖5 斷層空隙分離圖像

2.3 三維圖像重構(gòu)

采用像素閾值法對(duì)空隙表面輪廓進(jìn)行軸向三維重構(gòu)，由于試驗(yàn)設(shè)備和掃描方式的原因，本研究中試件頂部和底部的部分?jǐn)鄬訄D像未能清晰地顯示空隙與集料、瀝青的像素區(qū)間，分離時(shí)會(huì)將部分集料誤認(rèn)為空隙，導(dǎo)致三維重構(gòu)與體積組成分析出現(xiàn)誤差。為此，三維重構(gòu)前去除了上述部分?jǐn)鄬訄D像，研究對(duì)象高度也隨之降低，SAC-16M試件高度降至54mm，SAC-16P試件高度降至94mm，圖6為調(diào)整后的空隙三維重構(gòu)圖像。

3 空隙率計(jì)算

采用Mimics圖像處理系統(tǒng)中的體積計(jì)算功能對(duì)SAC-16M和SAC-16P試件的三維空隙率進(jìn)行計(jì)算，表3為由三維重構(gòu)圖像計(jì)算的空隙體積參數(shù)。

表3 三維空隙體積計(jì)算

從表3可以看出，由于成型時(shí)擊實(shí)功的影響，靜壓法成型試件的空隙率大于馬歇爾擊實(shí)試件，SAC-16P試件空隙率大于5%，并不滿足3%～5%的空隙率要求，試件成型方法對(duì)于瀝青混合料空隙率影響較大。雖然《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)考慮國內(nèi)無法迅速普及SGC、GTM等先進(jìn)成型方法的實(shí)際情況，保留了較為簡單實(shí)用的靜壓成型方法，但通過研究發(fā)現(xiàn)，靜壓法成型導(dǎo)致空隙率過大，不適用于SAC-16試件成型。

為了分析三維空隙計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)空隙率的差異，采用表干法對(duì)試件的空隙率進(jìn)行測(cè)試，比較結(jié)果見圖7。

圖7 三維圖像計(jì)算與表干法實(shí)測(cè)空隙率比較

從圖7可以看出，利用三維圖像計(jì)算得出的計(jì)算空隙率要高于表干法實(shí)測(cè)空隙率，這主要是由于試件表面開口空隙的影響。

表干法測(cè)量空隙率計(jì)算公式為：

VV=(1-γf/γt)×100

(3)

式中，γt為試件的理論最大相對(duì)密度。

試件的毛體積密度γf通過式(4)計(jì)算：

γf=ma/(mf-mw)

(4)

式中，ma為干燥試件空中質(zhì)量；mf為試件表干質(zhì)量；mw為試件的水中質(zhì)量。

SAC級(jí)配中提高了碎石比例，較普通密級(jí)配要粗，雖然增加了礦粉含量以減少空隙率，但SAC與外界相連通的開口空隙體積和數(shù)量較密級(jí)配均有所提高。仍采用表干法進(jìn)行毛體積密度測(cè)量時(shí)，試件從水中取出后，開口空隙中的水會(huì)自然流出，用毛巾擦拭時(shí)又會(huì)吸走一部分水，導(dǎo)致測(cè)量值mf小于實(shí)際值，由式(3)和式(4)推導(dǎo)可知，表干法測(cè)量空隙率也將小于實(shí)際值。而三維重構(gòu)能夠真實(shí)模擬空隙的空間分布狀態(tài)，且計(jì)算空隙率考慮了瀝青混合料的開口空隙，因此空隙率計(jì)算值與真實(shí)值更為接近。

4 結(jié)論

采用CT設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾和靜壓兩種方法成型的SAC-16試件進(jìn)行掃描，利用圖像處理技術(shù)對(duì)瀝青混合料的空隙率進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論：

(1)Mimics圖像處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空隙的三維重構(gòu)，試件側(cè)向邊緣均存在較多連通而成的大空隙，試件內(nèi)部空隙多為不連通且分布均勻的小空隙。

(2)靜壓法成型的SAC-16試件空隙率大于5%，并不滿足3%～5%的空隙率要求，靜壓法成型將會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料空隙率過大，不適用于SAC-16試件成型。

(3)三維圖像計(jì)算SAC-16M與SAC-16P試件空隙率分別為4.5%、7.3%，均高于表干法實(shí)測(cè)值，產(chǎn)生差異主要是由于開口空隙的影響，利用三維圖像得到的計(jì)算空隙率與真實(shí)值更為接近。