張 琛， 韓一飛， 范 欣

（1.西安航空學院能源與建筑學院，西安 710077；2.陜西長大德通工程技術(shù)有限公司，西安 710038）

路用粗集料的形態(tài)特征包括輪廓形狀、棱角性和表面紋理，其與瀝青混合料空間骨架的形成以及瀝青與集料之間的相互作用密切相關(guān)，顯著地影響著瀝青混合料的路用性能［1］.粗集料的形狀、棱角、表面紋理決定著集料之間的相互嵌擠、摩擦作用，為瀝青混合料形成良好的力學性能與較大的結(jié)構(gòu)強度做出一定的貢獻，是瀝青路面克服永久變形的重要因素［2］.諸多學者對粗集料形態(tài)特征的獲取與表征進行了深入研究.耿超［3］通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對不同檔位的集料顆粒形態(tài)特征參數(shù)進行圖像描述，遴選出了高效可行的有利于定量分析形態(tài)特征的參數(shù).Ghuzlan等［4］提出了一種基于計算機視覺蜂窩電話的方法，并將該方法用于測定粗骨料顆粒的平整度指數(shù)、伸長率指數(shù)和圓度指數(shù).劉鋼等［5］針對顆粒形狀、棱角、紋理3個尺度的形態(tài)特征，探討了基于顆粒幾何尺寸的量化表征參數(shù)，分析了不同粒組碎石顆粒形態(tài)特征表征參數(shù)的分布規(guī)律.牛冬瑜等［6］基于DIC方法與四點彎曲疲勞試驗，對不同粗集料接觸狀態(tài)的混合料細觀損傷尺度效應進行了研究.Dehnad和Khodaii［7］提出了一種基于路用集料紋理特征的路面抗滑性能預測模型.Zhu等［8］基于圖像處理技術(shù)和擬合橢圓法開發(fā)了一種可以測量路用集料棱角、扁平比和球度的線性輪廓掃描儀.

總的來說，目前對粗集料形態(tài)特征的研究主要集中在室內(nèi)可視化識別技術(shù)（AIMS、XCT等），所提出的集料形態(tài)表征指標缺乏針對性，所采用的測試設(shè)備因缺乏經(jīng)濟性與便攜性而不能有效地為瀝青混合料現(xiàn)場施工控制提供服務.基于此，本文以廣東某高速公路為依托工程，采用自主研發(fā)的粗集料形態(tài)特征快速識別系統(tǒng)，對現(xiàn)場工程所使用粗集料的針片狀含量、軸向系數(shù)、棱角值、凸度等單體指標進行快速識別，基于灰關(guān)聯(lián)響應曲面設(shè)計法，把粗集料單體指標與瀝青混合料的動穩(wěn)定度、動態(tài)模量、最大剪切應力和內(nèi)摩擦角建立關(guān)聯(lián)，提出了適用于研究區(qū)域的粗集料性能評價指標，并推薦了合理的粗集料加工設(shè)備運行參數(shù)，從粗集料形態(tài)特征的角度深入揭示了瀝青混合料的路用性能，可以有效控制瀝青路面的施工質(zhì)量.

1 原材料

1.1 集料

本文所采用的玄武巖粗集料來源于施工現(xiàn)場，對所用集料的技術(shù)指標進行測試，結(jié)果如表1所示.

表1 粗集料的技術(shù)指標測試結(jié)果Tab.1 Test results of technical indexes for coarse aggregate

1.2 瀝青

瀝青采用成品SBS改性瀝青，其中SBS改性劑的用量為瀝青混合料總質(zhì)量的3%，相關(guān)技術(shù)指標如表2所示.根據(jù)現(xiàn)場道路面層的鋪筑情況，瀝青混合料選用SMA-13級配，其最佳油石比為6.0%，纖維用量為瀝青混合料總質(zhì)量的0.3%.

表2 SBS改性瀝青的技術(shù)指標Tab.2 Technical indexes of SBS modified asphalt

2 研究方法

2.1 RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)

基于以往學者的研究成果，本文采用棱角值、針片狀含量、軸向系數(shù)以及凸度來表征粗集料的形態(tài)特征［10］.各指標具體算法如下：

1）棱角值.棱角值可表征顆粒的棱角特性，其值越大，表明顆粒棱角性越好，其計算公式見公式（1）.

式中：Ap為棱角值；PC為粗集料顆粒的外切多邊形周長，mm；PE為粗集料顆粒的等效橢圓周長，mm.

2）針片狀含量.通過圖像識別技術(shù)，確定粗集粒顆粒的最大長度L，最大寬度w，最大長度面最大厚度t（t

式中：Vi為針片狀粗集料顆粒體積，mm3；w為粗集料顆粒的最大寬度，mm；t為粗集料顆粒最大長度面的最大厚度，mm.然后根據(jù)公式（3）計算出針片狀含量.

式中：Qe為針片狀粗集料顆粒的含量，%；Vi為針片狀粗集料顆粒體積，mm3；V為所有粗集料顆粒的總體積，mm3.

3）軸向系數(shù).軸向系數(shù)可表征顆粒的針片狀大小，軸向系數(shù)越大，顆粒的針狀性越大.它反映了粗集料顆粒宏觀整體的狀態(tài)和特征，計算式如公式（4）所示.

式中：A為軸向系數(shù)；D為粗集料顆粒等效橢圓的最大長度，mm；W為粗集料顆粒等效橢圓的次軸寬度，mm.

4）凸度.凸度指標設(shè)計的初衷是考慮到粗集料快速識別系統(tǒng)可以直接測量出某個顆粒的實際面積SA，也可以將其外切多邊形面積Sc計算出來，凸度即這兩個參數(shù)比值的平方根，如公式（5）所示.

式中：CR為粗集料顆粒的凸度值；SA為粗集料顆粒的實際面積，mm2；Sc為粗集料顆粒的外切多邊形面積，mm2.

2.2 響應曲面法的改進

響應曲面法通過對指定設(shè)計空間內(nèi)的樣本點集合進行有限的試驗設(shè)計，擬合出輸出變量（系統(tǒng)響應）的全局逼近來替代真實響應面［11］.在工程優(yōu)化設(shè)計中，應用響應曲面法不僅可以得到響應目標和設(shè)計變量之間的變化關(guān)系，而且可以得到優(yōu)化方案，即設(shè)計變量的最優(yōu)組合，使目標函數(shù)達到最優(yōu).然而，對于粗集料的形態(tài)特征而言，不同評價指標所對應的最優(yōu)解是不同的，因此，需對傳統(tǒng)的響應曲面法進行改進.本研究將灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價方法引入響應曲面法中，將定性分析和定量分析進行有機結(jié)合，基于粗集料的基本形態(tài)特征（棱角值、針片狀含量、軸向系數(shù)、凸度）對瀝青混合料的高溫性能提出新的評價指標，并建立評價指標的響應曲面二次方程［12］.

2.3 室內(nèi)試驗方法

對現(xiàn)場所采用的玄武巖粗集料進行取樣，等分為29份，分別用于車轍試驗、動態(tài)模量試驗和貫入剪切試驗.采用自動車轍儀測定瀝青混合料的動穩(wěn)定度.車轍試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，施加的總荷載為780 N，試驗輪壓為（0.7±0.05）MPa，加載速率42次/min，試驗溫度為60℃.采用UTM-30路面材料伺服液壓動態(tài)試驗系統(tǒng)測定瀝青混合料的動態(tài)模量.采用旋轉(zhuǎn)壓實儀（SGC）成型直徑為100 mm、高150 mm的圓柱體試件，試驗中的加載頻率為0.5 Hz，測試溫度為60℃.采用UTM-30路面材料伺服液壓動態(tài)試驗系統(tǒng)進行瀝青混合料的貫入剪切試驗.采用馬歇爾擊實儀成型直徑為101.6 mm，高度為63.5 mm的圓柱體試件，試驗中的加載速率為1 mm/min，壓頭的尺寸為28.5 mm，測試溫度為60℃，最終獲得最大剪切應力和內(nèi)摩擦角兩個參數(shù)值.

3 結(jié)果與討論

3.1 粗集料的形態(tài)測試

基于python編程語言以及本文2.1小節(jié)介紹的算法，自主開發(fā)了RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)，如圖1所示.該系統(tǒng)的原理是首先將原始粗集料圖像進行二值化，然后對粗集料圖像降噪處理，進而基于open CV計算機視覺模塊計算每顆粗集料的周長、粒徑及面積等，最終根據(jù)獲取的粗集料幾何參數(shù)計算出針片狀含量、軸向系數(shù)、棱角值和凸度.經(jīng)測試，該系統(tǒng)可對2.36 mm粒徑以上的粗集料進行識別，結(jié)果響應時間≤5 s.

圖1 RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)Fig.1 RD-1 coarse aggregate morphological feature recognition system

采用RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)對粗集料形態(tài)進行測試，29組粗集料形態(tài)特征指標的平均值如表3所示.

表3 粗集料形態(tài)特征指標的平均值Tab.3 Average value of morphological characteristics of coarse aggregates

參照本文2.3小節(jié)中的試驗方法，采用表3中的29組不同形態(tài)特征的粗集料制備瀝青混合料試件，以備進一步的高溫性能試驗.在此過程中，每組試件制備三個平行試件，試驗結(jié)果取平均值.

3.2 集料形態(tài)特征對瀝青混合料高溫性能的影響

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范》（JTG E20—2011）［13］分別測定瀝青混合料的動穩(wěn)定度、動態(tài)模量、最大剪切應力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果如圖2～4所示.

由圖2至圖4可知，29組瀝青混合料的動穩(wěn)定度主要分布在8.43～13.54 kN之間，動態(tài)模量主要分布在1040～1630 MPa之間，最大剪切應力的范圍為0.65～0.96 MPa，內(nèi)摩擦角的范圍為42.7°～46.3°.由此可見，粗集料的形態(tài)特征對瀝青混合料的高溫性能具有一定的影響，其中對動穩(wěn)定度和動態(tài)模量指標的影響更為顯著.

圖2 瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.2 Test results of dynamic stability of asphalt mixture

圖3 瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果Fig.3 Test results of dynamic modulus of asphalt mixture

圖4 瀝青混合料貫入剪切試驗結(jié)果Fig.4 Test result of uniaxial penetration shear test of asphalt mixture

3.3 響應曲面法試驗結(jié)果

基于表3中粗集料形態(tài)數(shù)據(jù)，建立響應曲面試驗因素水平表，如表4所示.

表4 響應曲面試驗因素水平表Tab.4 Test factor level table of response surface

以瀝青混合料的動穩(wěn)定度、動態(tài)模量、最大剪切應力和內(nèi)摩擦角為控制指標評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計方法［14］進行4因素3水平試驗設(shè)計，共計29組試驗.結(jié)合本文3.2小節(jié)的試驗結(jié)果，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法求出各指標平均值，以評價粗集料形態(tài)特征指標對瀝青混合料高溫性能的影響，關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見表5.

表5 粗集料形態(tài)特征指標與高溫性能指標的關(guān)聯(lián)度Tab.5 Correlation between morphology characteristic indexes and high temperature performance indexes of coarse aggregates

由表5中數(shù)據(jù)可知，粗集料各形態(tài)特征指標對瀝青混合料高溫性能的影響程度由高到低依次為：棱角值>針片狀含量>軸向系數(shù)>凸度.其中棱角值對瀝青混合料高溫性能的影響權(quán)重最高，而凸度的影響權(quán)重最低，這與郭鵬等［15］的研究結(jié)果一致，并與實際的試驗結(jié)果相符合.一般來講，粗集料的棱角越豐富，其表面的紋理越粗糙，混合料在壓實后越能形成良好的嵌擠作用，從而起到增大瀝青混合料的內(nèi)摩擦角、提高瀝青混合料強度的作用，進而可以提高瀝青混合料的高溫抗變形能力.瀝青混合料空隙率、礦料間隙率隨著粗集料的針片狀顆粒含量的增加而逐漸增加，而毛體積密度和瀝青飽和度隨之減小，針片狀含量的增加會在某種程度上降低瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

3.4 粗集料高溫性能評價模型的構(gòu)建

將粗集料形態(tài)特征值與高溫性能評價指標進行灰色關(guān)聯(lián)分析，提出評價瀝青混合料高溫性能的評價指標（Comprehensive Evaluation Index，CEI），并建立基于集料棱角值X1、針片狀含量X2、軸向系數(shù)X3、凸度X4四大形態(tài)特征指標的粗集料高溫性能評價模型.將該評價模型嵌入到自主研發(fā)的RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)中，可以更加便捷地在施工現(xiàn)場對粗集料進行優(yōu)選或評價.運用Design expert 8.0軟件建立粗集料高溫性能評價指標CEI關(guān)于X1、X2、X3、X4的二次函數(shù)，得出擬合方程的R2為0.964，修正R2為0.925，預測R2為0.945.最終建立的粗集料高溫性能評價模型如式（6）所示，其中CEI值越大，表明粗集料的高溫性能越好.

3.5 粗集料加工工藝參數(shù)的優(yōu)化及驗證

基于集成CEI指標算法的RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)對某公司生產(chǎn)的S5型顎式集料破碎機參數(shù)進行優(yōu)化，集料破碎機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示.

圖5 S5型顎式集料破碎機原理圖Fig.5 Schematic diagram of S5 jaw aggregate crusher

選擇轉(zhuǎn)速（40、50、60 m/s），喂料量（2、3、4 t/h）和引氣量（15%、25%、35%）三因素三水平參數(shù)組合，基于L9（34）正交表設(shè)計試驗，結(jié)果如表6所示.

表6 S5型顎式集料破碎機加工參數(shù)的正交試驗結(jié)果Tab.6 Orthogonal test results of machining parameters for S5 jaw aggregate crusher

由表6可知，第6組加工參數(shù)組合的CEI值最大，故推薦S5型顎式集料破碎機的最優(yōu)加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速50 m/s、喂料量2 t/h、引氣量25%.采用室內(nèi)試驗對所推薦的加工參數(shù)進行驗證，分別選擇動穩(wěn)定度、動態(tài)模量、最大剪切應力和內(nèi)摩擦角作為驗證指標.分別采用表6中的9組加工參數(shù)制備試驗所需粗集料，瀝青混合料制備參數(shù)及試驗方法參照本文2.3小節(jié)中的方法進行，試驗結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知，采用第6組粗集料加工參數(shù)進行試驗得到的動穩(wěn)定度值為17.88 kN，動態(tài)模量值為1730 MPa，最大剪切應力值0.99 MPa，內(nèi)摩擦角為44.6°，均為最優(yōu)值.由此可推斷，第6組粗集料加工參數(shù)所對應的瀝青混合料具有最好的高溫性能，與正交試驗結(jié)果一致.因此，本文所提出的粗集料高溫性能評價指標CEI可用于研究區(qū)域內(nèi)路用粗集料高溫性能的評價.

圖6 不同集料加工參數(shù)所對應的瀝青混合料高溫性能評價指標驗證Fig.6 Verification of high temperature performance evaluation indexes of asphalt mixture corresponding to different aggregate processing parameters

4 結(jié)論

1）基于機器視覺和圖像處理技術(shù)研發(fā)了一種操作簡便且經(jīng)濟的RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對2.36 mm粒徑以上粗集料的針片狀含量、軸向系數(shù)、棱角值和凸度進行識別，結(jié)果響應時間≤5 s.

2）基于RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)，結(jié)合室內(nèi)試驗得出粗集料形態(tài)特征指標對瀝青混合料高溫性能的影響程度從高到低依次為：棱角值>針片狀含量>軸向系數(shù)>凸度.

3）采用改進的響應曲面法建立了粗集料高溫性能評價模型，并提出了粗集料高溫性能評價指標CEI，該指標可用于研究區(qū)域粗集料高溫性能的評價.

4）將所提出的粗集料高溫性能評價指標CEI集成到RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)算法中，并對顎式集料破碎機參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)加工參數(shù)組合為轉(zhuǎn)速50 m/s、喂料量2 t/h、引氣量25%.經(jīng)室內(nèi)試驗驗證，本文所研發(fā)的RD-1型粗集料形態(tài)特征識別系統(tǒng)和所提出的粗集料高溫性能評價指標CEI可靠性較高.