朱洪洲，譚祺琦，范世平，萬(wàn)國(guó)琪

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引 言

1987年，美國(guó)正式通過(guò)并啟動(dòng)了SHRP (strategic highway research program)研究計(jì)劃，重點(diǎn)涉及瀝青、路面性能、混凝土與結(jié)構(gòu)和公路運(yùn)輸這4個(gè)領(lǐng)域，并提出了Superpave設(shè)計(jì)體系。相較于傳統(tǒng)的Marshall設(shè)計(jì)法，Superpave是一種基于體積法的全新瀝青混合料設(shè)計(jì)方法。目前，基于這兩種方法設(shè)計(jì)的瀝青路面仍有不少需要完善的地方。

Superpave與Marshall法一般是通過(guò)表象法來(lái)研究瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能，即建立混合料的宏觀特性與路用性能間關(guān)系。而混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)同樣影響著其宏觀性能，但遺憾地是，當(dāng)前瀝青混合料設(shè)計(jì)方法并未考慮到細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響[1]。在SHRP計(jì)劃中，研究人員逐漸意識(shí)到這一問(wèn)題，在其研究報(bào)告中，對(duì)集料的針片狀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、棱角、破碎面等提出相關(guān)要求，但這些研究還未深入到混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)間的作用機(jī)理，也未提到研究混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的具體方法。

對(duì)瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究是了解混合料宏觀特性基礎(chǔ)，而X-ray CT技術(shù)不斷發(fā)展和數(shù)字圖像處理技術(shù)水平提高對(duì)研究瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加有利。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。E.MASAD等[2]利用X-ray CT無(wú)損傷掃描技術(shù)來(lái)研究混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)(集料形狀、集料間的接觸特性、空隙分布規(guī)律等)，因?yàn)椴煌膲簩?shí)方法可能會(huì)影響瀝青混凝土試件的相關(guān)力學(xué)性能，因此研究了用超高速旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)(SGC)和線性捏合壓實(shí)機(jī)(LKC)壓實(shí)的瀝青混凝土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異；研究發(fā)現(xiàn)：與LKC壓實(shí)的試樣相比，用SGC壓實(shí)的試樣具有更優(yōu)的取向和更少的接觸面，在頂部和底部有較多的氣孔，其內(nèi)部空隙率呈“兩頭大、中間小”分布，而LKC試樣的氣孔則從頂部到底部逐漸增大，其內(nèi)部空隙率呈“上端小、下端大”分布。A.C.TORRES[3]運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)評(píng)價(jià)了熱拌瀝青混合料中空隙分布對(duì)透水性能影響；研究表明：Lognormal和Weibull模型能較好擬合空隙與透水性間關(guān)系，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均空隙尺寸在一定范圍內(nèi)，水損壞最嚴(yán)重，對(duì)花崗巖而言是1.2～1.4 mm，石灰?guī)r是0.8～1.0 mm。A.K.KWAN等[4]利用圖像處理技術(shù)(DIP法)對(duì)不同集料的顆粒形狀特征進(jìn)行研究，測(cè)定的主要顆粒形狀特征為片狀和延伸率，通過(guò)研究25個(gè)不同巖石類(lèi)型和尺寸骨料樣品，將研究結(jié)論與利用傳統(tǒng)手工方法得出的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)DIP法與人工測(cè)量結(jié)果之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，但DIP法速度更快，能得到其它與之相關(guān)的信息。E.MASAD等[5]利用X-ray CT技術(shù)進(jìn)行三維拍攝來(lái)評(píng)價(jià)骨料骨架，即集料顆粒在空間分布、方向分布、接觸點(diǎn)和堆積等方面的排列形式，為瀝青混合料級(jí)配研究提供有力支撐；并提出運(yùn)用容積分析方法和成像方法來(lái)表征和量化熱拌瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化情況，容積分析方法依靠容積測(cè)量?jī)?nèi)部空隙所占百分比在整個(gè)瀝青混合料中作為填料指標(biāo)，成像方法通過(guò)分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像來(lái)量化骨料骨架、礦物骨料中的空隙分布。

我國(guó)在該領(lǐng)域的研究同樣發(fā)展迅速。張倩娜[6]利用X-ray CT技術(shù)對(duì)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量分析和描述，并得到相關(guān)參數(shù)；初步探討了這些參數(shù)與混合料宏觀性能關(guān)系，并研究了針對(duì)混合料圖像特點(diǎn)的處理方式和識(shí)別算法。李智[7]利用圖像處理技術(shù)分析了瀝青混合料壓實(shí)特性并提出相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)不同壓實(shí)成型混合料之間的聯(lián)系及與真實(shí)路面狀況差異性進(jìn)行研究。李升連等[8]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)并通過(guò)計(jì)算混合料內(nèi)部集料顆粒變異系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)混合料均勻性。WANG Hainian等[9-10]利用CT技術(shù)對(duì)瀝青混合料試件進(jìn)行掃描，獲得高分辨率的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像，自行開(kāi)發(fā)了程序來(lái)建立瀝青混合料試件的三維數(shù)值模型；通過(guò)劈裂試驗(yàn)預(yù)測(cè)了瀝青混合料應(yīng)力分布并驗(yàn)證了三維模型的合理性；此外還通過(guò)CT掃描技術(shù)結(jié)合IPP軟件對(duì)再生橡膠熱瀝青混合料的離散性、RAP用量和瀝青膜厚度進(jìn)行了分析。筆者綜合分析現(xiàn)有的相關(guān)研究成果，以期為后續(xù)的瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究打下基礎(chǔ)。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)

數(shù)字圖像處理是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理以獲取相關(guān)特征參數(shù)的技術(shù)。1972年英國(guó)EMI公司發(fā)明了一種基于X射線的計(jì)算機(jī)斷層掃描裝置，用于頭顱診斷研究，該方法核心是通過(guò)頭部截面投影，利用計(jì)算機(jī)對(duì)截面圖像進(jìn)行重建。之后，該公司在此基礎(chǔ)上又成功研制出能掃描全身的CT裝置，并由此獲得1979年諾貝爾獎(jiǎng)。此后，該項(xiàng)技術(shù)逐漸引進(jìn)到其它領(lǐng)域并得以廣泛應(yīng)用。

簡(jiǎn)單而言，該技術(shù)是利用掃描裝置將連續(xù)圖像轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的信息，然后對(duì)該信息進(jìn)行處理及分析。所需設(shè)備包括相機(jī)、數(shù)字圖像采集器、圖像處理計(jì)算機(jī)及圖像顯示終端。整個(gè)操作過(guò)程可分為兩個(gè)部分：① 將物理圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像；② 通過(guò)計(jì)算機(jī)處理從數(shù)字圖像中提取有用信息。圖像處理技術(shù)有3個(gè)步驟：首先獲取圖像；其次再通過(guò)平滑、銳化、閾值分割等方法對(duì)所獲圖像進(jìn)行相應(yīng)處理，以此來(lái)提高圖像畫(huà)質(zhì)；最后深入研究該圖像信息以得到有用的特征參數(shù)[11]；其過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 圖像處理流程Fig. 1 Image processing flow chart

由于該項(xiàng)技術(shù)本身所具有自動(dòng)化和客觀化性質(zhì)，在研究混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)過(guò)程中不僅大大節(jié)省了人力物力，還能大幅提高測(cè)量精度，有效避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中主觀性強(qiáng)、誤差大等缺陷。

在數(shù)字圖像處理過(guò)程中常利用X-ray CT無(wú)損傷掃描技術(shù)(圖2)來(lái)獲取混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。這是一種利用X射線照射及穿透待測(cè)物體并形成明暗襯度的研究技術(shù)，是由醫(yī)學(xué)中的CT技術(shù)發(fā)展而來(lái)；但不同在于，醫(yī)學(xué)中的CT檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)對(duì)病人待測(cè)部位進(jìn)行切片掃描重構(gòu)，而材料領(lǐng)域的CT是通過(guò)旋轉(zhuǎn)待測(cè)物品(一般360°為旋轉(zhuǎn)一次)進(jìn)行掃描。因最初被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，故直到20世紀(jì)90年代，這一技術(shù)才在工業(yè)方面開(kāi)始得到應(yīng)用。

圖2 X-ray CT掃描試件示意Fig. 2 Schematic diagram of X-ray CT scanning specimen

在道路建筑材料領(lǐng)域，研究人員一般將CT技術(shù)運(yùn)用到瀝青混合料試件中就可方便地獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，而對(duì)圖像分辨率高低主要受試件尺寸及屬性影響。一般而言，物質(zhì)密度越大，則CT數(shù)值越大，圖像亮度就越高。因此，利用CT技術(shù)掃描密度較大的花崗巖、石英巖等石料時(shí)能更好地將集料與瀝青膠漿區(qū)別開(kāi)來(lái)，以便于集料邊緣的識(shí)別[12]。由于X-ray CT是一種無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)，所以在整個(gè)圖像獲取過(guò)程中都不會(huì)對(duì)試件造成任何破壞。自該技術(shù)引進(jìn)以來(lái)，對(duì)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究熱度只增不減，加速了該領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

X-ray CT技術(shù)的另外一個(gè)重要應(yīng)用就是對(duì)材料的性能模擬。與其它仿真方法不同，X-ray CT技術(shù)可對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行高準(zhǔn)確度還原，這就能讓研究人員擺脫通過(guò)CAD建模這樣傳統(tǒng)路徑，這種直接運(yùn)用真實(shí)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真的技術(shù)更加具有代表性和說(shuō)服力，也可與材料其它性能結(jié)合在一起進(jìn)行分析，從而達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)及預(yù)測(cè)性能目的。

X-ray CT掃描技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1)圖像精度較高。X-ray CT對(duì)物質(zhì)密度敏感度高，能較好識(shí)別混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但其精度及適用范圍仍有改善空間。

2)無(wú)損傷檢測(cè)。CT掃描不會(huì)對(duì)待測(cè)樣品造成損傷，掃描后的樣品可重復(fù)利用于其它試驗(yàn)。

3)獲取信息豐富?？蓪?duì)試件不同層面進(jìn)行重復(fù)掃描，還能檢測(cè)出試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)輪廓及自動(dòng)對(duì)面積測(cè)算，得到詳細(xì)的試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像[13]。

2 瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究

相較于以前從宏觀層面研究瀝青混合料的各項(xiàng)性能而言，運(yùn)用圖像處理技術(shù)從混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面來(lái)分析能更加深入全面而具體，還能減少試驗(yàn)誤差。有研究人員利用電荷耦合元件(charge-coupled device)得到混合料試件的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像，發(fā)現(xiàn)與SGC試件相比，Marshall壓實(shí)方式下的顆粒取向隨機(jī)分布性更高。自CT技術(shù)引進(jìn)該領(lǐng)域以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員投入大量人力物力來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究。

2.1 集料形狀與分布

瀝青混凝土材料是由多種材料組成，是一種非均質(zhì)、多相多層次的復(fù)合體系，集料形狀及分布對(duì)瀝青混合料級(jí)配組成特性有較大影響，進(jìn)而影響到瀝青混合料的路用性能。相關(guān)研究表明：若集料級(jí)配組成不合理將會(huì)使瀝青路面各項(xiàng)路用性能大大降低。

王文真等[14]選用玄武巖粗集料，利用簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)來(lái)獲取5種不同粒徑的粗集料圖像，而后通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行編程，進(jìn)而提高集料圖像畫(huà)質(zhì)并對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，基于集料圖像大小指標(biāo)(長(zhǎng)軸、短軸、周長(zhǎng)、面積)來(lái)計(jì)算集料的形狀特征參數(shù)，然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了各個(gè)參數(shù)指標(biāo)(矩形度、形狀指數(shù)和棱角性)的分布規(guī)律。這3個(gè)特征參數(shù)的計(jì)算如式(1)～(3)：

R=A/A′A

(1)

SI=L2/4πA

(2)

AN=(P/P′)2

(3)

式中：R為矩形度；A為圖像中集料顆粒的面積；A′為顆粒最小外接矩形；SI為形狀指數(shù)；L為顆粒邊界周長(zhǎng)；AN為棱角性；P為顆粒輪廓周長(zhǎng)；P′為等效橢圓周長(zhǎng)。

研究表明：只有矩形度差異性很小且粒徑為9.5 mm的集料矩形度分布更加均勻；而后兩個(gè)形狀參數(shù)指標(biāo)差異性較大且形狀指數(shù)大的顆粒較少，棱角性大于1.20的集料顆粒較少。

吳文亮等[15]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)研究車(chē)轍試驗(yàn)中不同加載時(shí)段粗集料顆粒主軸方向的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)：車(chē)轍試驗(yàn)的前20 min內(nèi)粗集料顆粒主軸方向夾角減小速度最快，顆粒間排列方式趨于水平，使得主軸方向在0°～30°的顆粒比例增大，61°～90°之間的顆粒比例減小，而31°～60°之間顆粒處于不斷變化過(guò)程中；隨著時(shí)間增加，粗集料間嵌擠作用逐漸增強(qiáng)，集料顆粒重新排列受到的約束增大，致使3個(gè)主軸方向區(qū)的顆粒比例變化不大，即瀝青混合料進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

E.TUTUMLUER等[16]引入圖像輔助離散元方法(DEM)來(lái)預(yù)測(cè)骨料強(qiáng)度特性，基于具有不同幾何特征的集料進(jìn)行離散元模擬，對(duì)高效收集粗集料的幾何特征很有效，可完成諸如形狀特征、密度、剛度等參數(shù)的同時(shí)采集。

李嘉等[17]從單個(gè)顆粒的棱角性定義出發(fā)，提出4個(gè)基于半徑和周長(zhǎng)的相關(guān)指標(biāo)。利用圖像處理技術(shù)來(lái)處理所獲取的瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，以得到集料棱角性量化結(jié)果。通過(guò)與未壓實(shí)空隙率試驗(yàn)的對(duì)比研究可發(fā)現(xiàn)：所提出的4個(gè)量化指標(biāo)與未壓實(shí)空隙率之間有較大相關(guān)性。但遺憾的是，并未說(shuō)明這4個(gè)棱角性量化指標(biāo)是如何選取及評(píng)價(jià)的，還需進(jìn)一步深入研究。

傅香如等[18]運(yùn)用圖像處理技術(shù)針對(duì)Marshall與SGC兩種不同壓實(shí)成型方式下的3種不同級(jí)配混合料試件來(lái)研究集料顆粒在其豎向截面內(nèi)的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：AC-16和SMA-16試件的集料顆粒主軸方向角呈正態(tài)分布，而OGFC-16試件并未體現(xiàn)出顯著分布特性；從離散性層面來(lái)看，通過(guò)SGC壓實(shí)成型試件其顆粒主軸方向角的方差要大于Marshall成型的試件。

紀(jì)倫等[19]為研究粗集料中針片狀含量對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，提出并測(cè)定了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和體積指標(biāo)(集料顆粒面積、顆粒趨向參數(shù)Δ和棱角性等)，利用工業(yè)CT進(jìn)行掃描、三維可視化軟件對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取和分析(圖3)。結(jié)果表明：針片狀顆粒含量的增加導(dǎo)致混合料空隙結(jié)構(gòu)增大，粗集料顆粒面積和減小，棱角性增大，而集料主軸偏角均值和顆粒趨向參數(shù)Δ幾乎沒(méi)有太大變化。

圖3 粗集料傾角Fig. 3 Dip angle of coarse aggregate

劉大彬等[20]利用圖像處理技術(shù)研究了瀝青混合料中集料分布狀況及混合料離析程度。通過(guò)建立混合料離析評(píng)價(jià)模型，以集料顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)描述集料分布規(guī)律。但在試驗(yàn)過(guò)程中只對(duì)水平截面上的離析狀況進(jìn)行了研究，為提高試驗(yàn)合理性及可靠性，還應(yīng)對(duì)混合料豎向截面上的集料分布狀況進(jìn)行分析。

張航等[21]為研究在高溫重復(fù)荷載作用下復(fù)合纖維瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化情況，將摻加復(fù)合纖維和未摻加復(fù)合纖維的瀝青混合料車(chē)轍變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究。基于CT掃描技術(shù)，對(duì)加速加載試驗(yàn)前后瀝青混合料粗集料水平傾角(圖4)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。研究表明：摻加復(fù)合纖維后，粗集料傾角明顯增加，在重復(fù)荷載作用下，未摻加復(fù)合纖維的混合料粗集料傾角降低了13.7°，而摻加復(fù)合纖維的混合料粗集料傾角只降低了6.6°，傾角變化不大就說(shuō)明集料位移小，即摻加復(fù)合纖維材料后可明顯減小粗集料傾角變化，使瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。

圖4 粗集料傾角Fig. 4 Dip angle of coarse aggregate

在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，瀝青混合料已被證明是各向異性材料，瀝青混合料各向異性由固有各向異性和應(yīng)力誘發(fā)的各向異性組成。在以往研究中，僅通過(guò)混合料中粗集料顆粒傾角來(lái)量化瀝青混合料的固有各向異性，然而細(xì)集料傾斜也對(duì)固有各向異性有一定影響。ZHANG Yuqing等[22]利用與集料有關(guān)的幾何參數(shù)(矢量幅值)來(lái)量化瀝青混合料中集料的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，不僅考慮了粗集料方向，還考慮了粗細(xì)集料大小、方向和球形度。建立了修正矢量大小和垂直模量與水平模量的模量比之間關(guān)系，以量化集料固有的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)混合料各向異性的影響。

成豪杰等[23]以瀝青混合料中集料的傾向性、位置性及分布均勻性等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)探究瀝青混合料內(nèi)部集料的幾何特性，并引入修正矢量幅度和內(nèi)外分布指數(shù)NW來(lái)反映集料顆粒分布的各向異性和均勻性。通過(guò)路面取芯試件和室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：路面取芯試件修正矢量幅度為0.38，室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件修正矢量幅度為0.31，前者的內(nèi)外分布指數(shù)NW為后者一半，說(shuō)明路面取芯試件的各向異性比室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件更加顯著，但其均勻性要優(yōu)于后者。

CT掃描技術(shù)是獲取集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像最常用的方法之一。除此之外，LIU Yu等[24]分別應(yīng)用3D光學(xué)掃描儀和CT技術(shù)來(lái)定量評(píng)估這兩種方法獲得集料顆粒形態(tài)特征上的差異，以此來(lái)對(duì)比兩種方法的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)：即使特殊的集料顆粒(扁平或細(xì)長(zhǎng)狀)之間存在較大差異，3D光學(xué)掃描儀在集料形態(tài)特征的整體質(zhì)量方面也可與CT掃描技術(shù)媲美。此外，兩種掃描技術(shù)之間的差異主要取決于集料形狀和表面特征，具有尖角或豐富表面特征的集料顆?？赡軙?huì)引起較大差異。

以上研究都是通過(guò)引入相關(guān)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行表征，不同研究人員可能采用不同的指標(biāo)，導(dǎo)致其代表性不強(qiáng)，部分試驗(yàn)結(jié)果可能有偏差。同時(shí)上述研究大多只是純粹描述了集料形狀、分布特性，沒(méi)能與瀝青混合料的相關(guān)性能聯(lián)系起來(lái)。

2.2 空隙研究

空隙對(duì)瀝青混合料的宏觀性能影響顯著。大多利用VV(試件空隙率)、VCA(粗集料骨架空隙率)和VMA(試件礦料間隙率)等特征參數(shù)從宏觀層面上來(lái)研究混合料的各項(xiàng)性能。故很有必要從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面來(lái)研究瀝青混合料內(nèi)部空隙的分布規(guī)律。

E.MASAD等[25]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，研究了混合料試件在不同深度處的空隙分布規(guī)律，并通過(guò)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析方法評(píng)價(jià)了Weibull模型在描述空隙分布方面的可行性。因此，該模型常被用來(lái)量化壓實(shí)功、壓實(shí)方法和骨料粒徑分布對(duì)空隙率影響。研究結(jié)果表明：超高速旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件兩端有較大空隙，這種情況在較大壓實(shí)功下會(huì)更加明顯；同樣壓實(shí)方法對(duì)空隙分布規(guī)律的研究具有重要意義。使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)制備的不同骨料粒徑試樣具有明顯不同的氣孔尺寸。

王聰?shù)萚26]利用圖像處理技術(shù)研究了在Marshall擊實(shí)和靜壓這兩種成型方式下的不同級(jí)配混合料試件內(nèi)部空隙特征(空隙率、空隙等效直徑、空隙數(shù)量等)，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)測(cè)量空隙等效直徑。結(jié)果表明：在不同級(jí)配條件下，Marshall試件內(nèi)部空隙率分布呈對(duì)稱(chēng)形狀且平均空隙率與目標(biāo)空隙率差異較小，而靜壓試件空隙率呈現(xiàn)“一端大，一端小”分布，且平均空隙率是目標(biāo)空隙率的1.4倍以上。目前通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)表征混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性研究還處于不成熟階段，且數(shù)學(xué)函數(shù)中各項(xiàng)參數(shù)均為估算值，故在后續(xù)研究中還需提高其結(jié)果準(zhǔn)確性。

空隙對(duì)瀝青路面強(qiáng)度及耐久性方面有著較大影響。陳立春[27]利用圖像處理技術(shù)分析了排水性瀝青混合料內(nèi)部空隙的空間分布規(guī)律，考慮到混合料排水性和耐久性等相關(guān)性能，推薦其設(shè)計(jì)空隙率為18%～22%。

張蕾等[28]通過(guò)對(duì)瀝青混合料取芯試件圖像進(jìn)行相應(yīng)處理，并建立了空隙分布參數(shù)、集料與膠漿分布參數(shù)及主軸角度分布參數(shù)的一套分析指標(biāo)來(lái)表征混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)：空隙分布參數(shù)比起傳統(tǒng)體積參數(shù)對(duì)透水性的影響要更加敏感；瀝青混合料內(nèi)部集料顆粒在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式下成型的試件中傾向于水平方向，而在振動(dòng)壓實(shí)試件中似乎有更多的隨機(jī)分布。

不管是集料幾何形狀、分布還是空隙的特征狀況，在某種程度上來(lái)說(shuō)都具有一定的隨機(jī)性和統(tǒng)計(jì)自相似性，而一般數(shù)學(xué)語(yǔ)言很難對(duì)其進(jìn)行描述；相反，分形在很多具有統(tǒng)計(jì)自相似性的不規(guī)則方面應(yīng)用廣泛。陳尚江等[29]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了瀝青混合料內(nèi)部空隙的分形特征，并具體介紹了分形維數(shù)的計(jì)算方法，其計(jì)算如式(4)：

lnP=C+(D/2)lnA

(4)

式中：P為周長(zhǎng)；A為面積；D為分形維數(shù)；C為常數(shù)；D/2為lnP-lnA關(guān)系直線斜率。

于江等[30]用空隙分形維數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的壓實(shí)特性，發(fā)現(xiàn)與用空隙率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)所分析的結(jié)果一致，表明空隙分形維數(shù)與空隙率之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。

張嘉林[31]利用圖像處理技術(shù)和分形理論研究了多孔排水瀝青混合料的空隙結(jié)構(gòu)特征，采用空隙率(Vv) 、空隙等效直徑(d)、空隙輪廓分維數(shù)(DP)這3個(gè)指標(biāo)來(lái)分析空隙在各個(gè)方向上的分布特性，各參數(shù)如式(4)～(6)。

(4)

(5)

(6)

式中：ρm為試件密度，g/cm3；ρt為試件的理論最大密度，g/cm3；Ai為二維CT圖像中的單個(gè)空隙面積， mm2；Ni為二維CT圖像中的空隙數(shù)量，個(gè)；Dpi為二維CT圖像中空隙輪廓分維圖；n為瀝青混合料試件中二維CT圖像的數(shù)量，個(gè)。

空隙等效直徑主要分布于3～9 mm；混合料試件橫向空隙率和空隙平均等效直徑均大于豎向；因此相較于豎向，瀝青混合料橫向排水能力更強(qiáng)。在對(duì)兩種不同壓實(shí)方式下成型試件的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)：擊實(shí)方式下成型試件其內(nèi)部空隙分布狀況要比碾壓成型試件空隙分布更加均勻。

E.ARAMBULA等[32]利用圖像技術(shù)來(lái)量化氣孔分布及連通性，對(duì)處于干燥狀態(tài)和受潮狀態(tài)試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，并使用基于斷裂理論裂紋擴(kuò)展指數(shù)來(lái)評(píng)估損傷，以此建立瀝青混合料中氣孔分布與其水穩(wěn)定性之間關(guān)系。

裴建中等[33]同樣利用數(shù)字圖像處理技術(shù)及分形理論對(duì)混合料內(nèi)部空隙沿橫向及豎向截面上的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：所研究的6個(gè)截面空隙率分布范圍為17.7%～22.2%，不同截面空隙數(shù)量最大相差16個(gè)；兩個(gè)方向上的空隙最大直徑相差2 mm，但其等效直經(jīng)分布相差不大。

吳浩等[34]使用3種不同級(jí)配OGFC-13Marshall試件作為研究對(duì)象，利用圖像處理技術(shù)及分形理論來(lái)研究多孔瀝青混合料空隙分維特征及與混合料路用性能間關(guān)系。結(jié)果表明：多孔瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度將隨著空隙率增加而減小，隨著空隙輪廓分形維數(shù)增大而增大，而滲透系數(shù)變化剛好與其相反，這也就是為什么空隙率雖接近但其路用性能差異較大的最大原因；而空隙輪廓分形維數(shù)能較好地反映多孔瀝青混合料滲透性能，即該值越大，滲透性能越差。

目前，對(duì)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像處理都是基于二值圖，應(yīng)充分利用所得到圖像信息，盡可能避免在圖像轉(zhuǎn)化過(guò)程中造成的數(shù)據(jù)損失，但對(duì)于如何建立集料、瀝青膠漿和空隙之間這3者的區(qū)分方法還需進(jìn)一步研究。

2.3 集料接觸特性

瀝青混合料內(nèi)部集料間的接觸特性對(duì)集料顆粒間作用力有較大影響，進(jìn)而影響到瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)性能。目前，分析混合料接觸特性方法常見(jiàn)的有兩種，一種是運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)所得到的瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行研究；另一種是通過(guò)數(shù)值模擬，并結(jié)合有限元、離散元或邊界元方法構(gòu)造瀝青混合料虛擬試件后再對(duì)其各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行研究。

石立萬(wàn)等[35]在進(jìn)行瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)中結(jié)合二維圖像處理技術(shù)，對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中粗集料接觸狀況及粗集料對(duì)接觸點(diǎn)貢獻(xiàn)率進(jìn)行了研究，集料顆粒間接觸點(diǎn)示意如圖5。結(jié)果表明：集料顆粒間接觸點(diǎn)總數(shù)與瀝青混合料力學(xué)性能間相關(guān)性不大，粒徑在2.36～4.75 mm之間的集料對(duì)接觸點(diǎn)總數(shù)貢獻(xiàn)率最大，而粒徑在4.75 mm以上的粗集料對(duì)骨架穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。由此可知，若采用PG等級(jí)較高的瀝青并適當(dāng)增加粒徑在4.75 mm以上的粗集料，能較好地提高骨架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，進(jìn)而改善混合料抗車(chē)轍性能。2D成像技術(shù)表征瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，但該方法僅限于對(duì)混合料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單分析。N.R.SEFIDMAZGI等[36]提出新的圖像分析指標(biāo)(接觸點(diǎn)數(shù)、接觸長(zhǎng)度、面積和接觸面方向)來(lái)解釋瀝青混合料抗車(chē)轍性能，還可用于評(píng)價(jià)壓實(shí)效果、級(jí)配質(zhì)量和黏結(jié)劑改性對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

圖5 接觸點(diǎn)示意Fig. 5 Schematic diagram of contact point

魏鴻等[37]以AC-20型瀝青混合料作為研究對(duì)象，提出用接觸對(duì)作為量化指標(biāo)來(lái)表征集料顆粒間的接觸特性，在對(duì)車(chē)轍板試件的72幅切片圖像及集料顆粒相關(guān)接觸數(shù)據(jù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)：集料接觸對(duì)數(shù)量呈正態(tài)分布，并將粒徑在4.75 mm以上的集料含量C>4.75、細(xì)度指數(shù)FI和離析指數(shù)SI作為影響集料顆粒間接觸特性的3個(gè)重要參數(shù)，其計(jì)算見(jiàn)式(7)～(11)：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Ci為2.36，4.75，…，19 mm尺寸篩孔的集料含量；ni為2.36，4.75，…，19 mm尺寸篩孔的篩余量權(quán)重；NA為較細(xì)集料間的“自接觸”；NB為較粗集料間的“自接觸”；NC為較粗集料與細(xì)集料的“界面接觸”；Ni,j為樣本圖像中第i檔集料與第j檔集料的接觸對(duì)數(shù)目統(tǒng)計(jì)值，i和j依次為2.36，4.75，…，19 mm尺寸篩孔。

這3個(gè)因素共同影響著集料顆粒間的接觸特性變化，缺少任何一個(gè)因素都不能正確反映集料的接觸對(duì)數(shù)目。在此研究基礎(chǔ)上，英紅等[38]分析了粒徑在2.36 mm以上的集料含量C>2.36、細(xì)度指數(shù)FI和離析指數(shù)SI這3個(gè)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明：隨著集料含量C>2.36增加，細(xì)度指數(shù)FI呈上升趨勢(shì)，離析指數(shù)SI呈下降趨勢(shì)且其變異范圍越來(lái)越窄。

段躍華等[39]利用圖像處理技術(shù)將瀝青混合料中粗集料顆粒從圖像中分離出來(lái)使其成為一個(gè)獨(dú)立個(gè)體，選擇用對(duì)數(shù)正態(tài)分布以及接觸度指標(biāo)C作為評(píng)價(jià)粗集料顆粒間接觸性能的量化指標(biāo)。接觸度指標(biāo)C用接觸像素總數(shù)(Npixels)與每個(gè)斷面的顆粒總數(shù)(Gtotal)的比值來(lái)表示，如式(12)：

(12)

而后采用4種概率密度分布函數(shù)對(duì)指標(biāo)C進(jìn)行擬合，通過(guò)Kolmogorov-Smirnov以及Chi-square這2種方法擬合優(yōu)度的復(fù)合驗(yàn)證，證明利用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來(lái)描述指標(biāo)C是最合適的。

基于上述研究成果，還可嘗試?yán)媒佑|數(shù)目、接觸長(zhǎng)度和接觸面垂直方向角這3個(gè)量化指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車(chē)轍性能。均選用同種型號(hào)瀝青以避免影響，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)獲取在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式下成型的PA-13和AC-13試件內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)及3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)得到流變數(shù)值FN，再分析3個(gè)指標(biāo)參數(shù)與FN之間是否具有較好的線性關(guān)系，以此來(lái)驗(yàn)證該方法的可行性。

上述利用X-ray CT技術(shù)獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷層圖像，再結(jié)合不同數(shù)字圖像處理軟件分析在不同級(jí)配、不同孔隙率、不同混合料類(lèi)型等條件下集料接觸特點(diǎn)及變化規(guī)律，雖在一定程度上取得了具有參考性及指導(dǎo)性的研究成果，但以上研究都是基于“準(zhǔn)二維”層面上，接觸點(diǎn)、接觸對(duì)等參數(shù)并不能客觀地反映混合料內(nèi)部真實(shí)的三維接觸狀態(tài)。不僅如此，在對(duì)瀝青混合料中集料形狀及分布、空隙特征研究中，若能從三維角度去研究，則能更精確地表征集料各項(xiàng)特性，使其研究結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。

對(duì)于瀝青混合料而言，各相接觸形式不僅有集料-集料間的接觸，還有瀝青-集料及瀝青膠漿內(nèi)部間的接觸。集料-集料間的接觸主要決定混合料的傳荷機(jī)理，瀝青-集料間的接觸決定了混合料低溫開(kāi)裂和耐疲勞性能。目前對(duì)于前者研究大多基于圖像處理技術(shù)，而對(duì)于瀝青-集料間接觸，由于涉及到非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，后期希望通過(guò)表面能理論、界面理論及瀝青流變特性進(jìn)行深入研究。

3 瀝青混合料數(shù)值模擬與虛擬試驗(yàn)

3.1 數(shù)值模擬

利用圖像處理技術(shù)來(lái)描述瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也可把細(xì)觀力學(xué)應(yīng)用到混合料的研究中。而瀝青混合料數(shù)值模擬就是依靠電子計(jì)算機(jī)并結(jié)合有限元、離散元或邊界元方法來(lái)模擬其力學(xué)特性，并探尋微細(xì)觀機(jī)理，真正將瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)。

3.1.1 有限元法

有限元法在模擬瀝青混合料力學(xué)性能方面的運(yùn)用較為廣泛。E.MASAD等[40]基于圖像處理技術(shù)來(lái)獲取混合料試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，結(jié)合有限元法來(lái)研究其內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，并用數(shù)值模擬方法確定試件的剛度各向異性；分析發(fā)現(xiàn)：基于集料取向的細(xì)觀力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的相關(guān)性，瀝青混合料試件在其水平方向上的剛度要比垂直方向上高30%左右。李芬[41]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)并結(jié)合有限元軟件模擬了瀝青混凝土試件從最初的細(xì)微裂紋到最后的完全破壞過(guò)程；結(jié)果表明：瀝青混凝土試件內(nèi)部裂紋不斷延伸不僅受內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響，還與孔隙水壓力有關(guān)，若在有水情況下瀝青混凝土試件更容易發(fā)生破壞，使得疲勞壽命大打折扣。

以往的瀝青混合料開(kāi)裂研究通常沒(méi)有考慮到材料的非均質(zhì)性。J.B.SOARES等[42]提出了一種基于斷裂力學(xué)理論的數(shù)值分析方法，將黏結(jié)料和集料視為不同材料，結(jié)合有限元數(shù)值分析并通過(guò)IDT等常規(guī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)；而后研究了在單荷載作用條件下瀝青混合料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展及演變過(guò)程；但其提出的方法是多尺度路面分析框架的一部分，在該框架中，局部尺度裂縫損傷會(huì)被考慮到實(shí)際路面尺度全局分析中，且該方法還能進(jìn)一步應(yīng)用于瀝青混合料的疲勞研究。李友云等[43]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了混合料試件骨料分布情況，然后對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)以獲取其強(qiáng)度值及數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)；并結(jié)合有限元法來(lái)模擬瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變化情況；研究表明：數(shù)值模擬呈現(xiàn)結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果非常接近，即利用該數(shù)值模型能較好地模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)受力情況。劉敬輝等[44]提出建立考慮材料非均勻性的細(xì)觀力學(xué)模型來(lái)模擬混合料試件在單調(diào)加載下的間接拉伸試驗(yàn)；研究表明：運(yùn)用圖像處理技術(shù)構(gòu)建的有限元模型，并結(jié)合瀝青混合料基本材料性能及斷裂特征，能成功預(yù)測(cè)混合料力學(xué)行為。

3.1.2 離散元法

離散元法是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)解決非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值模擬方法，該方法允許各離散塊體發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，彌補(bǔ)了有限元或邊界元法只能解決介質(zhì)連續(xù)和小變形問(wèn)題的限制，其最初主要用于巖石力學(xué)的研究。同樣該方法也可用來(lái)模擬瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化狀況(內(nèi)部裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展直至完全破壞的過(guò)程等)。YOU Zhanping[45]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合離散元方法對(duì)瀝青混合料試件勁度模量進(jìn)行黏彈性數(shù)值模擬，得到不錯(cuò)的試驗(yàn)效果。高虎等[46]借助數(shù)字圖像處理技術(shù)建立了試件的幾何模型，通過(guò)離散元法來(lái)研究骨料分布、荷載和溫度變化對(duì)車(chē)轍變形的影響狀況；結(jié)果表明：骨料分布和荷載增加對(duì)車(chē)轍變形的影響不大，但若環(huán)境溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)時(shí)，骨料分布及荷載均對(duì)車(chē)轍變形有很大影響。

同時(shí)，離散元法自身也具有一定缺陷，如阻尼系數(shù)不好確定、單元數(shù)目較多及計(jì)算過(guò)程繁雜等問(wèn)題。在現(xiàn)有離散元軟件中最有名且應(yīng)用最廣泛的是由ITASCA公司推出的二維UDEC和三維3DEC等軟件。中科院與某企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的離散元商業(yè)軟件GDEM通過(guò)將有限元與離散元相結(jié)合方式并運(yùn)用GPU加速技術(shù)，讓整個(gè)計(jì)算過(guò)程變得更加高效。

3.1.3 邊界元法

邊界元法是基于有限元法發(fā)展而來(lái)，與有限元法相比，邊界元法具有單元個(gè)數(shù)少、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、計(jì)算速度及精度較高等優(yōu)點(diǎn)。C.SORANAKOM等[47]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)并結(jié)合邊界元法模擬了在荷載作用條件下的瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化情況。B.BIRGISSON等[48]利用位移間斷邊界元法來(lái)模擬瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)；研究發(fā)現(xiàn)：邊界元法雖能較好地模擬混合料內(nèi)部裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至完全破壞的過(guò)程，但由于其材料本身具有強(qiáng)度不均勻、非線性及大變形特性，能否利用邊界元法來(lái)模擬瀝青混合料力學(xué)性能這一問(wèn)題還需在今后研究中深入分析。由于該方法利用率較低，故邊界元商業(yè)軟件較少，而目前通過(guò)這一方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬的實(shí)例依然不多，因?yàn)樵诶迷摲椒ㄟM(jìn)行模擬時(shí)，對(duì)于某些問(wèn)題需要專(zhuān)門(mén)編制程序進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算工作變得繁雜。

綜上所述，這3種數(shù)值模擬方法在分析瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面的對(duì)比如表1。目前，無(wú)論是有限元、離散元還是邊界元法在模擬混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)時(shí)都各有利弊；同時(shí)集料與集料及集料與膠漿的接觸特性還有待研究；雖可通過(guò)MATLAB軟件編制程序進(jìn)行三維重構(gòu)，但后續(xù)模擬力學(xué)試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)，如何結(jié)合這幾種方法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)值模擬值得深入研究。

表1 3種數(shù)值模擬方法對(duì)比Table 1 Comparison of three kinds of numerical simulation methods

3.2 虛擬試驗(yàn)

實(shí)際試件的真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值表達(dá)被稱(chēng)為虛擬試樣，在此基礎(chǔ)上考慮試件內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化情況的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程就是虛擬試驗(yàn)。與傳統(tǒng)采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)或模擬細(xì)觀結(jié)構(gòu)不同，虛擬試驗(yàn)使用的是真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)。隨著圖像處理技術(shù)和虛擬力學(xué)性能試驗(yàn)的快速發(fā)展，由CT掃描技術(shù)獲得的瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像可用來(lái)進(jìn)行混合料力學(xué)行為的虛擬試驗(yàn)研究，這些研究可概括成3個(gè)問(wèn)題。

3.2.1 瀝青混合料體積組成

瀝青混合料體積由粗集料、細(xì)集料、填料、瀝青及空隙組成，其力學(xué)性能依賴于瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)力和集料間的內(nèi)摩阻力。當(dāng)瀝青材料性能被確定后，粗集料、細(xì)集料、填料等組成成分在很大程度上會(huì)影響瀝青混合料的各項(xiàng)力學(xué)性能。根據(jù)研究表明：瀝青材料對(duì)于高溫抗車(chē)轍、疲勞及裂縫的貢獻(xiàn)率分別為29%、52%和87%。由于密度測(cè)量方法不完善導(dǎo)致無(wú)法精確判斷瀝青混合料的體積組成，故一般利用圖像處理技術(shù)來(lái)獲得瀝青混合料的體積組成情況[49]。

美國(guó)聯(lián)邦公路局和多家研究機(jī)構(gòu)采用的集料圖像處理系統(tǒng)(aggregate imaging system, AIMS)是一個(gè)標(biāo)志性成果。其雖能較好地識(shí)別粗集料顆粒的形狀、分布、級(jí)配組成及空隙特征等，但在密級(jí)配瀝青混合料中細(xì)集料和空隙體積組成研究中由于存在技術(shù)問(wèn)題而進(jìn)展不順。

雖然X-ray CT空間分辨率達(dá)到0.01 mm量級(jí)，但現(xiàn)有研究表明：由于瀝青與細(xì)集料顆粒的混合密度及邊界浸潤(rùn)等問(wèn)題，在實(shí)際混合料試件中能較好識(shí)別的集料顆粒最小粒徑約為1.18～2.36 mm，瀝青混合料空隙分布也存在類(lèi)似問(wèn)題[50]。

在利用圖像處理技術(shù)對(duì)瀝青混合料體積組成分析過(guò)程中，可將得到的瀝青混合料試件圖像進(jìn)行分離處理以獲得單個(gè)分量形狀特征及空間分布狀況，這就是顆粒分離技術(shù)。對(duì)集料顆粒的幾何模型重構(gòu)問(wèn)題可用CAD軟件進(jìn)行顆粒分離與描述，而利用三角片表面組合的面重構(gòu)模型只有一些表面幾何信息，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換處理后才有可能將其轉(zhuǎn)換化為實(shí)體幾何模型[51]。盛燕萍等[52]為了將瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像中集料顆粒分離開(kāi)來(lái)，對(duì)所獲圖像進(jìn)行高斯平滑和H-maxima轉(zhuǎn)換處理，目的是消除圖像噪聲和降低圖像像素密度變異性，之后再利用分水嶺分割算法對(duì)圖像中集料顆粒進(jìn)行分割處理，最后成功實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料試件圖像中集料顆粒的分離。

3.2.2 瀝青混合料數(shù)值試樣虛擬制作

瀝青混合料數(shù)值試樣制作是一個(gè)虛擬試驗(yàn)過(guò)程。首先在數(shù)值集料庫(kù)基礎(chǔ)上，按照體積組成級(jí)配進(jìn)行虛擬篩分，然后根據(jù)試件成型工藝選擇虛擬成型試樣模式，最后采用相應(yīng)的力學(xué)模型與計(jì)算工具完成數(shù)值試樣制作。由于目前對(duì)數(shù)值試樣虛擬制作研究還不夠成熟，故這也是整個(gè)虛擬試驗(yàn)中較為薄弱的一環(huán)。

在建立數(shù)值集料庫(kù)時(shí)不僅要在體積、粒徑及強(qiáng)度等方面具有代表性，還需要建立數(shù)值集料形狀分類(lèi)規(guī)則，使其能準(zhǔn)確描述其邊角面形狀及集料顆粒間接觸點(diǎn)的棱角特征或顆粒表面構(gòu)造特征等。美國(guó)某城市曾利用圖像處理技術(shù)根據(jù)10類(lèi)集料的2 500個(gè)試樣來(lái)嘗試建立集料具體規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，這就是數(shù)字集料庫(kù)雛形[53]。

而比較關(guān)鍵的問(wèn)題是數(shù)值試樣虛擬制作力學(xué)模型該如何選擇。由于離散元法可模擬骨架顆粒非連續(xù)性相互接觸、相互作用狀態(tài)，允許各個(gè)離散塊體發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，因此被認(rèn)為是最適用于數(shù)值試樣虛擬制作的方法[54]?，F(xiàn)有離散元軟件需要將集料顆粒簡(jiǎn)化成類(lèi)似于圖6這種球體組合，計(jì)算量雖大，但由于部分球體數(shù)量減少能使顆粒間接觸特征簡(jiǎn)化方法得到推廣應(yīng)用(圖7)。

圖6 由球體堆積而成的集料顆粒Fig. 6 Aggregate particles composed of spheres

圖7 有接觸點(diǎn)的主球擴(kuò)散法生成的集料顆粒Fig. 7 Aggregate particles generated by the master ball diffusionmethod with contact points

3.2.3 瀝青混合料力學(xué)性能虛擬試驗(yàn)

與真實(shí)力學(xué)試驗(yàn)相比，虛擬試樣的相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)都是通過(guò)計(jì)算機(jī)處理來(lái)完成。結(jié)合力學(xué)分析方法與數(shù)值計(jì)算手段，獲取虛擬試樣損傷與破壞的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，以此來(lái)對(duì)瀝青混合料各項(xiàng)力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

萬(wàn)成[55]通過(guò)建立由X-ray CT掃描真實(shí)試樣得到的數(shù)值模型，以節(jié)點(diǎn)和單元坐標(biāo)信息來(lái)描述集料、砂膠和空隙等，在形成有限元軟件中的INP輸入文件后完成單軸壓縮等虛擬力學(xué)試驗(yàn)。

李強(qiáng)等[56]為研究瀝青混合料的抗拉性能，利用X-ray CT掃描技術(shù)并結(jié)合有限元法建立了基于瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的虛擬劈裂試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；以劈裂勁度模量、拉?yīng)力最大值、拉應(yīng)力平均值、拉應(yīng)力方差及應(yīng)力集中性參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；結(jié)果表明：AC-13型比AC-20型瀝青混合料有更好的抗裂性能和應(yīng)力分散性能，采用橡膠瀝青或SBS改性瀝青能顯著提高瀝青砂漿抗變形能力和瀝青混合料抗拉性能。

陳俊等[57]運(yùn)用離散元法實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料小梁試件的虛擬疲勞試驗(yàn)，將真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與其進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：這兩者的試驗(yàn)結(jié)果非常接近，說(shuō)明利用該方法能較為準(zhǔn)確地研究混合料疲勞性能。

陳明等[58]為更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)間接拉伸模式下瀝青混合料的應(yīng)力分布狀況，運(yùn)用圖像處理技術(shù)以三維重構(gòu)理論建立了瀝青混合料三維虛擬試樣，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了低溫條件下的間接拉伸虛擬試驗(yàn)；結(jié)果表明：與先前的基于彈性理論解二維應(yīng)力均勻分布不同，瀝青混合料試件在水平及豎直方向上的應(yīng)力分布不均勻；該虛擬力學(xué)試驗(yàn)克服了以往忽略瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷，能更加真實(shí)地模擬試樣在荷載作用下的力學(xué)行為。

張德育等[59]利用離散元法進(jìn)行了瀝青混合料三維虛擬單軸蠕變?cè)囼?yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與二維虛擬試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：三維虛擬試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果非常接近，而二維虛擬試驗(yàn)結(jié)果要大于另外兩種試驗(yàn)的結(jié)果，且它們之間的差異隨著荷載增大而增大，說(shuō)明對(duì)比二維虛擬試驗(yàn)，三維離散元虛擬單軸蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)芨玫卦u(píng)價(jià)瀝青混合料高溫永久變形性能。

李智等[60]利用三維凸包算法及Bubble Pack來(lái)構(gòu)建瀝青混合料虛擬試樣，而后進(jìn)行虛擬三軸剪切試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比虛擬試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果；研究發(fā)現(xiàn)：采用該方法所生成的粗集料虛擬顆粒其顆粒精度較高，模擬效果較好；兩種試驗(yàn)結(jié)果較為一致，其應(yīng)力應(yīng)變特性基本相同且虛擬試驗(yàn)結(jié)果處于合理誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明該虛擬試驗(yàn)?zāi)茌^好地描述瀝青混合料剪切破環(huán)行為。

在基于圖像處理技術(shù)對(duì)瀝青混合料相關(guān)力學(xué)特性的虛擬試驗(yàn)研究中，三維虛擬力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果要比二維的更為準(zhǔn)確，但它也有需要完善的地方，兩者間的對(duì)比如表2。

表2 兩種不同數(shù)值仿真試驗(yàn)間的對(duì)比Table 2 Comparison between two kinds of different numerical simulation tests

相較于真實(shí)試驗(yàn)而言，虛擬試驗(yàn)最大優(yōu)勢(shì)就是能利用同一個(gè)試樣來(lái)進(jìn)行多種虛擬力學(xué)試驗(yàn)，既方便快捷又能節(jié)省真實(shí)試驗(yàn)所需的各種設(shè)備，通過(guò)建立虛擬試驗(yàn)環(huán)境再結(jié)合計(jì)算機(jī)來(lái)模擬研究試樣在不同受力條件下其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化情況。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)來(lái)表征混合料各項(xiàng)性能還不夠完善，建立完整統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用到生產(chǎn)指導(dǎo)階段還有很多工作要做。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

筆者對(duì)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)研究瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和擴(kuò)展。得出以下結(jié)論：

1)X-ray CT掃描技術(shù)具有圖像精度高、無(wú)損傷檢測(cè)和獲取信息豐富等優(yōu)勢(shì)，能對(duì)瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行較好識(shí)別，此外由于數(shù)字圖像處理技術(shù)本身所具有自動(dòng)化和客觀化性質(zhì)，能有效避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中步驟繁瑣、主觀性強(qiáng)，誤差大等缺陷；

2)利用圖像處理技術(shù)能較好地研究瀝青混合料的內(nèi)部特征(集料形狀與分布、接觸特性及空隙特征)，在研究集料間接觸特性和空隙特征時(shí)，大多都采用相似的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但在研究集料形狀及分布規(guī)律時(shí)，不同研究者采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其代表性不強(qiáng)，缺乏統(tǒng)一性；

3)數(shù)值模擬結(jié)合有限元、離散元或邊界元法能將瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀路用性能建立有機(jī)聯(lián)系；虛擬試驗(yàn)應(yīng)用不僅能大大節(jié)省人力物力，還能幫助理解宏觀試驗(yàn)結(jié)果，其優(yōu)勢(shì)顯著且與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果接近。

4.2 展 望

近年來(lái)，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)在瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面的研究已日趨成熟，筆者對(duì)今后發(fā)展進(jìn)行了展望：

1)集料-瀝青界面接觸效應(yīng)。集料-集料之間的接觸可通過(guò)圖像處理技術(shù)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)來(lái)確定，而集料-瀝青界面接觸是一種較為復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，對(duì)該種接觸形式還有待進(jìn)一步研究；

2)瀝青混合料勁度模量虛擬試驗(yàn)。對(duì)二維模型一般可利用雙軸試驗(yàn)來(lái)測(cè)量混合料的勁度模量，而對(duì)于特征復(fù)雜的三維模型，可用離散元法建模，研究瀝青混合料在荷載作用下的力學(xué)特性，再利用混合料勁度模量雙軸與三軸虛擬試驗(yàn)來(lái)預(yù)估試件的勁度模量。