康興祥，馬 骉，王小慶，司 偉，胡永平

(長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

多孔瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture，PAM)是一種典型的骨架-空隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大量空隙，空隙率在15%～25%之間。與傳統(tǒng)的密實瀝青混合料相比，內(nèi)部充足的空隙結(jié)構(gòu)使得PAM兼顧排水、降噪和抗滑等優(yōu)異的性能[1-3]。因此，PAM被越來越多地應(yīng)用于城市道路和高速公路。

空隙一般可分為開口空隙和閉口空隙，開口空隙又包含連通空隙和半連通空隙(圖1，Ⅰ連通空隙，Ⅱ半連通空隙，Ⅲ閉口空隙)，其中空隙特征是瀝青混合料最重要的體積特征參數(shù)之一，直接影響著瀝青混合料的力學(xué)強度和耐久性能[4-6]。傳統(tǒng)研究中關(guān)于瀝青混合料內(nèi)部空隙特征問題，僅針對空隙率而言，依據(jù)試驗規(guī)程[7]，有表干法、水中重法、蠟封法以及體積法等獲取混合料的空隙率的方法，但研究發(fā)現(xiàn)各類空隙率測試方法所得結(jié)果都存在一定的不確定性，尤其是對空隙率大且復(fù)雜的PAM而言，傳統(tǒng)的空隙測試方法，得到的數(shù)據(jù)變異系數(shù)較大，無法解釋實際工程中出現(xiàn)的一系列深層問題。鑒于此，越來越多的研究學(xué)者開始將目光聚焦于從細觀角度研究PAM內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)分布特性[8]。

圖1 瀝青混合料空隙類型[4]Fig.1 Void types of asphalt mixture [4]

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，數(shù)字圖像收集和圖像分析等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用為PAM細觀空隙結(jié)構(gòu)研究提供了基礎(chǔ)。裴建中(2009)等[9]采用X-CT掃描和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方法，獲取了PAM的空隙特征圖像、空隙特征參數(shù)及空隙豎向分布級配，較為準(zhǔn)確地反映了PAM內(nèi)部空隙空間分布信息；Gao(2020)等[10]和Qian(2019)等[11]基于CT掃描、圖像處理技術(shù)獲取了PAM內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)特征，包括空隙率、空隙數(shù)量、平均空隙等效直徑、空隙比表面積等，并借助圖像重建和數(shù)值模擬的方法分別構(gòu)建了PAM聲學(xué)系數(shù)預(yù)測模型和三維滲透模型，分析表明PAM降噪吸聲、滲透特性與空隙結(jié)構(gòu)和分布密切相關(guān)。此外，隨著對PAM內(nèi)部細觀空隙結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，研究人員[12-17]發(fā)現(xiàn)PAM在長期的服役期間，受到荷載、水和溫度等不同條件的耦合作用，其空隙結(jié)構(gòu)不斷衰變，甚至?xí)l(fā)生空隙堵塞，嚴(yán)重影響PAM排水、降噪等性能。Sanudo-Fontaneda(2018)等[18]通過對室外環(huán)境中排水路面進行長達10 a的現(xiàn)場研究，發(fā)現(xiàn)多孔排水路面9 a后內(nèi)部空隙完全堵塞，喪失了功能特性。由此可見，借助X-ray CT、DIP圖像處理等技術(shù)從細觀角度獲取PAM內(nèi)部空隙的大小、形貌、分布等特征參數(shù)將是未來研究的趨勢[19-21]。鑒于此，為了讓研究學(xué)者更好地了解目前PAM空隙結(jié)構(gòu)的細觀研究方法，詳細介紹了目前3種常用于細觀空隙結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)方法，評述了不同技術(shù)方法的優(yōu)缺點；同時根據(jù)近年來研究學(xué)者對PAM細觀空隙結(jié)構(gòu)研究進展，闡述了關(guān)于PAM細觀空隙結(jié)構(gòu)的各類空隙特征評價指標(biāo)，分析了各評價指標(biāo)與PAM性能之間的關(guān)系；最后對PAM細觀空隙結(jié)構(gòu)未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望，以期豐富PAM空隙結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容，并為后續(xù)多孔瀝青排水路面的研究和應(yīng)用提供參考。

1 PAM細觀空隙研究方法

在美國SHRP計劃中，研究學(xué)者[2, 22-23]已經(jīng)開始逐漸意識到微細觀結(jié)構(gòu)對于瀝青混合料性能的影響。汪海年(2008)等[8]首次利用圖像處理技術(shù)對所獲取的原始圖像進行處理，定量分析了瀝青混合料中集料的形狀和分布特性。隨著研究的不斷深入，X-ray CT無損檢測技術(shù)被應(yīng)用到瀝青混合料細觀研究中，所獲得圖像更具研究價值。尤其針對空隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的PAM而言，DIP圖像處理技術(shù)、X-ray CT掃描技術(shù)以及三維模型構(gòu)建等新手段的創(chuàng)新型應(yīng)用，極大推動了PAM內(nèi)部細觀研究進程。

1.1 DIP圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)是從原始圖像中提取圖像信息，經(jīng)過離散化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并通過對數(shù)字信息施加某種特定的運算程序和方法進行圖像重組，將原始圖像中的相關(guān)特性再現(xiàn)為研究學(xué)者所需的圖像，進行相關(guān)分析和研究[24]。近年來，圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于路面材料工程等領(lǐng)域。對多孔瀝青混合料而言，眾多研究學(xué)者通過圖像處理技術(shù)(如Photoshop、Matlab等成熟軟件)對多孔瀝青混合料內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)有了更清晰直觀的認(rèn)識，為PAM路面的數(shù)值模擬和建立相關(guān)的三維模型提供一定基礎(chǔ)，OGFC多孔混合料利用Matlab處理后圖像如圖2所示。

圖2 多孔瀝青混合料圖像處理步驟示意圖[25]Fig.2 Schematic diagram sof image processing steps of porous asphalt mixture[25]

汪敏等[26]通過數(shù)字圖像處理技術(shù)Matlab軟件，提取PAM混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面空隙數(shù)量、大小以及分布情況，借助獲得的相關(guān)參數(shù)開展了PAM混合料細觀特性研究；基敏雪等[27]利用Matlab軟件對不同空隙的瀝青混合料原始圖像進行處理，獲取空隙結(jié)構(gòu)的一系列指標(biāo)，包括斷面空隙總面積A；單個空隙面積的等效直徑Di；斷面平均單個空隙的等效直徑D；斷面空隙率n，如表1所示。

表1 多孔瀝青混合料細觀空隙特征[27]Tab.1 Mesoscopic void characteristics of porous asphalt mixture[27]

1.2 X-ray CT掃描技術(shù)

X-ray CT掃描技術(shù)是一種較為前沿的無損檢測方法。利用X射線從各個方向穿透瀝青混合料試件，可獲取其內(nèi)部三維空間結(jié)構(gòu)[28]。X-ray CT掃描儀一般由4個部分組成，包括X-ray射線源、準(zhǔn)直器、試件控制器、X-ray輻射探測器，其工作原理如圖3所示。

圖3 X-ray CT掃描工作原理[29]Fig.3 X-ray CT scanning principle[29]

X-ray CT掃描可以獲取不透明固體材料的3D幾何特性的數(shù)值信息，將材料內(nèi)部情況進行一個完整的視覺轉(zhuǎn)移。Plessis A等[30]對X-ray CT掃描技術(shù)在瀝青混合料等建筑材料細微觀結(jié)構(gòu)研究進行了綜述，介紹了其在瀝青混合料細觀空隙結(jié)構(gòu)研究中的相關(guān)應(yīng)用，指出CT掃描過程涉及樣品設(shè)置、掃描、重建及圖像可視化和分析等，通過對CT圖像分割選擇空隙空間，獲取空隙體積、比表面積及每個空隙的其他參數(shù)，可對空隙結(jié)構(gòu)進行定量分析。對于空隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的PAM而言，X-ray CT掃描技術(shù)作為有效研究手段，被越來越多的研究人員所青睞[31]。肖鑫等[32]和Zhang等[23]基于工業(yè)CT掃描得到斷層圖像和3D圖像(圖4)，通過改進的大律法[33]有效提取了PAM內(nèi)部空隙信息，提出空隙率、連通空隙率、比表面積以及彎曲度的算法進行空隙空間分布特性分析，為研究PAM排水特性提供了一定支撐。Jiang等[34]通過CT技術(shù)對多孔瀝青混合料切片掃描，得到多孔瀝青混合料的內(nèi)部空隙特征，分析發(fā)現(xiàn)空隙直徑與多孔瀝青混合料的肯塔堡飛散損失、動穩(wěn)定度、抗剪強度、降噪性能以及堵塞性能呈線性相關(guān)；Zhou等[35]利用CT掃描和圖像處理研究堵塞顆粒粒徑和空隙大小對堵塞的影響，結(jié)果表明空隙結(jié)構(gòu)尺寸的大小對堵塞顆粒是否堵塞空隙起決定性作用。

圖4 試件3D可視化和2D斷面CT圖像示例[35]Fig.4 Examples of 3D visualization and 2D section CT images of specimen[35]

大量研究表明，X-ray CT掃描技術(shù)在工程領(lǐng)域的創(chuàng)新型應(yīng)用，促進了細觀空隙結(jié)構(gòu)的研究，通過CT掃描得到的斷層圖像和3D圖像極具研究和應(yīng)用價值，但X-ray CT掃描設(shè)備費用價格昂貴，所以CT掃描技術(shù)不宜作為常規(guī)試驗手段，應(yīng)在了解試驗性能優(yōu)勢的情況下，作為一種驗證或探索性方法合理地選擇應(yīng)用。

1.3 數(shù)值模擬技術(shù)

隨著多孔瀝青混合料內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，越來越多的學(xué)者運用數(shù)值模擬方法構(gòu)建試件的三維模型[36]，可視化地將試驗過程中PAM細觀空隙結(jié)構(gòu)的狀態(tài)通過圖形、圖表等方式輸出，得到的信息更加豐富，借此更為簡單有效地研究PAM混合料性能。周韡等[37]和馬濤等[12]通過PFC離散元軟件構(gòu)建了PAM的三維模型，借助開發(fā)的離散元模型空隙結(jié)構(gòu)提取分析方法，通過模擬試驗，研究了不同影響因素下多孔瀝青混合料的空隙衰變規(guī)律，荷載、外界環(huán)境溫度均為空隙衰變的不利因素；Gruber等[38]通過Avizo有限元軟件模擬了水流在多孔瀝青混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)中的滲水過程，發(fā)現(xiàn)3個不同水流方向的滲水系數(shù)的差異達到50%；Qian[11]等基于晶格玻耳茲曼方程(Lattice Boltzmann Method，LBM)建立了多孔瀝青混合料內(nèi)部空隙介觀滲透率數(shù)值模型，其中圖5(a)為水流滲透模型3D圖像，通過應(yīng)用不同的邊界條件可以準(zhǔn)確地得到多孔瀝青混合料試樣內(nèi)部任意點的滲透流速的大小及分布情況。由此可見，利用數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建PAM三維模型的方法，已成為研究人員常應(yīng)用的有效技術(shù)手段之一，尤其是對于試驗量龐大的問題，例如空隙衰變等，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用不僅可以大幅度地縮減試驗量，同時隨著模型軟件的不斷更新以及模型邊界條件處理的不斷合理化，其試驗結(jié)果越來越接近實際值。但數(shù)值模擬技術(shù)需要研究人員擁有較強的計算機基礎(chǔ)，并需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的模型軟件。

圖5 孔隙介觀滲透率數(shù)值模型[11]Fig.5 Numerical model of void mesoscopic permeability[11]

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，研究學(xué)者對于多孔瀝青混合料內(nèi)部細觀空隙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識逐漸深入，特別是CT掃描無損檢測技術(shù)和圖像處理技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地促進了細觀空隙結(jié)構(gòu)的研究?？障冻叽纭⒖障哆B通路徑、空隙比表面積以及彎曲度等一系列指標(biāo)的相繼提出，為利用有限元、離散元以及邊界元等數(shù)值模擬方法建立多孔瀝青混合料模型提供了基礎(chǔ)。通過改變邊界條件模擬不同環(huán)境和因素下所對應(yīng)的PAM三維模型，簡單并更有效地研究多孔瀝青混合料內(nèi)部細觀空隙結(jié)構(gòu)對性能的影響。

2 PAM細觀空隙分布特征指標(biāo)分析

傳統(tǒng)的空隙率指標(biāo)對PAM性能研究具有很大的局限性，無法解釋實踐中出現(xiàn)的深層問題。從細觀角度獲取PAM空隙特征參數(shù)，提出的有效空隙率、空隙等效直徑、比表面積、空隙彎曲度等一系列空隙特征指標(biāo)，為深入研究空隙結(jié)構(gòu)與其性能之間的復(fù)雜關(guān)系提供新思路。

2.1 有效空隙率

有效空隙率是指多孔瀝青混合料中相互連通空隙占總空隙的比例，大量研究表明PAM路面的優(yōu)異性能主要源于有效空隙率的直接作用。Kutay等[39]、Edith Arambula等[40]和Zhao等[41]通過工業(yè)CT掃描和圖像處理技術(shù)對PAM內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)分布和空隙連通性進行相關(guān)研究，識別和區(qū)分了有效空隙和無效空隙結(jié)構(gòu)(圖6)，發(fā)現(xiàn)無效空隙一般分布在試驗的中心區(qū)域，而有效空隙多處于試件的邊緣的位置，同時研究還表明PAM內(nèi)部有效空隙率約占總空隙率的82.1%左右；馬翔等[42]通過研究建立了有效空隙率、豎向滲水系數(shù)、橫向滲水系數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)豎向滲水系數(shù)與有效空隙率之間存在對數(shù)關(guān)系，橫向滲透系數(shù)與有效空隙存在線性相關(guān)；此外，李翔等[43]和Alber等[44]通過研究發(fā)現(xiàn)連通空隙率下降，會對路面的排水、降噪效果產(chǎn)生較大的影響。因此，在PAM滿足力學(xué)強度的前提下，需要確保足夠的有效空隙率。

圖6 PAM試件內(nèi)部空隙有效性結(jié)構(gòu)示意圖[41]Fig.6 Schematic diagram of void effective structure in PAM specimen[41]

2.2 空隙等效直徑

空隙等效直徑是指運用等效圓法求出每個橫截面全部空隙直徑的平均值，如式(1)、(2)所示；而平均空隙等效直徑則是指計算試件全部截面空隙等效直徑的平均值，如式(3)所示[45]。

(1)

(2)

(3)

式中，S為試件每個截面的空隙總面積；p為空隙面積的像素點面積；n為空隙數(shù)量；d截面為每個截面的空隙等效直徑；h為試件截面的數(shù)量；d為試件的空隙平均等效直徑。

Yang等[46]通過CT掃描和圖像處理獲取PAM內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并借助閾值方法計算出斷層的空隙等效直徑，發(fā)現(xiàn)空隙等效直徑與PAM的耐久性、滲透性和降噪等性能密切相關(guān)，其中最大空隙等效直徑對混合料的性能影響最大。黃寧等[47]采用相似的方法獲取空隙平均等效直徑，研究了空隙平均等效直徑與宏觀性能、滲水性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)空隙平均等效直徑增大，劈裂強度、彎曲應(yīng)變、疲勞壽命呈線性關(guān)系減小，滲水系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系增大；汪敏等[26]通過Matlab對CT圖像進行處理得到空隙有效直徑等指標(biāo)，并給出了不同有效直徑空隙占總空隙的比例(圖7)，發(fā)現(xiàn)空隙有效直徑主要集中分布在3～12 mm 之間，空隙有效直徑d≥20 mm的總空隙面積占總空隙面積的6.8%。

圖7 不同有效直徑空隙面積占總空隙的比例[26]Fig.7 Proportion of void area with different effective diameters in total void area [26]

2.3 比表面積

空隙比表面積是空隙總表面積與空隙材料的總體積之比，其物理意義是指單位體積內(nèi)的多孔介質(zhì)空隙表面積，計算公式如式(4)所示。

(4)

式中,Pij為空隙周長；M為單張圖像中空隙的數(shù)目；N為圖像張數(shù);AT為單張圖像總面積。

Zhao等[41]通過研究發(fā)現(xiàn)沿試件厚度方向，有效空隙的比表面積在試件兩端較大，而在試件中部相對較小(圖8)；肖鑫等[48]通過CT和圖像處理技術(shù)，提取了各個截面的空隙數(shù)據(jù)，計算出了整個試件的比表面積等空隙分布特征指標(biāo)，并以此分析PAM試件的滲透性能，發(fā)現(xiàn)比表面積越大，其滲透性能越好。

圖8 試件比表面積沿厚度方向分布情況[41]Fig.8 Distribution of specific surface areas along thickness direction[41]

2.4 空隙彎曲度

多孔瀝青混合料在排水過程中，由于混合料材料固有的不均勻性和各向異性，水在其內(nèi)部的流動并不是直線前進的，而是迂回曲折地流動[41,49-50]。華南理工大學(xué)肖鑫[29, 32, 48]等提出用空隙彎曲度來反映混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)迂回的程度，并給出了空隙彎曲度T的定義(圖9)，即實際水流長度Le與該水流路徑出、入孔的直線垂直長度L的比值，表達式為式(5)；通過計算不同空隙彎曲度下的水流流速，發(fā)現(xiàn)空隙彎曲度與流速比具有良好的相關(guān)性。Ma等[51]和Chen等[52]通過CT掃描和圖像處理方法得到PAM內(nèi)部空隙特征參數(shù)，以有效空隙率和空隙彎曲度指標(biāo)量化了空隙在水平和垂直方向上的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水平方向的滲透系數(shù)約是垂直方向的滲透系數(shù)的2倍。

圖9 空隙彎曲度計算示意圖[41, 48]Fig.9 Schematic diagram of calculating void bending[41, 48]

(5)

綜上所述，PAM內(nèi)部富含大量復(fù)雜的空隙結(jié)構(gòu)，為更好地研究PAM內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)對其性能的影響，研究人員不再僅以空隙率為唯一指標(biāo)，研究學(xué)者越來越多從細觀角度出發(fā)，利用X-ray CT掃描、圖像處理、數(shù)值模擬模型等先進研究手段獲取空隙結(jié)構(gòu)的空隙數(shù)量、面積等基本數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)之上提出了有效空隙率、空隙等效直徑、比表面積以及空隙彎曲度等細觀特征指標(biāo)，對PAM內(nèi)部細觀空隙結(jié)構(gòu)進行深入的研究，研究發(fā)現(xiàn)，空隙等效直徑與PAM的耐久性、滲透性和降噪性等密切相關(guān)，最大空隙等效直徑對混合料的性能影響最大。

3 進一步展望

近年來，眾多學(xué)者從細觀角度對PAM空隙結(jié)構(gòu)進行了大量研究，雖然在空隙結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)分析方面取得了階段性成果，然而PAM試件中的空隙結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，目前尚未形成統(tǒng)一的空隙結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)、眾多空隙特征指標(biāo)與PAM性能之間的關(guān)系也不明確。因此，對未來關(guān)于PAM內(nèi)部細觀空隙結(jié)構(gòu)的研究進行了以下3點展望：

(1)關(guān)于細觀空隙結(jié)構(gòu)研究方法方面，未來一段時間內(nèi)還應(yīng)以當(dāng)前使用較為廣泛的X-ray CT掃描、圖像處理以及數(shù)值模擬等技術(shù)為主要的研究手段，三者的有機結(jié)合和創(chuàng)新應(yīng)用，是以后探索細觀空隙結(jié)構(gòu)的分布特性的關(guān)鍵所在；其次，上述3種研究方法都需要進行一定的基本假定，回避了一些關(guān)于瀝青混合料的細節(jié)問題，因此，一些新的研究方法，如當(dāng)前較為前沿的3D打印、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，也將成為深入研究細觀空隙結(jié)構(gòu)特性的突破口之一。

(2)在細觀空隙結(jié)構(gòu)研究方面，目前以研究細觀空隙分布特性和空隙分布對PAM功能特性的影響為主，未來的研究應(yīng)貼近工程實際，從空隙結(jié)構(gòu)特征情況全方位地評價多孔排水路面的排水、降噪以及使用壽命等路用性能，并依據(jù)空隙變化程度定量表征多孔排水路面的服役狀況，以此作為對路面空隙進行養(yǎng)護、清理的依據(jù)。

(3)PAM內(nèi)部復(fù)雜的大空隙結(jié)構(gòu)雖然帶來了排水、降噪、抗滑等性能的提升，提升了路面的使用質(zhì)量，但初期的強度低、耐久性差以及空隙堵塞等問題都極大地制約了多孔瀝青混合料的應(yīng)用。因此，如何改善PAM的初始性能，提高耐久性，防止空隙堵塞都將成為未來一段時間內(nèi)研究的重點。

4 結(jié)論

(1) X-ray CT掃描、DIP圖像處理、三維模型構(gòu)建等技術(shù)是當(dāng)前研究細觀空隙結(jié)構(gòu)的主流方向，尤其是X-ray CT掃描與DIP圖像處理在工程領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，以直觀的角度對混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)進行深入的研究，豐富了細觀空隙結(jié)構(gòu)的內(nèi)容；同時各種數(shù)值模擬方法也為PAM混合料研究提供了新思路。

(2) 基于各種先進設(shè)備的應(yīng)用，研究人員提出了有效空隙率、空隙等效直徑、比表面積以及空隙彎曲度等細觀空隙特征指標(biāo)，并建立了空隙特征指標(biāo)與PAM性能之間的關(guān)系，其中最大空隙等效直徑對PAM性能影響最為顯著。

(3) PAM是一種在排水、降噪以及抗滑等方面性能優(yōu)異的路面材料，為使PAM具有更廣闊的應(yīng)用前景，后續(xù)研究重點應(yīng)集中在提高其力學(xué)強度和耐久性能方面。