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粗集料對瀝青混合料空隙結構影響分析
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粗集料對瀝青混合料空隙結構影響分析
2022年07月14日    閱讀量:64259    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:瀝青混合料的空隙率與性能密切相關,空隙細觀結構直接影響著瀝青混合料的各種性能。針對粗集料,設計不同級配和針片狀含量的混合料,通過CT掃描、數字圖像獲取技術方法的研究,獲得三維重構圖,采用VG Studio MAX2.2設定不同灰度范圍,進而提取空隙,構建瀝青混合料的空隙空間變化特征圖,分析空隙結構評價指標,進而對空隙結構進行研究。通過空隙定性對比發現,該方法獲得的空隙變化同表干法實測規律一致;空隙粒徑分布受粗集料級配和針片狀含量影響顯著;通過設定灰度閾值的方法計算瀝青混合料空隙率,其結果大于實測空隙率;構建的面積比值參數,能準確地表征瀝青混合料中粗集料和空隙的比例關系瀝青網sinoasphalt.com。


關鍵詞: 瀝青混合料;粗集料;數字圖像獲??;空隙結構;級配;針片狀;


1 引言


瀝青混合料體積參數中,空隙率與性能相關性顯著 [1] - [11] ,而空隙率作為定量的宏觀指標,其分布特性或結構特征的研究,將有助于深入理解混合料組成特性。由于空隙結構灰度變化范圍很小,且接近于0,在斷層掃描的圖像上能夠清楚識別。因此,可借助工業CT和圖像處理技術 [12] [13] 對不同粗集料級配和針片狀含量的瀝青混合料空隙結構進行定性和定量研究。


2 試驗材料

2.1. 試驗用混合料級配


1) 以AC16中值級配J1為基礎,變換粗集料篩孔通過率形成不同粗細且走向一致的礦料級配類型,并以此模擬生產過程中粗集料變異導致的級配差異?;舅悸肥潜WC各4.75 mm及以下細集料篩孔通過率不變,在9.5 mm篩孔通過率中值基礎上分別增減±5%、±10%,并保證9.5 mm以上各檔粗集料之間比例不變,得到5個不同的AC16級配如表1所示。

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2) 為考察4.75 mm通過率對瀝青混合料結構和性能的影響,以AC16級配中值J1級配為基礎,保證除4.75 mm以外的篩孔通過率不變,在4.75 mm中值篩孔通過率基礎上分別±5%、±10%得到JA、JB、JC、JD 4個級配,即4.75 mm對應的通過率分別為58%、53%、43%和38%。


2.2. 試驗用礦料的針片狀含量設計


以AC16級配中值為基準,六種材料Z1~Z6,其粗集料的針片狀顆粒含量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%。


2.3. 試驗用混合料的瀝青用量


以AC16級配中值為基礎,確定中值級配瀝青混合料的最佳瀝青用量,其它級配變化時均采用中值級配所確定的瀝青用量,級配中值條件下瀝青混合料的最佳油量為4.5%。


3. 基于工業CT技術的瀝青混合料數字圖像獲取


試驗采用德國Phoenix v|tome|x s微焦點工業CT,掃描電壓為190 Kv,電流300 μA。對瀝青混合料試件進行掃描重構,獲得試件結構圖。打開phoenix datosx2 rec導入CT掃描數據“.pcr”文件→幾何校正→定義材料參數→對圖像進行濾波處理→進行三維重構得到“.vgi”文件。導入.vgi數據之后,在VG Studio MAX2.2中瀝青混合料試件將能夠以3D形式顯示出來,并且能夠通過電子切割得到任意斷面上的二維圖像,如圖1所示。

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采用CT成像重構的瀝青混合料試件,不同密度的物質具有不同的灰度閾值,因此VG Studio MAX2.2軟件將主要基于灰度識別來進行掃描試件的處理。瀝青混合料各組分在的斷層圖像中將呈現明顯的灰度界線,這為瀝青混合料組分分離提供了條件。瀝青混合料CT掃描二維斷面圖像見圖2,由圖可以清晰識別瀝青混合料不同組分。

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4. 基于CT技術的空隙分布特性分析


成型試件的體積參數如表2所示。

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按照上述方法對不同的瀝青混合料試件進行重構處理,采用VG Studio MAX2.2設定不同灰度范圍對空隙進行了提取,對比了不同影響因素條件下瀝青混合料的空隙空間變化特征圖如圖3~5所示,圖中各顏色分別代表了不同體積大小的空隙結構。

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圖3中空隙結構從左至右依次為JA、JB 、J1、JC、JD,其4.75 mm通過率分別為58%、53%、48%、43%、38%。圖像發現,4.75 mm篩孔通過率越小,空隙越小,與排水法實測的空隙變化規律是一致的。表明在AC16瀝青混合料中,4.75~9.5 mm粒徑的集料在AC16瀝青混合料中主要起到了填充的作用。


由圖4發現,粗集料級配的變化會影響AC16瀝青混合料的空隙變化,J2和J3空隙最大,J1次之,J4和J5空隙最小,變化規律與實測相吻合。細集料比例不變,9.5以上粗集料同比例的增加減少了瀝青混合料的空隙。


圖5中,從左至右表示的是AC16級配不同的粗集料針片狀顆粒含量的Z1~Z6混合料空隙分布特征。由圖可知,瀝青混合料的空隙隨著針片狀顆粒含量的增加而顯著增加,與實測結果(表2)一致。


綜合以上各圖還直觀的發現,大空隙結構多分布于試件中下部位。這是由于瀝青混合料試件旋轉壓實成型過程中,與壓頭接近的部位更容易被壓實,使得空隙結構多出現在試件中下部位。綜上可知,采用CT技術定性的對空隙結構進行描述的方法是可行的。


5. 瀝青混合料空隙結構評價指標


上文主要從定性的角度對瀝青混合料的空隙分布特性進行了分析,雖然該方法直觀清楚,但是還不足以說明不同瀝青混合料空隙結構之間的本質差異,因此,有必要進一步提取瀝青混合料的量化指標,定量的對空隙結構進行分析。本文對采用的空隙結構評價指標介紹如下。


1) 空隙平均費雷特(feret)直徑


將瀝青混合料橫斷面空隙結構提取得到如圖6所示。由圖可知,空隙結構由很多大小不一的空隙顆粒組成,對于SMA來說,空隙顆粒粒徑較大且個數較少,AC瀝青混合料空隙則是粒徑較小且數目較多。

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為了研究不同的粗集料級配及針片狀含量對瀝青混合料空隙粒徑組成的影響,以空隙的平均費雷特(feret)直徑為指標來進行空隙粒徑分布定量分析。平均費雷特(feret)直徑定義為:經過顆粒的中心,任意方向的直徑稱為一個費雷特直徑。每隔10?方向求取一個費雷特直徑長度,再將這36個費雷特直徑求平均值即得到平均費雷特(feret)直徑。


在每個瀝青混合料試件中沿縱向每隔1 cm挑選一張CT斷層圖片,通過圖像處理得到每張圖片中所有空隙的平均費雷特直徑。將其按直徑大小分級統計累計空隙顆粒個數。再對多張斷層圖片求取不同粒徑范圍內的顆粒個數均值,得到各混合料試件的空隙粒徑分布。


2) 空隙輪廓分形維數


每個獨立空隙的輪廓均是由不規則的曲線構成,為了定量描述空隙的輪廓特性,故采用分形維數對空隙的輪廓進行評價。采用IPP具體測量空隙分形維數,測量采用變尺碼法。


3) 掃描空隙率


基于CT掃描技術可以得到瀝青混合料的全局結構參數,因此可以采用VG Studio MAX2.2通過設定不同灰度閾值將空隙結構分離,計算獲得空隙結構的體積,進一步計算瀝青混合料的實體體積,二者的比值就是試件的空隙率。按此方法測定的空隙率本文稱之為“掃描空隙率”,相應的將排水法測定的空隙率稱之為實測空隙率。


4) 空隙面積比


由于瀝青混合料的性能不僅受粗集料的影響,同時還受空隙的影響。因此本節用集料面積和空隙面積的比值共同構建空隙面積參數如式(1)所示:

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6. 粗集料對瀝青混合料空隙結構影響分析


6.1. AC16粗集料級配變化對瀝青混合料空隙結構影響分析


AC16粗集料級配變化瀝青混合料空隙結構指標統計見圖8。

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由圖8(a)可知,AC16級配J1~J5中,細集料比例不變,隨著不同粒徑粗集料比例的變化,空隙平均直徑的變化特征是當空隙平均直徑小于0.6 mm時,J5、J4和J3的空隙個數顯著大于J2和J3,平均直徑大于約0.6 mm時,J2、J3空隙個數大于J3、J4和J5。說明細集料不變,隨著9.5~19 mm粗集料的增加,小空隙逐漸增多,大空隙逐漸減小。


由圖8(b)可知,AC16不同4.75 mm通過率瀝青混合料JA~J1~JD中,隨著4.75 mm通過率的減小,瀝青混合料中的空隙個數顯著增多。無論是大空隙還是小空隙,都隨著4.75 mm通過率的減小而減小。


AC16級配瀝青混合料空隙分形維數見圖8(c)和圖8(d),顯著性及相關性檢驗見表3。

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空隙輪廓分形維數受級配因素影響方差檢驗不顯著,但是隨大顆粒粗集料的增加整體上呈現正相關趨勢。JA~JD~J1中,空隙分形維數受4.75 mm通過率的影響方差檢驗不顯著,但相關檢驗發現隨著4.75 mm通過率的減小其分形維數逐漸增加,具有明顯的線性正相關趨勢。


由圖8(e)和圖8(f)可知,掃描空隙率隨級配的變化趨勢和實測空隙率變化是一致的。工業CT掃描計算的空隙率高于實測空隙率,造成這種現象的原因是由于實測過程中瀝青混合料試件表面具有較多的開口孔隙,在測定表干重的時候水流走而不能充滿孔隙。由此造成表干重測量值偏小,進一步使得瀝青混合料的空隙率測量值減小。隨著開口孔隙的逐漸增大,水分流失逐漸增加,由此造成的誤差也越來越大。


由圖8(g)可知,在J1~J5級配中,面積參數隨著9.5~19 mm顆粒的增加逐漸增加。JA~JD和J1中,值隨著4.75 mm通過率的降低呈現顯著上升相對于J1~J5級配來說此種現象更加明顯。


6.2. 針片狀含量對瀝青混合料空隙結構影響分析


不同粗集料針片狀含量的瀝青混合料空隙結構指標統計見圖9。

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由圖9(a)所示,Z1~Z6中,當針片狀顆粒含量較小時,瀝青混合料中平均直徑較小的空隙占據優勢。隨著粗集料針片狀含量的增加,平均直徑大的空隙個數逐漸增多??梢娽樒瑺铑w粒含量的增加會使得空隙結構逐漸增大。


不同針片狀含量瀝青混合料分形維數見圖9(b),顯著性及相關性檢驗見表4。

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結果表明,Z1~Z6中,隨著針片狀顆粒的增加、空隙的增加空隙分形維數整體上逐漸減少,Pearson相關系數為?0.445,呈現顯著負線性相關趨勢,但方差檢驗不夠顯著。

由圖9(c)可知,不同針片狀含量瀝青混合料空隙率變化特征同前文一致,即掃描空隙率顯著大于實測空隙率。同時隨著空隙的增加,這種差異更加明顯。


粗集料橫斷面積和空隙面積的比值見圖9(d),對比級配Z1~Z6發現,瀝青混合料的面積參數值隨著針片狀的增加出現顯著下降。


 7. 結論

基于工業CT斷層掃描技術開展了瀝青混合料多層二維斷面圖像隨粗集料顆粒級配與針片狀含量變化的研究,從而分析其對瀝青混合料空隙結構的影響,具體所獲成果如下:

1) 采用VG Studio MAX2.2顏色標尺對空隙進行了定性的對比研究,發現空隙變化特點同表干法一致。

2) 采用平均費雷特(feret)直徑表征了空隙顆粒的粒徑,通過對不同瀝青混合料的橫斷面空隙粒徑進行了統計分析發現,空隙粒徑分布受粗集料級配和針片狀含量影響顯著。

3) 多數瀝青混合料空隙輪廓分形維數受粗集料級配和針片狀含量影響不顯著,但是卻隨粗集料級配和針片狀的變化呈現線性相關趨勢。

4) 同時通過設定灰度閾值進行了瀝青混合料空隙率的計算,結果表明掃描空隙率大于實測空隙率。

5) 以粗顆粒面積和空隙面積的比值構建了面積比值參數,該參數能清楚表征瀝青混合料中粗集料和空隙的比例關系。


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來源:交通技術, 2018, 7(2): 112-121.

作者: 孫維剛:黑龍江省八達路橋建設有限公司,黑龍江 哈爾濱;哈爾濱工業大學交通科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱;紀 倫, 李 俊, 劉海權:哈爾濱工業大學交通科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱;張 磊:中國路橋工程有限責任公司,北京;賀文棟:哈爾濱工業大學交通科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱;山西省交通科學研究院,山西 太原

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標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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