賴萬(wàn)松，于 江，李林萍，張金輝

（新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

目前，對(duì)瀝青混合料的認(rèn)識(shí)主要集中在現(xiàn)象學(xué)基礎(chǔ)上的宏觀層次的分析，包括理論分析和試驗(yàn)評(píng)價(jià)。但由于瀝青混合料組成問(wèn)題的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的分析手段還缺乏總體的把握，系統(tǒng)的思路和深入的理論探討，沒(méi)有從根本上解決我國(guó)瀝青路面早期破壞嚴(yán)重的問(wèn)題，嚴(yán)重影響道路服務(wù)水平、耐久性和營(yíng)運(yùn)效益。為此，人們開始研究瀝青路面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)與外部宏觀力學(xué)特性之間的關(guān)系，從新的角度探索瀝青路面宏觀現(xiàn)象下的微觀機(jī)理，調(diào)整未來(lái)瀝青路面設(shè)計(jì)原理和方法。瀝青路面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究是闡述瀝青路面行為特征的理論基礎(chǔ)與重要途徑。本文基于X射線CT技術(shù)（簡(jiǎn)稱CT技術(shù)）研究瀝青路面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，主要分析瀝青混合料多尺度、集料、空隙等微細(xì)觀特性，并對(duì)研究方向進(jìn)行展望。

1 瀝青路面多尺度問(wèn)題

采用傳統(tǒng)方法研究瀝青路面多尺度問(wèn)題，把尺度問(wèn)題分3類（見圖1）：宏觀層次、細(xì)觀層次、微觀層次。理論上，瀝青路面的宏觀尺度是由許多物質(zhì)點(diǎn)所組成的不連續(xù)介質(zhì)，而每一個(gè)物質(zhì)點(diǎn)又是由許多微觀元素構(gòu)成。因此，瀝青路面實(shí)際上可以近似的看成由許多微觀連續(xù)介質(zhì)構(gòu)成的構(gòu)筑物。例如，瀝青路面在宏觀尺度上統(tǒng)計(jì)是均勻的，可以研究任意典型的局部細(xì)觀尺度分析材料的性能。還有研究認(rèn)為，在宏觀尺度區(qū)域試驗(yàn)觀察到的非線性行為是局部微細(xì)觀尺度試驗(yàn)觀察到的微裂縫擴(kuò)展結(jié)果，用微細(xì)觀力學(xué)粘彈性模型模擬微觀裂縫。所以，用有限元建立起來(lái)的多尺度模型，在RVE中的宏觀應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)可視為均勻的，而微觀應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)可以通過(guò)其體積平均值對(duì)材料的宏觀性能產(chǎn)生影響考慮。這樣在解決微細(xì)觀力學(xué)問(wèn)題后就可以觀察到小尺度物理現(xiàn)象，明確局部微細(xì)觀尺度的發(fā)展機(jī)理（即：裂縫），能更好地評(píng)價(jià)微細(xì)觀機(jī)理對(duì)宏觀整體性的影響。此理論預(yù)估材料服務(wù)壽命周期的早期破損，從而采取有效措施。通過(guò)單個(gè)材料性能，此理論預(yù)估評(píng)價(jià)瀝青路面的有效性，反算全壽命周期，以減少大量的室內(nèi)試驗(yàn)、節(jié)約成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 瀝青混合料層次結(jié)構(gòu)

2 集料特性

2.1 傳統(tǒng)的集料研究

在瀝青路面設(shè)計(jì)研究中，美國(guó)提出Superpave設(shè)計(jì)體系和傳統(tǒng)的Marshall設(shè)計(jì)法仍缺乏有效的理論數(shù)據(jù)支撐和試驗(yàn)分析方法。學(xué)者針對(duì)集料的級(jí)配、瀝青路面混合料的體積特征參數(shù)、材料性能等宏觀品質(zhì)與瀝青路面的高低溫性能、疲勞水損害、老化耐久性等路用性能進(jìn)行研究；并沒(méi)有對(duì)單個(gè)集料形狀、尺寸、棱角、表面紋理及集料個(gè)體在瀝青路面中的空間分布狀況等問(wèn)題的研究。所以，傳統(tǒng)的集料研究只是對(duì)瀝青路面的宏觀性能指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析與評(píng)價(jià)，并沒(méi)有涉及對(duì)瀝青路面的微觀作用機(jī)理的探索，不能客觀地提出評(píng)價(jià)瀝青路面集料微細(xì)觀研究的常用方法。瀝青路面集料在微細(xì)觀方面等問(wèn)題帶來(lái)困難，不能準(zhǔn)確地了解單個(gè)集料在宏觀路用性能中的表現(xiàn)，使瀝青路面微細(xì)觀研究處于停滯不前的尷尬局面。

2.2 新型的集料研究

新型的瀝青路面集料研究摒棄傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀察的現(xiàn)象學(xué)經(jīng)驗(yàn)方法，采用先進(jìn)的技術(shù)手段、力學(xué)分析軟件，定量地分析微觀或細(xì)觀尺度集料的力學(xué)特征，分析其微細(xì)觀與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系。基于數(shù)字圖像技術(shù)與分形原理，試圖分析集料形態(tài)及對(duì)骨架結(jié)構(gòu)、分布狀況的影響，并作為用虛擬力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證級(jí)配組成設(shè)計(jì)的基本方法。主要研究集料顆粒的形狀、棱角性、表面紋理等并嘗試應(yīng)用多種方法分析集料形態(tài)與分布特征，為瀝青路面級(jí)配組成虛擬力學(xué)試驗(yàn)積累基礎(chǔ)方法。

集料是介于有序與無(wú)序、微觀與宏觀之間的狀態(tài)，一般它的外表特征極其破碎、無(wú)規(guī)則和復(fù)雜，內(nèi)部特征卻具有自相似性和自仿射性。因此，可以采用手工測(cè)量和投影圖像法測(cè)量集料的球狀和形狀因子，而且投影圖像法在檢測(cè)中間尺度或正交軸尺寸以及最短軸尺寸時(shí)可以達(dá)到很高精度，可以作為有限元虛擬力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚幕A(chǔ)方法；通過(guò)分形理論，透過(guò)復(fù)雜無(wú)序的混亂現(xiàn)象和不規(guī)則的形態(tài)，認(rèn)清集料的規(guī)律、預(yù)判局部與整體之間的本質(zhì)聯(lián)系。用盒維數(shù)計(jì)算法可以比較穩(wěn)定地分析單個(gè)顆粒以及瀝青路面剖面中顆粒的幾何形狀等；借助現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論，實(shí)驗(yàn)設(shè)備用有限元軟件從集料微細(xì)觀入手對(duì)集料的微細(xì)觀性能和力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究；結(jié)合離散元法和拓?fù)鋬?yōu)化理論，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；采用CT技術(shù)，在動(dòng)荷載作用下觀測(cè)集料微細(xì)觀力學(xué)現(xiàn)象。綜上所述，新型的集料研究探討集料顆粒、集料粒徑分布、集料形狀紋理、級(jí)配以及集料體積分維等問(wèn)題為研究對(duì)象，把微細(xì)觀分析結(jié)果對(duì)比于基礎(chǔ)試驗(yàn)和典型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步完善集料質(zhì)量控制體系參數(shù)，初步確定集料特性與宏觀路用性能之間的關(guān)系，繪出集料特性曲線，為初步建立集料微細(xì)觀分形理論奠定基礎(chǔ)。

3 空隙特性

瀝青路面是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其宏觀力學(xué)模型呈現(xiàn)出不確定性、不規(guī)則性、模糊性和非線性等特征，主要因?yàn)闉r青路面空隙的復(fù)雜多樣性等原因造成的。分形理論引入瀝青路面空隙特性的研究是十分有效的，它可以對(duì)瀝青路面空隙顯微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度進(jìn)行精細(xì)的量化描述；通過(guò)CT掃描光電圖像在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用MATLA軟件（Matrix Laboratory）等進(jìn)行不同灰度預(yù)處理后，得到斷面輪廓曲線，用計(jì)盒維數(shù)法求出其分維數(shù)，用分維數(shù)的大小描述瀝青路面空隙的復(fù)雜程度，以此反推瀝青路面宏觀力學(xué)模型。因而，分維數(shù)可以取到宏觀與微觀相互轉(zhuǎn)換的橋梁作用。

3.1 空隙空間描述方法

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法因其本身的特性是描述散粒性材料空間分布復(fù)雜與高度無(wú)序性的一種有效的方法。瀝青路面的空隙形狀和大小恰好滿足經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)描述方法的條件。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)空隙的宏觀物理力學(xué)性能有一個(gè)較準(zhǔn)確地預(yù)估，但對(duì)其微細(xì)觀具有多變性、隨機(jī)性等特征卻不能很好地顯現(xiàn)，不能反映瀝青路面空隙的空間分布形狀及規(guī)律；拓?fù)鋵W(xué)方法采用空隙結(jié)構(gòu)的拓?fù)洳蛔冃栽硗ㄟ^(guò)配位數(shù)和連通度等參數(shù)進(jìn)行空隙特性的表征，得到的參數(shù)描述準(zhǔn)確，與實(shí)際情況相關(guān)性很好，但工作量很大，試驗(yàn)費(fèi)用較高，一般不采用；歐幾里德幾何簡(jiǎn)化分析方法作為描述自然界中復(fù)雜、無(wú)序現(xiàn)象的一種定量手段，以此來(lái)研究瀝青路面空隙的空間分布狀態(tài)，該方法適用于路面空隙分形，簡(jiǎn)單可操作性強(qiáng)，得到的數(shù)據(jù)精度能夠滿足現(xiàn)階段的試驗(yàn)要求。

3.2 空隙空間試驗(yàn)描述

目前，檢測(cè)空隙的主要常用方法有壓汞法、氣體吸附法、X射線層析攝像法等。大量研究表明：X射線層析攝像法是研究瀝青路面微細(xì)觀空隙較好的試驗(yàn)方法，它改進(jìn)X射線照相技術(shù)物質(zhì)與物質(zhì)之間相互重疊的缺點(diǎn)，發(fā)揮層析照相技術(shù)可以將物質(zhì)層與層之間信息相分離的優(yōu)點(diǎn)，這樣圖像就可以清晰地再現(xiàn)瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)與空隙的排列狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生重影。該技術(shù)不僅可以很好地表征瀝青路面中的空隙形貌，而且可以對(duì)路面的變形實(shí)現(xiàn)無(wú)損成像。因此，相比于其他檢測(cè)空隙的主要常用方法，X射線層析攝像法更具有優(yōu)勢(shì)。

空隙空間試描述試驗(yàn)需要將試件（馬歇爾試件、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件或現(xiàn)場(chǎng)鉆心取樣等）進(jìn)行切片、CT掃描，通過(guò)CT掃描圖像應(yīng)用計(jì)算機(jī)上處理圖像的軟件對(duì)其預(yù)處理，得到斷面輪廓曲線，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度描述斷面空隙的復(fù)雜程度，從此分析路面的宏觀力學(xué)性能，建立宏觀與微觀的聯(lián)系。

4 CT圖像

美國(guó)聯(lián)邦公路局與特納公路研究中心（TFHRC）聯(lián)合執(zhí)行的SIMAP計(jì)劃中，首次利用CT技術(shù)對(duì)瀝青路面內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。隨著瀝青路面研究的深入，采用CT技術(shù)獲取瀝青路面內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成，分析瀝青路面多尺度、集料性能、空隙特性等問(wèn)題的研究成為瀝青路面技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

4.1 X射線CT技術(shù)

X射線CT技術(shù)，即計(jì)算機(jī)體層攝影，也稱為計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)。機(jī)器采用準(zhǔn)直后的X射線束對(duì)瀝青混合料試件的某一層面進(jìn)行掃描，衰減后的X射線由探測(cè)器接收成為多組原始數(shù)據(jù)，在經(jīng)計(jì)算機(jī)重建產(chǎn)生顯示數(shù)據(jù)矩陣，在CRT或膠片上成像，如圖2所示。

圖2 CT掃描工作原理

4.2 CT圖像處理

數(shù)字圖像處理技術(shù)采用一定的算法對(duì)CT圖像進(jìn)行處理，獲得人眼視覺或者某種接收系統(tǒng)所需要的圖像過(guò)程。在瀝青路面微細(xì)觀研究中，由于數(shù)字圖像處理技術(shù)的方便性、經(jīng)濟(jì)性、可利用信息量大、形象化存儲(chǔ)、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量和高精度等方面的優(yōu)點(diǎn)，使得其研究結(jié)果更加客觀和直觀，成為國(guó)際道路領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

利用CT掃描采集瀝青路面混合料試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，通常要對(duì)試件進(jìn)行切割一般高度可以根據(jù)車轍板試件、標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件、大型馬歇爾試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件等的高度具體而定，推薦高度一般是5～10cm，由于試件表面的形態(tài)特性影響，近表面空隙主要是開口空隙，結(jié)構(gòu)很特殊，需作為單獨(dú)研究。因此，在分析試件高度的時(shí)候試件底部和頂部宜預(yù)留8～12mm的高度不用掃描，這樣既節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，又可以摒除不利的影響因素。掃描層厚根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)者的要求需要可以自行選取，現(xiàn)在市面上的CT機(jī)械檢測(cè)的幾何靈敏度一般可以達(dá)到0.05mm，一般選取2mm為一個(gè)掃描層的比較常見，可以滿足瀝青路面微（細(xì)）觀分析。采用單張瀝青路面混合料CT掃描圖像簡(jiǎn)要介紹所獲得的數(shù)字圖像用于定量分析前通常需進(jìn)行的一般處理內(nèi)容，如：濾波去噪、圖像增強(qiáng)、圖像閾值化、顆粒復(fù)原、顆粒分離和集料內(nèi)部的空洞還原等（如圖3～5所示）。經(jīng)過(guò)處理后，可對(duì)集料顆粒的邊緣進(jìn)行識(shí)別與提取、對(duì)混合料間的空隙、瀝青膠漿的面積組成進(jìn)行計(jì)算等。常用的軟件有：Photoshop、Image Pro Plus、MATLAB等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文僅對(duì)瀝青路面多尺度、集料和空隙特性三方面做簡(jiǎn)要的論述。研究結(jié)果表明：①基于瀝青路面多尺度性能，可以采用RVE方法充分關(guān)注小尺度結(jié)構(gòu)特征，擬合本構(gòu)關(guān)系，建立有限元模型，虛擬瀝青路面各標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的力學(xué)行為，減少室內(nèi)試驗(yàn)，節(jié)約時(shí)間和成本；②充分關(guān)注單個(gè)集料本身的性能、空間分布狀況以及模擬瀝青路面力學(xué)性能的方法等問(wèn)題，用計(jì)盒維數(shù)法可以比較穩(wěn)定地分析單個(gè)顆粒以及瀝青路面剖面中顆粒的幾何形狀，可以很好地描述集料特性，求出的分維數(shù)，是聯(lián)系微觀與宏觀的橋梁；③瀝青路面空隙是影響路面復(fù)雜力學(xué)性能的主要原因，應(yīng)用分形幾何法對(duì)空隙空間分布進(jìn)行描述，采用CT掃描對(duì)空隙空間進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過(guò)對(duì)CT圖像的灰度處理，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度描述斷面空隙的復(fù)雜程度；④CT技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)，是現(xiàn)階段研究瀝青路面微細(xì)觀方面較先進(jìn)的技術(shù)手段。CT技術(shù)與圖像處理軟件相結(jié)合，可以方便直觀地解決集料顆粒邊緣的識(shí)別與提取空隙的空間分布、瀝青膠漿面積組成計(jì)算等宏觀領(lǐng)域不能解決的問(wèn)題。CT技術(shù)還可以準(zhǔn)確真實(shí)直觀的觀察到瀝青路面各個(gè)受力階段的微細(xì)觀變形，但真正建立三維瀝青路面分形理論模型，具體與實(shí)際路用宏觀力學(xué)性能建立一定的相關(guān)關(guān)系還需要進(jìn)一步的探索研究。

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