呂悅晶，劉 標(biāo)，張 蕾，湯 文

(1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430065； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

水泥穩(wěn)定碎石是一種具有強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的半剛性材料，廣泛作為公路工程的路面基層材料[1]. 水穩(wěn)半剛性基層存在初始孔隙，初始孔隙經(jīng)荷載與環(huán)境耦合作用導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而形成孔隙裂紋，再經(jīng)疲勞累積作用導(dǎo)致孔隙裂紋逐步發(fā)展使得路面基層出現(xiàn)開裂破壞，最后開裂的裂紋擴(kuò)展至整個(gè)路面基層并延伸至路面頂層，形成反射裂縫，致使瀝青路面損壞[2-5]. 荷載在水泥穩(wěn)定碎石材料孔隙的發(fā)展、破壞這一過程中發(fā)揮著不可替代的作用，因此研究水泥穩(wěn)定碎石材料中孔隙受荷載作用時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，非常有實(shí)際意義[6-8].

目前，不少學(xué)者采用CT技術(shù)與電鏡技術(shù)獲取材料內(nèi)部的無損檢測(cè)圖像. 毛靈濤等[9]采用工業(yè)CT觀測(cè)水泥穩(wěn)定碎石材料孔隙發(fā)展、連通的全過程，把試件破壞分為彈性壓縮、塑性變形和破壞擴(kuò)容3個(gè)階段，研究結(jié)論表明，裂縫不僅沿骨料邊緣擴(kuò)展，還會(huì)穿過骨料，文中研究雖能解釋平面孔隙的變化過程，但缺少三維孔隙的研究；王一琪[10]采用X-CT技術(shù)結(jié)合VGStudio MAX 3.0軟件，提取水穩(wěn)材料孔隙參數(shù)，分析不同凍融循環(huán)條件對(duì)孔隙參數(shù)的作用，研究結(jié)論表明，改變凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙參數(shù)影響很大，文中研究雖能解釋凍融條件對(duì)孔隙參數(shù)的影響，但缺乏荷載作用對(duì)水穩(wěn)材料孔隙的研究；孫亮等[11]結(jié)合掃描電鏡技術(shù)與數(shù)字巖心技術(shù)，將孔隙連通域分為三級(jí)，研究結(jié)果表明，量化分級(jí)能有效區(qū)分材料孔隙特征，文中研究雖能量化區(qū)分連通孔隙，但對(duì)象是靜態(tài)孔隙結(jié)構(gòu)，缺乏力學(xué)變化作用下孔隙連通性的變化研究；Wang Y等[12]采用X-CT技術(shù)，研究養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水泥用量對(duì)水穩(wěn)材料孔隙結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明，水泥摻量的增加與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致平均孔隙直徑減小，文中研究雖能解釋水泥摻量與養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)平均孔隙直徑的關(guān)系，但缺乏平均孔隙直徑與荷載的關(guān)系. 本文基于CT技術(shù)或電鏡技術(shù)無損檢測(cè)材料的特點(diǎn)，針對(duì)上述研究的不足，運(yùn)用CT技術(shù)與獲取不同荷載下水穩(wěn)材料的CT圖像，從細(xì)觀尺度研究材料的孔隙結(jié)構(gòu).

在其他研究領(lǐng)域，不少學(xué)者基于細(xì)觀尺度對(duì)材料的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究，將孔隙結(jié)構(gòu)演化為孔隙三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13-16]. 上述文獻(xiàn)在其他研究領(lǐng)域，采用光學(xué)成像技術(shù)、原理編程技術(shù)，X-ray掃描技術(shù)建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)材料孔隙結(jié)構(gòu)深入分析，取得很好的效果，但孔隙網(wǎng)絡(luò)模型在道路工程領(lǐng)域的運(yùn)用則很少. 因光學(xué)成像技術(shù)或編程技術(shù)對(duì)設(shè)備和電腦要求高且不易實(shí)現(xiàn)，而X-ray與pore3D軟件結(jié)合技術(shù)則缺乏pore3D平臺(tái)，所以本文結(jié)合現(xiàn)有條件，將CT掃描與avizo軟件結(jié)合，運(yùn)用數(shù)值圖像處理技術(shù)和中軸線原理建立水穩(wěn)材料的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，深入研究分級(jí)荷載下孔隙結(jié)構(gòu)的體積、喉道、配位數(shù)等參數(shù)變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料設(shè)計(jì)

集料為石灰?guī)r，水泥為32.5普通硅酸鹽水泥，按冪函數(shù)間斷級(jí)配設(shè)計(jì)4.75 mm通過率分別為30% 和45% 的2種級(jí)配，級(jí)配編號(hào)為N1和N2，每組級(jí)配6個(gè)試件，其水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)構(gòu)成見表1，石灰?guī)r與水泥的相關(guān)參數(shù)分見表2、表3. 根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定最佳含水率和水泥摻量.

表1 水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

表2 石灰?guī)r相關(guān)參數(shù)

表3 水泥相關(guān)參數(shù)

1.2 試件成型

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51．2009)中水穩(wěn)混合料試件制作方法，采用直徑150 mm、高150 mm圓柱型試模，將預(yù)先配比的水穩(wěn)碎石材料拌和、裝模，最后采用靜力壓實(shí)成型試件. 靜壓成型試件后，在養(yǎng)生溫度為20 ℃、濕度為95%的環(huán)境下，養(yǎng)生7天齡期，最后一天浸水，測(cè)試齡期也為7天. 強(qiáng)度滿足要求后，鉆取直徑75 mm、高150 mm的芯樣.

1.3 加載及CT掃描

試驗(yàn)采用工業(yè)CT掃描機(jī)同步加載試驗(yàn)裝置，工業(yè)CT掃描機(jī)的理論最大密度分辨率0.2%，最大電壓320 kV，掃描方式為錐束射線，單次掃描區(qū)域?yàn)樯刃螀^(qū)域，加載方式為位移加載控制模式，加載速率為1 mm/min. 根據(jù)預(yù)加載試驗(yàn)，試件破壞峰值在[60 kN，70 kN]，大部分試件在荷載級(jí)為60 kN時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂紋，且為獲取水穩(wěn)材料不同損傷程度的CT圖像，將N1、N2級(jí)配荷載級(jí)位都設(shè)定為0 kN、20 kN、40 kN、60 kN. 結(jié)合CT掃描時(shí)外界環(huán)境干擾因素和試件損傷破壞程度的實(shí)際情況，先從兩組級(jí)配中選出具有較好代表性的試件，后為避免人為因素干擾，再?gòu)膬山M級(jí)配的代表性試件中各隨機(jī)選取一個(gè)試件作為研究對(duì)象，最后根據(jù)試件斷面掃描效果，選取兩個(gè)試件的同一區(qū)域400張CT圖像，圖像大小為1024×1024pix，CT圖像分辨率為15 μm.

2 建立三維模型

avizo軟件以多層圖像連續(xù)貼合的方式導(dǎo)入400張CT圖像，為保證后續(xù)建立的模型與實(shí)際試件尺寸一致，需將CT圖像導(dǎo)入avizo后，設(shè)定計(jì)算單位，單位設(shè)定為微米(μm)，單體素為100.0 μm *100.0 μm *100.0 μm. CT圖像經(jīng)數(shù)值圖像處理技術(shù)的中值濾波、銳化技術(shù)初步處理后，對(duì)圖像體素的紅、綠、藍(lán)三基色合成與渲染，生成芯樣三維模型如圖1(d)所示.

經(jīng)圖像二值化，孔隙分割算法深度處理CT圖像，凸顯孔隙目標(biāo)輪廓，求解孔隙信息，并運(yùn)用形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算精細(xì)處理孔隙，效果如圖1(e)所示[17]. 將提取的高精度CT圖像的孔隙體素的三基色合成與渲染生成孔隙三維模型，如圖1(f)所示，該孔隙三維模型中既有斷層孔隙體素信息，也有三維孔隙體素信息.

(a)芯樣 (b)圖像原圖 (c)中值濾波圖 (d)芯樣三維模型 (e)孔隙分割圖 (f)孔隙三維模型

3 孔隙三維模型的斷面孔隙率與三維孔隙率特性分析

圖1(f)的孔隙三維模型能直觀反映孔隙空間結(jié)構(gòu)、孔隙分布狀態(tài)，還能定性反映孔隙空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但缺乏孔隙信息的定量表征. 為定量表征材料宏觀破壞和細(xì)觀孔隙率變化規(guī)律，將上述模型的斷面孔隙信息與三維孔隙信息以斷面孔隙率和三維孔隙率形式量化，孔隙率量化計(jì)算原理[17]為

(1)

式中：若P表示斷面孔隙率時(shí)，Vvoxel表示斷面孔隙體素，VTOTAL表示截面總體素；若P表示三維孔隙率時(shí)，Vvoxel表示孔隙三維模型中整體孔隙體素，VTOTAL表示芯樣的三維模型總體素.

3.1 斷面孔隙率特性

不同荷載級(jí)對(duì)水穩(wěn)材料的破壞損傷程度不同，損傷破壞過程中細(xì)觀孔隙率變化過程也會(huì)有所差別，因此研究分級(jí)荷載與細(xì)觀孔隙率發(fā)展規(guī)律有利于分析水泥穩(wěn)定碎石材料的宏觀破壞原因，基于此分別建立0 kN、20 kN、40 kN、60 kN各級(jí)荷載的孔隙三維模型，并采用式(1)求取連續(xù)斷層的斷面孔隙率. 將400張CT圖像自上而下沿?cái)嗝鎸游痪幪?hào)即斷面層位數(shù)，以斷面層位數(shù)為x軸，斷面孔隙率為y軸，但為直觀表示試件區(qū)域，x軸以上部、中部、下部顯示，如圖2所示.

由圖2知，各荷載斷面孔隙率圖形大致相同，都呈現(xiàn)兩端小、中間大的分布趨勢(shì)，且在一定斷層區(qū)域內(nèi)斷面孔隙率有先增大后減小然后又增大的趨勢(shì)，還有波形圖的最大峰值與第二峰值都集中在中部，紅色基線之上都有數(shù)個(gè)明顯的波峰. 圖中紅色基線為斷面孔隙率均值，均值能直觀反映水穩(wěn)材料在不同破壞程度時(shí)，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)平均變化規(guī)律，且將基線與斷面孔隙率組合繪圖，表達(dá)孔隙信息更豐富. 各荷載波形圖也有不同之處，0 kN和20 kN圖形基本上保持一致，40 kN、60 kN變化較大；40 kN 靠近上部出現(xiàn)突變值，該突變值發(fā)生的原因是40 kN的初始CT圖像受環(huán)境和機(jī)器干擾較大，該值已失真，但因該區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，為保證數(shù)據(jù)真實(shí)性沒有將該區(qū)域舍棄；20 kN基線值小于0 kN基線值，40 kN基線值大于0 kN基線值，且60 kN基線值最大，0 kN到60 kN基線值變化趨勢(shì)為先減小后增大；60 kN波形圖對(duì)比其他波形圖，其斷面孔隙率最大值與最小值差值跨度最大.

(a)0 kN波形圖

(c)40 kN波形圖

(b)20 kN波形圖

(d)60 kN波形圖

定義最高峰值區(qū)域?yàn)閙區(qū)，第二峰值區(qū)域?yàn)閚區(qū)，這兩區(qū)域?yàn)閿嗝婵紫堵蕵O大值區(qū)域，能有效代表斷面孔隙率變化規(guī)律，因此選取m區(qū)、n區(qū)來說明細(xì)觀孔隙變化與材料宏觀破壞的關(guān)系. 圖2的4幅圖中m區(qū)形狀類似，都為凸起尖銳狀，但峰值對(duì)應(yīng)層位數(shù)略有變化，集中變化在249-251層位，最高峰值從0 kN的12.10%擴(kuò)展到60 kN的13.89%；n區(qū)形狀變化較大，20 kN的n區(qū)與0 kN對(duì)比，由尖銳變?yōu)槠交?0 kN到40 kN、60 kN，n區(qū)由20 kN的平滑演變?yōu)?0 kN的尖銳單波峰和60 kN的多峰、多谷；峰值層位變化也較大，變化集中在180-191層位，層位跨度為11；而且60 kN的第二峰值由10.29%突變?yōu)?3.41%，斷面孔隙率波形圖變化十分明顯. 其他不少區(qū)域的波形、峰值、峰值層位數(shù)也如m、n區(qū)一樣有較劇烈變化，這說明荷載作用導(dǎo)致孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)改變劇烈.

分析上述原因，0 kN到20 kN，宏觀荷載初步施加，材料內(nèi)部孔隙被壓實(shí)，斷面孔隙收縮，斷面孔隙率從尖銳過渡為平滑，20 kN增大至40 kN、60 kN，內(nèi)部孔隙從壓實(shí)狀態(tài)變?yōu)榧?xì)小孔隙積累狀態(tài)最后突變?yōu)榭紫读鸭y擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，斷面孔隙率則從平滑狀態(tài)變?yōu)閱尾ǚ逡约岸嗖ǚ鍫顟B(tài)；這表明材料在宏觀荷載逐級(jí)破壞過程中，斷面孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)收縮聚攏然后細(xì)小孔隙積累最后孔隙連通、擴(kuò)展等劇烈結(jié)構(gòu)變化，孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)劇烈變化促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而材料出現(xiàn)宏觀破壞，因此孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)劇烈變化與材料宏觀破壞有著必然聯(lián)系.

3.2 三維孔隙率特性

斷面孔隙率將細(xì)觀孔隙率與宏觀荷載相聯(lián)系，但缺少三維孔隙率隨荷載變化關(guān)系，因此運(yùn)用上述已建立的孔隙三維模型，求取三維孔隙率. 以荷載級(jí)為x軸，相應(yīng)荷載級(jí)的三維孔隙率為y軸，建立兩組級(jí)配的荷載與三維孔隙率關(guān)系趨勢(shì)圖，如圖3所示. 由圖3知三維孔隙率隨荷載先變小后增大，60 kN增至最大，圖形變化規(guī)律與試驗(yàn)中孔隙率隨荷載變化規(guī)律相似，說明采用孔隙體素與芯樣體素比值表示孔隙率的方法能實(shí)際表征孔隙隨荷載變化規(guī)律. 將0 kN的三維孔隙率與試件實(shí)際值比較，誤差很小，說明該模型能重現(xiàn)試件. 圖形變化規(guī)律繼續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)在荷載逐級(jí)增加過程中，三維孔隙率先減小后增加的規(guī)律與斷面孔隙率最大峰值、第二峰值以及基線值的變化趨勢(shì)一致，進(jìn)一步表明細(xì)觀孔隙變化與材料宏觀破壞有必然聯(lián)系.

圖3 荷載與三維孔隙率關(guān)系趨勢(shì)圖

4 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)特性

斷面孔隙率與三維孔隙率是以孔隙率量化的形式表征宏觀荷載作用下細(xì)觀孔隙與材料宏觀聯(lián)系，但尚不足表達(dá)材料內(nèi)部孔隙空間結(jié)構(gòu)如何演化. 本文將孔隙三維模型簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換成孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后提取該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔隙相關(guān)信息，再將孔隙信息與荷載級(jí)組合分析，進(jìn)而探究材料內(nèi)部孔隙空間結(jié)構(gòu)變化過程.

4.1 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是運(yùn)用球體、柱體等規(guī)則形狀描述復(fù)雜孔隙空間的一種方法，主要由孔隙和喉道兩部分構(gòu)成[18]. 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中孔隙表示水泥穩(wěn)定碎石材料中較大的孔隙空間，喉道表示連接相鄰孔隙的細(xì)長(zhǎng)空間即孔隙與孔隙的裂隙，簡(jiǎn)稱為孔間隙. 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用中軸線法構(gòu)建，即孔隙空間中心位置的體素集合構(gòu)成球度不一的球體，然后構(gòu)建成孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

以圖4說明轉(zhuǎn)換過程，圖4(a)中藍(lán)色部分為連通孔隙，藍(lán)色連通孔隙基于等效替換原理轉(zhuǎn)換為球體，實(shí)際孔隙越大，相對(duì)應(yīng)替換球體越大；灰色部分為喉道，喉道簡(jiǎn)化一般以圖4(b)[11]的孔隙三種連通形式簡(jiǎn)化替換，即相鄰孔隙之間若存在著三種連通級(jí)別的一種，則將實(shí)際孔間隙替換成相應(yīng)的喉道.

等效替換原理[19]為

(2)

式中：Dcq為等效孔隙直徑，Vpore為孔隙體積.

將圖1(f)的孔隙三維模型運(yùn)用上述簡(jiǎn)化替換原理在軟件中快速生成孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，圖中紅色球體為孔隙，黃色柱體為喉道即連接相鄰孔隙的孔間隙，借助孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能直觀反映材料孔隙空間特性.

(a)孔隙替換圖 (b)孔隙連通級(jí)圖

圖5 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.2 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)特性

將各級(jí)荷載的孔隙三維模型都轉(zhuǎn)換為孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提取各級(jí)荷載的孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔隙配位數(shù)、孔隙體積、喉道長(zhǎng)度等參數(shù)信息，并對(duì)參數(shù)信息進(jìn)一步分析，探究孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中孔隙空間結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而演化材料損傷破壞過程. 其中，孔隙配位數(shù)是指孔隙連通其他孔隙的喉道數(shù)量，喉道長(zhǎng)度指連通孔隙的孔間隙長(zhǎng)度.

4.2.1 孔隙配位數(shù)特性

表4列出各級(jí)荷載的孔隙數(shù)量、喉道數(shù)量、孔隙配位數(shù)，還有孔隙配位數(shù)的最大值、最小值、均值. 表中孔隙配位數(shù)指各級(jí)荷載下所有孔隙連通其他孔隙的喉道總數(shù)量，配位數(shù)最大值表示單個(gè)孔隙最多連通其他孔隙的喉道數(shù)量，最小值表示單個(gè)孔隙最少連通其他孔隙的喉道數(shù)量，配位數(shù)均值指單個(gè)孔隙連通其他孔隙的平均喉道數(shù)量，是由孔隙配位數(shù)與孔隙數(shù)量比值得到. 由孔隙配位數(shù)均值計(jì)算方式可知，配位數(shù)均值可表征材料孔隙空間連通程度，均值越大說明孔隙空間連通越強(qiáng)，進(jìn)而推斷出孔隙空間結(jié)構(gòu)中連通孔隙比例越大；反之，孔隙空間連通越差，則孔隙空間結(jié)構(gòu)連通孔隙比例越??；孔隙配位數(shù)的最大值與最小值則反映出孔隙結(jié)構(gòu)的空間局部孔隙連通的強(qiáng)與弱.

表4中0 kN、20 kN、40 kN孔隙配位數(shù)均值都小于0.45，均值依次為0.4470、0.4367、0.4306，均值之間雖較接近，但呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但60 kN孔隙配位數(shù)均值則突變?yōu)?.5050；0 kN、20 kN、40 kN配位數(shù)最大值依次為9、9、8，與配位數(shù)均值變化趨勢(shì)一樣，呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但60 kN配位數(shù)最大值則由8、9突變?yōu)?1；配位數(shù)最大值變化趨勢(shì)與配位數(shù)均值變化趨勢(shì)具有一致性，這說明局部孔隙連通性程度與整體孔隙連通性程度保持一致，進(jìn)一步說明局部孔隙空間結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與整體孔隙空間結(jié)構(gòu)變化規(guī)律保持一致. 無論材料是否受到荷載作用或者材料在荷載作用下是否破壞，都有孔隙配位數(shù)最小值為0的情況. 將0 kN、20 kN、40 kN、60 kN的配位數(shù)其他數(shù)值繪制成柱狀圖，如圖6所示，圖中配位數(shù)數(shù)值在1-3區(qū)域的百分?jǐn)?shù)比例60 kN明顯小于0 kN、20 kN、40 kN，但配位數(shù)數(shù)值大于4后的百分?jǐn)?shù)比例，60 kN明顯大于0 kN、20 kN、40 kN.

表4 孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 荷載-孔隙配位數(shù)百分比

上述原因分析，水泥穩(wěn)定碎石材料具有初始孔隙空間連通性，各級(jí)荷載下孔隙空間連通程度不一致，局部空間最大連通程度也不一致，但都存在局部空間不連通；隨荷載逐級(jí)增加，材料孔隙空間連通程度先減小，但在材料破壞時(shí)，材料孔隙空間連通程度明顯增強(qiáng)，孔隙空間結(jié)構(gòu)中連通孔隙比例顯著增加，導(dǎo)致配位數(shù)最大值和配位數(shù)數(shù)值大于4之后都出現(xiàn)明顯的突變；這說明宏觀荷載作用過程中，孔隙空間結(jié)構(gòu)會(huì)有部分孔隙發(fā)生相互連通、連接的演變過程，此過程導(dǎo)致孔隙空間結(jié)構(gòu)的連通孔隙比例會(huì)顯著增加，促使材料破壞.

4.2.2 孔隙體積特性

孔隙體積特性有利于研究孔隙空間結(jié)構(gòu)中孔隙大小演變過程，探究孔隙擴(kuò)展機(jī)理，將孔隙體積隨荷載變化規(guī)律以柱狀圖百分?jǐn)?shù)形式表示，如圖7所示.

圖7 孔隙體積區(qū)間分布圖

圖7中各級(jí)荷載的體積尺寸分布在0～1.0 mm3和1.0～4.0 mm3區(qū)域的孔隙百分?jǐn)?shù)比例之和超過80%，因此以4.0 mm3為標(biāo)準(zhǔn)將孔隙分為小于4.0 mm3的小孔隙和大于4.0 mm3的大孔隙；60 kN的小孔隙的百分?jǐn)?shù)之和小于其他荷載級(jí)，但20 kN、40 kN的小孔隙的百分?jǐn)?shù)之和對(duì)比0 kN略有增加；大于4.0 mm3的大孔隙，60 kN的比例分?jǐn)?shù)明顯大于其他荷載的比例分?jǐn)?shù)，且20 kN、40 kN的比例百分?jǐn)?shù)對(duì)比0 kN、60 kN具有明顯減小趨勢(shì).

圖7圖形變化規(guī)律分析，無論材料是否受到外界荷載作用，材料內(nèi)部細(xì)小孔隙占比都超過80%，但因逐級(jí)荷載作用使得材料狀態(tài)發(fā)生改變，特別是在荷載破壞前后，孔隙空間結(jié)構(gòu)的孔隙體積發(fā)生明顯變化；在材料破壞前，孔隙空間結(jié)構(gòu)是以細(xì)小孔隙產(chǎn)生為主，但材料破壞后，孔隙空間結(jié)構(gòu)則是以細(xì)小孔隙連通、擴(kuò)展成大孔隙為主.

4.2.3 喉道特性

不同荷載的喉道變化規(guī)律可以反映荷載作用時(shí)材料的孔隙空間結(jié)構(gòu)中孔隙裂紋演變過程，但表4的喉道差值信息只能簡(jiǎn)單反映出喉道數(shù)量具有先減小后急劇增加的規(guī)律，喉道長(zhǎng)度實(shí)際如何變化還需進(jìn)一步研究.

以各級(jí)荷載的喉道數(shù)量為x軸，喉道長(zhǎng)度為y軸，繪制荷載喉道長(zhǎng)度分布圖，如圖8所示.

(a)0 kN喉道長(zhǎng)度分布圖

(c)40 kN喉道長(zhǎng)度分布圖

(b)20 kN喉道長(zhǎng)度分布圖

(d)60 kN喉道長(zhǎng)度分布圖

圖8中0 kN、20 kN、40 kN喉道最大值分別為7.8 mm、7.4 mm、7.5 mm，都在7.5 mm左右，但60 kN最大值為9.3 mm，喉道長(zhǎng)度擴(kuò)大近2 mm；20 kN、40 kN對(duì)比0 kN，不僅喉道長(zhǎng)度最大值減小而且紅色基線所表征的喉道長(zhǎng)度均值也減小，60 kN對(duì)比0 kN、20 kN、40 kN不僅最大值突變至最大，基線值也增至最大，喉道長(zhǎng)度最大值與喉道長(zhǎng)度均值變化保持一致.

上述原因分析，20 kN、40 kN時(shí)荷載施壓使得芯樣內(nèi)部細(xì)集料逐漸被壓實(shí)，導(dǎo)致材料喉道即細(xì)小孔間隙被填充，孔隙空間結(jié)構(gòu)被壓緊聚攏，材料中孔隙裂紋不僅沒發(fā)生反而出現(xiàn)原有孔隙收縮，因此孔隙空間結(jié)構(gòu)的孔隙裂紋呈現(xiàn)負(fù)向演變；但在60 kN時(shí)，荷載作用導(dǎo)致孔隙將周邊集料撐裂形成孔隙裂紋，且孔隙空間結(jié)構(gòu)會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展延伸，導(dǎo)致孔隙裂紋呈現(xiàn)正向演變，孔隙裂紋正向演變促使材料加劇破壞，材料的加劇破壞又促使孔隙裂紋進(jìn)一步正向演變，因此導(dǎo)致材料破壞時(shí)孔隙裂紋演變會(huì)突變?yōu)樽畲?

上述對(duì)孔隙配位數(shù)、孔隙體積、喉道長(zhǎng)度特性研究可知，孔隙空間結(jié)構(gòu)中配位數(shù)、孔隙體積、喉道長(zhǎng)度等參數(shù)的劇烈變化，表明在荷載作用下孔隙空間結(jié)構(gòu)改變劇烈，孔隙空間結(jié)構(gòu)的劇烈變化促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而材料宏觀破壞，這對(duì)揭示水泥穩(wěn)定碎石材料在荷載受力時(shí)孔隙破壞機(jī)理具有重要理論意義.

5 結(jié) 論

1)孔隙三維模型以及轉(zhuǎn)換為孔隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式，能演變荷載作用下孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)和孔隙空間結(jié)構(gòu)變過過程，孔隙結(jié)構(gòu)劇烈變化促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，外部荷載作用與內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致材料宏觀破壞，因此材料宏觀破壞與孔隙結(jié)構(gòu)變化有本質(zhì)聯(lián)系.

2)孔隙三維模型中量化斷面孔隙與三維孔隙的方式能表征水穩(wěn)材料的孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化；m、n區(qū)的波形較劇烈變化，m、n區(qū)峰值從12.10%、10.29%分別擴(kuò)展到13.89%、 13.41%，峰值層位跨度為3、11個(gè)層位，三維孔隙率先減小后增大的規(guī)律，都從細(xì)觀角度表明逐級(jí)荷載改變孔隙結(jié)構(gòu).

3)孔隙三維網(wǎng)絡(luò)模型中配位數(shù)最大值由8、9突變?yōu)?1，配位數(shù)均值由小于0.45突變?yōu)榇笥?.5，喉道長(zhǎng)度由7.5 mm左右增加到9.3 mm，孔隙體積有孔隙連通、擴(kuò)展過程，說明荷載作用導(dǎo)致材料孔隙空間結(jié)構(gòu)劇烈變化.