沥青路面微细观结构特性分析

赖万松，于 江，李林萍，张金辉

（新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

目前，对沥青混合料的认识主要集中在现象学基础上的宏观层次的分析，包括理论分析和试验评价。但由于沥青混合料组成问题的复杂性，传统的分析手段还缺乏总体的把握，系统的思路和深入的理论探讨，没有从根本上解决我国沥青路面早期破坏严重的问题，严重影响道路服务水平、耐久性和营运效益。为此，人们开始研究沥青路面微细观结构与外部宏观力学特性之间的关系，从新的角度探索沥青路面宏观现象下的微观机理，调整未来沥青路面设计原理和方法。沥青路面微细观结构研究是阐述沥青路面行为特征的理论基础与重要途径。本文基于X射线CT技术（简称CT技术）研究沥青路面微细观结构特性，主要分析沥青混合料多尺度、集料、空隙等微细观特性，并对研究方向进行展望。

1 沥青路面多尺度问题

采用传统方法研究沥青路面多尺度问题，把尺度问题分3类（见图1）：宏观层次、细观层次、微观层次。理论上，沥青路面的宏观尺度是由许多物质点所组成的不连续介质，而每一个物质点又是由许多微观元素构成。因此，沥青路面实际上可以近似的看成由许多微观连续介质构成的构筑物。例如，沥青路面在宏观尺度上统计是均匀的，可以研究任意典型的局部细观尺度分析材料的性能。还有研究认为，在宏观尺度区域试验观察到的非线性行为是局部微细观尺度试验观察到的微裂缝扩展结果，用微细观力学粘弹性模型模拟微观裂缝。所以，用有限元建立起来的多尺度模型，在RVE中的宏观应力、应变场可视为均匀的，而微观应力、应变场可以通过其体积平均值对材料的宏观性能产生影响考虑。这样在解决微细观力学问题后就可以观察到小尺度物理现象，明确局部微细观尺度的发展机理（即：裂缝），能更好地评价微细观机理对宏观整体性的影响。此理论预估材料服务寿命周期的早期破损，从而采取有效措施。通过单个材料性能，此理论预估评价沥青路面的有效性，反算全寿命周期，以减少大量的室内试验、节约成本、提高经济效益。

图1 沥青混合料层次结构

2 集料特性

2.1 传统的集料研究

在沥青路面设计研究中，美国提出Superpave设计体系和传统的Marshall设计法仍缺乏有效的理论数据支撑和试验分析方法。学者针对集料的级配、沥青路面混合料的体积特征参数、材料性能等宏观品质与沥青路面的高低温性能、疲劳水损害、老化耐久性等路用性能进行研究；并没有对单个集料形状、尺寸、棱角、表面纹理及集料个体在沥青路面中的空间分布状况等问题的研究。所以，传统的集料研究只是对沥青路面的宏观性能指标进行简单的分析与评价，并没有涉及对沥青路面的微观作用机理的探索，不能客观地提出评价沥青路面集料微细观研究的常用方法。沥青路面集料在微细观方面等问题带来困难，不能准确地了解单个集料在宏观路用性能中的表现，使沥青路面微细观研究处于停滞不前的尴尬局面。

2.2 新型的集料研究

新型的沥青路面集料研究摒弃传统的实验观察的现象学经验方法，采用先进的技术手段、力学分析软件，定量地分析微观或细观尺度集料的力学特征，分析其微细观与宏观力学性能之间的关系。基于数字图像技术与分形原理，试图分析集料形态及对骨架结构、分布状况的影响，并作为用虚拟力学试验验证级配组成设计的基本方法。主要研究集料颗粒的形状、棱角性、表面纹理等并尝试应用多种方法分析集料形态与分布特征，为沥青路面级配组成虚拟力学试验积累基础方法。

集料是介于有序与无序、微观与宏观之间的状态，一般它的外表特征极其破碎、无规则和复杂，内部特征却具有自相似性和自仿射性。因此，可以采用手工测量和投影图像法测量集料的球状和形状因子，而且投影图像法在检测中间尺度或正交轴尺寸以及最短轴尺寸时可以达到很高精度，可以作为有限元虚拟力学试验模型修正的基础方法；通过分形理论，透过复杂无序的混乱现象和不规则的形态，认清集料的规律、预判局部与整体之间的本质联系。用盒维数计算法可以比较稳定地分析单个颗粒以及沥青路面剖面中颗粒的几何形状等；借助现代数学理论，实验设备用有限元软件从集料微细观入手对集料的微细观性能和力学指标进行研究；结合离散元法和拓扑优化理论，建立试验模型；采用CT技术，在动荷载作用下观测集料微细观力学现象。综上所述，新型的集料研究探讨集料颗粒、集料粒径分布、集料形状纹理、级配以及集料体积分维等问题为研究对象，把微细观分析结果对比于基础试验和典型试验结果，进一步完善集料质量控制体系参数，初步确定集料特性与宏观路用性能之间的关系，绘出集料特性曲线，为初步建立集料微细观分形理论奠定基础。

3 空隙特性

沥青路面是一种具有复杂结构的复合结构体，其宏观力学模型呈现出不确定性、不规则性、模糊性和非线性等特征，主要因为沥青路面空隙的复杂多样性等原因造成的。分形理论引入沥青路面空隙特性的研究是十分有效的，它可以对沥青路面空隙显微结构的复杂程度进行精细的量化描述；通过CT扫描光电图像在计算机上运用MATLA软件（Matrix Laboratory）等进行不同灰度预处理后，得到断面轮廓曲线，用计盒维数法求出其分维数，用分维数的大小描述沥青路面空隙的复杂程度，以此反推沥青路面宏观力学模型。因而，分维数可以取到宏观与微观相互转换的桥梁作用。

3.1 空隙空间描述方法

统计学方法因其本身的特性是描述散粒性材料空间分布复杂与高度无序性的一种有效的方法。沥青路面的空隙形状和大小恰好满足经典统计学描述方法的条件。统计学方法对空隙的宏观物理力学性能有一个较准确地预估，但对其微细观具有多变性、随机性等特征却不能很好地显现，不能反映沥青路面空隙的空间分布形状及规律；拓扑学方法采用空隙结构的拓扑不变性原理通过配位数和连通度等参数进行空隙特性的表征，得到的参数描述准确，与实际情况相关性很好，但工作量很大，试验费用较高，一般不采用；欧几里德几何简化分析方法作为描述自然界中复杂、无序现象的一种定量手段，以此来研究沥青路面空隙的空间分布状态，该方法适用于路面空隙分形，简单可操作性强，得到的数据精度能够满足现阶段的试验要求。

3.2 空隙空间试验描述

目前，检测空隙的主要常用方法有压汞法、气体吸附法、X射线层析摄像法等。大量研究表明：X射线层析摄像法是研究沥青路面微细观空隙较好的试验方法，它改进X射线照相技术物质与物质之间相互重叠的缺点，发挥层析照相技术可以将物质层与层之间信息相分离的优点，这样图像就可以清晰地再现沥青路面内部结构与空隙的排列状态，不会产生重影。该技术不仅可以很好地表征沥青路面中的空隙形貌，而且可以对路面的变形实现无损成像。因此，相比于其他检测空隙的主要常用方法，X射线层析摄像法更具有优势。

空隙空间试描述试验需要将试件（马歇尔试件、旋转压实试件或现场钻心取样等）进行切片、CT扫描，通过CT扫描图像应用计算机上处理图像的软件对其预处理，得到断面轮廓曲线，根据灰色关联度描述断面空隙的复杂程度，从此分析路面的宏观力学性能，建立宏观与微观的联系。

4 CT图像

美国联邦公路局与特纳公路研究中心（TFHRC）联合执行的SIMAP计划中，首次利用CT技术对沥青路面内部组成结构进行研究。随着沥青路面研究的深入，采用CT技术获取沥青路面内部微细观结构组成，分析沥青路面多尺度、集料性能、空隙特性等问题的研究成为沥青路面技术领域关注的热点问题之一。

4.1 X射线CT技术

X射线CT技术，即计算机体层摄影，也称为计算机断层成像技术。机器采用准直后的X射线束对沥青混合料试件的某一层面进行扫描，衰减后的X射线由探测器接收成为多组原始数据，在经计算机重建产生显示数据矩阵，在CRT或胶片上成像，如图2所示。

图2 CT扫描工作原理

4.2 CT图像处理

数字图像处理技术采用一定的算法对CT图像进行处理，获得人眼视觉或者某种接收系统所需要的图像过程。在沥青路面微细观研究中，由于数字图像处理技术的方便性、经济性、可利用信息量大、形象化存储、非接触、全场测量和高精度等方面的优点，使得其研究结果更加客观和直观，成为国际道路领域研究的重点。

利用CT扫描采集沥青路面混合料试件的内部结构信息，通常要对试件进行切割一般高度可以根据车辙板试件、标准马歇尔试件、大型马歇尔试件，旋转压实试件等的高度具体而定，推荐高度一般是5～10cm，由于试件表面的形态特性影响，近表面空隙主要是开口空隙，结构很特殊，需作为单独研究。因此，在分析试件高度的时候试件底部和顶部宜预留8～12mm的高度不用扫描，这样既节省试验费用，又可以摒除不利的影响因素。扫描层厚根据试验设计者的要求需要可以自行选取，现在市面上的CT机械检测的几何灵敏度一般可以达到0.05mm，一般选取2mm为一个扫描层的比较常见，可以满足沥青路面微（细）观分析。采用单张沥青路面混合料CT扫描图像简要介绍所获得的数字图像用于定量分析前通常需进行的一般处理内容，如：滤波去噪、图像增强、图像阈值化、颗粒复原、颗粒分离和集料内部的空洞还原等（如图3～5所示）。经过处理后，可对集料颗粒的边缘进行识别与提取、对混合料间的空隙、沥青胶浆的面积组成进行计算等。常用的软件有：Photoshop、Image Pro Plus、MATLAB等。

5 结束语

本文仅对沥青路面多尺度、集料和空隙特性三方面做简要的论述。研究结果表明：①基于沥青路面多尺度性能，可以采用RVE方法充分关注小尺度结构特征，拟合本构关系，建立有限元模型，虚拟沥青路面各标准状态下的力学行为，减少室内试验，节约时间和成本；②充分关注单个集料本身的性能、空间分布状况以及模拟沥青路面力学性能的方法等问题，用计盒维数法可以比较稳定地分析单个颗粒以及沥青路面剖面中颗粒的几何形状，可以很好地描述集料特性，求出的分维数，是联系微观与宏观的桥梁；③沥青路面空隙是影响路面复杂力学性能的主要原因，应用分形几何法对空隙空间分布进行描述，采用CT扫描对空隙空间进行实测，通过对CT图像的灰度处理，根据灰色关联度描述断面空隙的复杂程度；④CT技术是无损检测，是现阶段研究沥青路面微细观方面较先进的技术手段。CT技术与图像处理软件相结合，可以方便直观地解决集料颗粒边缘的识别与提取空隙的空间分布、沥青胶浆面积组成计算等宏观领域不能解决的问题。CT技术还可以准确真实直观的观察到沥青路面各个受力阶段的微细观变形，但真正建立三维沥青路面分形理论模型，具体与实际路用宏观力学性能建立一定的相关关系还需要进一步的探索研究。

[1] 裴建中.沥青路面细观结构特性与衰变行为[M].北京：科学出版社，2010：1－4.

[2] 刘福明，王端宜.沥青混合料损伤演化的多尺度模拟[J].中国公路学报，2010，23（2）：1－6.

[3] 黄晚清.SMA粗集料骨架结构的细观力学模型研究[D].成都：西南交通大学，2007：7－14.

[4] 谭积青.粗集料形态与沥青混合料级配组成虚拟力学试验的基础方法研究[D].广州：华南理工大学，2006：1－4.

[5] 颜强，黄彭.沥青混合料空隙的分形特性[J].同济大学学报，2004，32（1）：43－48..

[6] 段跃华.基于X－ray CT的沥青混合料粗集料基础特性研究[D].广州：华南理工大学，2011：1－11.

[7] 王海年，郝培文.沥青混合料微细观结构的研究进展[J].长安大学学报：自然科学版，2008，28（3）：11－14.

[8] 马贵君，张敬学.沥青碎石联结层的设计参数分析[J].交通科技与经济，2011，13（3）：32－35.