多孔排水沥青混合料细观空隙结构研究

康兴祥，马 骉，王小庆，司 伟，胡永平

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引言

多孔沥青混合料(Porous Asphalt Mixture，PAM)是一种典型的骨架-空隙结构，内部含有大量空隙，空隙率在15%～25%之间。与传统的密实沥青混合料相比，内部充足的空隙结构使得PAM兼顾排水、降噪和抗滑等优异的性能[1-3]。因此，PAM被越来越多地应用于城市道路和高速公路。

空隙一般可分为开口空隙和闭口空隙，开口空隙又包含连通空隙和半连通空隙(图1，Ⅰ连通空隙，Ⅱ半连通空隙，Ⅲ闭口空隙)，其中空隙特征是沥青混合料最重要的体积特征参数之一，直接影响着沥青混合料的力学强度和耐久性能[4-6]。传统研究中关于沥青混合料内部空隙特征问题，仅针对空隙率而言，依据试验规程[7]，有表干法、水中重法、蜡封法以及体积法等获取混合料的空隙率的方法，但研究发现各类空隙率测试方法所得结果都存在一定的不确定性，尤其是对空隙率大且复杂的PAM而言，传统的空隙测试方法，得到的数据变异系数较大，无法解释实际工程中出现的一系列深层问题。鉴于此，越来越多的研究学者开始将目光聚焦于从细观角度研究PAM内部空隙结构分布特性[8]。

图1 沥青混合料空隙类型[4]Fig.1 Void types of asphalt mixture [4]

随着科学技术的进步，数字图像收集和图像分析等关键技术的应用为PAM细观空隙结构研究提供了基础。裴建中(2009)等[9]采用X-CT扫描和数字图像处理技术相结合的方法，获取了PAM的空隙特征图像、空隙特征参数及空隙竖向分布级配，较为准确地反映了PAM内部空隙空间分布信息；Gao(2020)等[10]和Qian(2019)等[11]基于CT扫描、图像处理技术获取了PAM内部空隙结构特征，包括空隙率、空隙数量、平均空隙等效直径、空隙比表面积等，并借助图像重建和数值模拟的方法分别构建了PAM声学系数预测模型和三维渗透模型，分析表明PAM降噪吸声、渗透特性与空隙结构和分布密切相关。此外，随着对PAM内部细观空隙结构研究的不断深入，研究人员[12-17]发现PAM在长期的服役期间，受到荷载、水和温度等不同条件的耦合作用，其空隙结构不断衰变，甚至会发生空隙堵塞，严重影响PAM排水、降噪等性能。Sanudo-Fontaneda(2018)等[18]通过对室外环境中排水路面进行长达10 a的现场研究，发现多孔排水路面9 a后内部空隙完全堵塞，丧失了功能特性。由此可见，借助X-ray CT、DIP图像处理等技术从细观角度获取PAM内部空隙的大小、形貌、分布等特征参数将是未来研究的趋势[19-21]。鉴于此，为了让研究学者更好地了解目前PAM空隙结构的细观研究方法，详细介绍了目前3种常用于细观空隙结构研究的技术方法，评述了不同技术方法的优缺点；同时根据近年来研究学者对PAM细观空隙结构研究进展，阐述了关于PAM细观空隙结构的各类空隙特征评价指标，分析了各评价指标与PAM性能之间的关系；最后对PAM细观空隙结构未来的研究方向和发展趋势进行了展望，以期丰富PAM空隙结构研究内容，并为后续多孔沥青排水路面的研究和应用提供参考。

1 PAM细观空隙研究方法

在美国SHRP计划中，研究学者[2, 22-23]已经开始逐渐意识到微细观结构对于沥青混合料性能的影响。汪海年(2008)等[8]首次利用图像处理技术对所获取的原始图像进行处理，定量分析了沥青混合料中集料的形状和分布特性。随着研究的不断深入，X-ray CT无损检测技术被应用到沥青混合料细观研究中，所获得图像更具研究价值。尤其针对空隙结构复杂的PAM而言，DIP图像处理技术、X-ray CT扫描技术以及三维模型构建等新手段的创新型应用，极大推动了PAM内部细观研究进程。

1.1 DIP图像处理技术

图像处理技术是从原始图像中提取图像信息，经过离散化转化为数字信息，并通过对数字信息施加某种特定的运算程序和方法进行图像重组，将原始图像中的相关特性再现为研究学者所需的图像，进行相关分析和研究[24]。近年来，图像处理技术被广泛应用于路面材料工程等领域。对多孔沥青混合料而言，众多研究学者通过图像处理技术(如Photoshop、Matlab等成熟软件)对多孔沥青混合料内部细观结构有了更清晰直观的认识，为PAM路面的数值模拟和建立相关的三维模型提供一定基础，OGFC多孔混合料利用Matlab处理后图像如图2所示。

图2 多孔沥青混合料图像处理步骤示意图[25]Fig.2 Schematic diagram sof image processing steps of porous asphalt mixture[25]

汪敏等[26]通过数字图像处理技术Matlab软件，提取PAM混合料内部结构断面空隙数量、大小以及分布情况，借助获得的相关参数开展了PAM混合料细观特性研究；基敏雪等[27]利用Matlab软件对不同空隙的沥青混合料原始图像进行处理，获取空隙结构的一系列指标，包括断面空隙总面积A；单个空隙面积的等效直径Di；断面平均单个空隙的等效直径D；断面空隙率n，如表1所示。

表1 多孔沥青混合料细观空隙特征[27]Tab.1 Mesoscopic void characteristics of porous asphalt mixture[27]

1.2 X-ray CT扫描技术

X-ray CT扫描技术是一种较为前沿的无损检测方法。利用X射线从各个方向穿透沥青混合料试件，可获取其内部三维空间结构[28]。X-ray CT扫描仪一般由4个部分组成，包括X-ray射线源、准直器、试件控制器、X-ray辐射探测器，其工作原理如图3所示。

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

X-ray CT扫描可以获取不透明固体材料的3D几何特性的数值信息，将材料内部情况进行一个完整的视觉转移。Plessis A等[30]对X-ray CT扫描技术在沥青混合料等建筑材料细微观结构研究进行了综述，介绍了其在沥青混合料细观空隙结构研究中的相关应用，指出CT扫描过程涉及样品设置、扫描、重建及图像可视化和分析等，通过对CT图像分割选择空隙空间，获取空隙体积、比表面积及每个空隙的其他参数，可对空隙结构进行定量分析。对于空隙结构复杂的PAM而言，X-ray CT扫描技术作为有效研究手段，被越来越多的研究人员所青睐[31]。肖鑫等[32]和Zhang等[23]基于工业CT扫描得到断层图像和3D图像(图4)，通过改进的大律法[33]有效提取了PAM内部空隙信息，提出空隙率、连通空隙率、比表面积以及弯曲度的算法进行空隙空间分布特性分析，为研究PAM排水特性提供了一定支撑。Jiang等[34]通过CT技术对多孔沥青混合料切片扫描，得到多孔沥青混合料的内部空隙特征，分析发现空隙直径与多孔沥青混合料的肯塔堡飞散损失、动稳定度、抗剪强度、降噪性能以及堵塞性能呈线性相关；Zhou等[35]利用CT扫描和图像处理研究堵塞颗粒粒径和空隙大小对堵塞的影响，结果表明空隙结构尺寸的大小对堵塞颗粒是否堵塞空隙起决定性作用。

图4 试件3D可视化和2D断面CT图像示例[35]Fig.4 Examples of 3D visualization and 2D section CT images of specimen[35]

大量研究表明，X-ray CT扫描技术在工程领域的创新型应用，促进了细观空隙结构的研究，通过CT扫描得到的断层图像和3D图像极具研究和应用价值，但X-ray CT扫描设备费用价格昂贵，所以CT扫描技术不宜作为常规试验手段，应在了解试验性能优势的情况下，作为一种验证或探索性方法合理地选择应用。

1.3 数值模拟技术

随着多孔沥青混合料内部微细观结构研究的不断深入，越来越多的学者运用数值模拟方法构建试件的三维模型[36]，可视化地将试验过程中PAM细观空隙结构的状态通过图形、图表等方式输出，得到的信息更加丰富，借此更为简单有效地研究PAM混合料性能。周韡等[37]和马涛等[12]通过PFC离散元软件构建了PAM的三维模型，借助开发的离散元模型空隙结构提取分析方法，通过模拟试验，研究了不同影响因素下多孔沥青混合料的空隙衰变规律，荷载、外界环境温度均为空隙衰变的不利因素；Gruber等[38]通过Avizo有限元软件模拟了水流在多孔沥青混合料内部空隙结构中的渗水过程，发现3个不同水流方向的渗水系数的差异达到50%；Qian[11]等基于晶格玻耳兹曼方程(Lattice Boltzmann Method，LBM)建立了多孔沥青混合料内部空隙介观渗透率数值模型，其中图5(a)为水流渗透模型3D图像，通过应用不同的边界条件可以准确地得到多孔沥青混合料试样内部任意点的渗透流速的大小及分布情况。由此可见，利用数值模拟技术构建PAM三维模型的方法，已成为研究人员常应用的有效技术手段之一，尤其是对于试验量庞大的问题，例如空隙衰变等，数值模拟技术的应用不仅可以大幅度地缩减试验量，同时随着模型软件的不断更新以及模型边界条件处理的不断合理化，其试验结果越来越接近实际值。但数值模拟技术需要研究人员拥有较强的计算机基础，并需要学习复杂的模型软件。

图5 孔隙介观渗透率数值模型[11]Fig.5 Numerical model of void mesoscopic permeability[11]

综上所述，随着科学技术的不断进步，研究学者对于多孔沥青混合料内部细观空隙结构的认识逐渐深入，特别是CT扫描无损检测技术和图像处理技术在工程领域的应用，极大地促进了细观空隙结构的研究。空隙尺寸、空隙连通路径、空隙比表面积以及弯曲度等一系列指标的相继提出，为利用有限元、离散元以及边界元等数值模拟方法建立多孔沥青混合料模型提供了基础。通过改变边界条件模拟不同环境和因素下所对应的PAM三维模型，简单并更有效地研究多孔沥青混合料内部细观空隙结构对性能的影响。

2 PAM细观空隙分布特征指标分析

传统的空隙率指标对PAM性能研究具有很大的局限性，无法解释实践中出现的深层问题。从细观角度获取PAM空隙特征参数，提出的有效空隙率、空隙等效直径、比表面积、空隙弯曲度等一系列空隙特征指标，为深入研究空隙结构与其性能之间的复杂关系提供新思路。

2.1 有效空隙率

有效空隙率是指多孔沥青混合料中相互连通空隙占总空隙的比例，大量研究表明PAM路面的优异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]通过工业CT扫描和图像处理技术对PAM内部空隙结构分布和空隙连通性进行相关研究，识别和区分了有效空隙和无效空隙结构(图6)，发现无效空隙一般分布在试验的中心区域，而有效空隙多处于试件的边缘的位置，同时研究还表明PAM内部有效空隙率约占总空隙率的82.1%左右；马翔等[42]通过研究建立了有效空隙率、竖向渗水系数、横向渗水系数之间的关系，发现竖向渗水系数与有效空隙率之间存在对数关系，横向渗透系数与有效空隙存在线性相关；此外，李翔等[43]和Alber等[44]通过研究发现连通空隙率下降，会对路面的排水、降噪效果产生较大的影响。因此，在PAM满足力学强度的前提下，需要确保足够的有效空隙率。

图6 PAM试件内部空隙有效性结构示意图[41]Fig.6 Schematic diagram of void effective structure in PAM specimen[41]

2.2 空隙等效直径

空隙等效直径是指运用等效圆法求出每个横截面全部空隙直径的平均值，如式(1)、(2)所示；而平均空隙等效直径则是指计算试件全部截面空隙等效直径的平均值，如式(3)所示[45]。

(1)

(2)

(3)

式中，S为试件每个截面的空隙总面积；p为空隙面积的像素点面积；n为空隙数量；d截面为每个截面的空隙等效直径；h为试件截面的数量；d为试件的空隙平均等效直径。

Yang等[46]通过CT扫描和图像处理获取PAM内部空隙结构特征参数，并借助阈值方法计算出断层的空隙等效直径，发现空隙等效直径与PAM的耐久性、渗透性和降噪等性能密切相关，其中最大空隙等效直径对混合料的性能影响最大。黄宁等[47]采用相似的方法获取空隙平均等效直径，研究了空隙平均等效直径与宏观性能、渗水性能之间的关系，发现空隙平均等效直径增大，劈裂强度、弯曲应变、疲劳寿命呈线性关系减小，渗水系数呈二次函数关系增大；汪敏等[26]通过Matlab对CT图像进行处理得到空隙有效直径等指标，并给出了不同有效直径空隙占总空隙的比例(图7)，发现空隙有效直径主要集中分布在3～12 mm 之间，空隙有效直径d≥20 mm的总空隙面积占总空隙面积的6.8%。

图7 不同有效直径空隙面积占总空隙的比例[26]Fig.7 Proportion of void area with different effective diameters in total void area [26]

2.3 比表面积

空隙比表面积是空隙总表面积与空隙材料的总体积之比，其物理意义是指单位体积内的多孔介质空隙表面积，计算公式如式(4)所示。

(4)

式中,Pij为空隙周长；M为单张图像中空隙的数目；N为图像张数;AT为单张图像总面积。

Zhao等[41]通过研究发现沿试件厚度方向，有效空隙的比表面积在试件两端较大，而在试件中部相对较小(图8)；肖鑫等[48]通过CT和图像处理技术，提取了各个截面的空隙数据，计算出了整个试件的比表面积等空隙分布特征指标，并以此分析PAM试件的渗透性能，发现比表面积越大，其渗透性能越好。

图8 试件比表面积沿厚度方向分布情况[41]Fig.8 Distribution of specific surface areas along thickness direction[41]

2.4 空隙弯曲度

多孔沥青混合料在排水过程中，由于混合料材料固有的不均匀性和各向异性，水在其内部的流动并不是直线前进的，而是迂回曲折地流动[41,49-50]。华南理工大学肖鑫[29, 32, 48]等提出用空隙弯曲度来反映混合料内部空隙结构迂回的程度，并给出了空隙弯曲度T的定义(图9)，即实际水流长度Le与该水流路径出、入孔的直线垂直长度L的比值，表达式为式(5)；通过计算不同空隙弯曲度下的水流流速，发现空隙弯曲度与流速比具有良好的相关性。Ma等[51]和Chen等[52]通过CT扫描和图像处理方法得到PAM内部空隙特征参数，以有效空隙率和空隙弯曲度指标量化了空隙在水平和垂直方向上的分布规律，发现水平方向的渗透系数约是垂直方向的渗透系数的2倍。

图9 空隙弯曲度计算示意图[41, 48]Fig.9 Schematic diagram of calculating void bending[41, 48]

(5)

综上所述，PAM内部富含大量复杂的空隙结构，为更好地研究PAM内部空隙结构对其性能的影响，研究人员不再仅以空隙率为唯一指标，研究学者越来越多从细观角度出发，利用X-ray CT扫描、图像处理、数值模拟模型等先进研究手段获取空隙结构的空隙数量、面积等基本数据，并在此基础之上提出了有效空隙率、空隙等效直径、比表面积以及空隙弯曲度等细观特征指标，对PAM内部细观空隙结构进行深入的研究，研究发现，空隙等效直径与PAM的耐久性、渗透性和降噪性等密切相关，最大空隙等效直径对混合料的性能影响最大。

3 进一步展望

近年来，众多学者从细观角度对PAM空隙结构进行了大量研究，虽然在空隙结构特征指标分析方面取得了阶段性成果，然而PAM试件中的空隙结构极其复杂，目前尚未形成统一的空隙结构特征指标、众多空隙特征指标与PAM性能之间的关系也不明确。因此，对未来关于PAM内部细观空隙结构的研究进行了以下3点展望：

(1)关于细观空隙结构研究方法方面，未来一段时间内还应以当前使用较为广泛的X-ray CT扫描、图像处理以及数值模拟等技术为主要的研究手段，三者的有机结合和创新应用，是以后探索细观空隙结构的分布特性的关键所在；其次，上述3种研究方法都需要进行一定的基本假定，回避了一些关于沥青混合料的细节问题，因此，一些新的研究方法，如当前较为前沿的3D打印、大数据等新技术，也将成为深入研究细观空隙结构特性的突破口之一。

(2)在细观空隙结构研究方面，目前以研究细观空隙分布特性和空隙分布对PAM功能特性的影响为主，未来的研究应贴近工程实际，从空隙结构特征情况全方位地评价多孔排水路面的排水、降噪以及使用寿命等路用性能，并依据空隙变化程度定量表征多孔排水路面的服役状况，以此作为对路面空隙进行养护、清理的依据。

(3)PAM内部复杂的大空隙结构虽然带来了排水、降噪、抗滑等性能的提升，提升了路面的使用质量，但初期的强度低、耐久性差以及空隙堵塞等问题都极大地制约了多孔沥青混合料的应用。因此，如何改善PAM的初始性能，提高耐久性，防止空隙堵塞都将成为未来一段时间内研究的重点。

4 结论

(1) X-ray CT扫描、DIP图像处理、三维模型构建等技术是当前研究细观空隙结构的主流方向，尤其是X-ray CT扫描与DIP图像处理在工程领域的创新应用，以直观的角度对混合料内部空隙结构进行深入的研究，丰富了细观空隙结构的内容；同时各种数值模拟方法也为PAM混合料研究提供了新思路。

(2) 基于各种先进设备的应用，研究人员提出了有效空隙率、空隙等效直径、比表面积以及空隙弯曲度等细观空隙特征指标，并建立了空隙特征指标与PAM性能之间的关系，其中最大空隙等效直径对PAM性能影响最为显著。

(3) PAM是一种在排水、降噪以及抗滑等方面性能优异的路面材料，为使PAM具有更广阔的应用前景，后续研究重点应集中在提高其力学强度和耐久性能方面。