基于CT技术的沥青混合料微细观结构研究进展

杨旋，赵毅，田泽宇，杨小丁

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；3.河北省高速公路京衡管理处，河北 衡水 050000 )

沥青混合料通常视作是由集料、沥青砂浆和空隙组成的具有复杂内部结构的三相复合材料，且集料和沥青砂浆本身均是各向异性的材料，具有多尺度特性[1-2]。沥青混合料的研究尺度可分为宏观、细观、微观和纳观四个水平[3]。传统室内试验方法主要从宏观尺度对沥青混合料的整体特性与路用性能进行研究，无法反映沥青混合料内部结构各组分的空间分布特征。沥青混合料的微细观结构如集料分布、空隙分布、沥青胶浆性质以及不同微细观结构与路面性能之间的关系等方面的研究相对较少[4]。

CT技术是一种无损检测技术，用于获取试件内部微观结构的大量连续截面图像。近年来，该技术已越来越多地用于沥青混凝土[5-6]、水泥混凝土[7]和岩石[8]的结构表征。可用于重建样品的3D结构，以便在各种载荷和环境条件下对材料的性能进行数值模拟。同时，由于CT技术是一种非破坏性技术，经过CT扫描后的样品仍然保持其完整性，可用于其他非破坏性或破坏性的宏观性能试验，如强度或模量试验。因此，CT技术是研究微观结构与宏观性能关系的最有效工具之一。

1 X-CT扫描技术

利用 X 射线扫描探测被检测物体获取垂直于试件高度方向上的圆形断面图像，X-ray断层扫描原理见图1[9]。CT扫描技术是利用 X 射线与探测器对物体进行断面扫描的，由于物体不同部位对X射线的吸收率和通过率不同，X射线穿透物体后，其强度会发生不同程度的衰减，探测器可以探测到X射线穿透物体后的强度信息，将该信息录入计算机进行处理，即可获得扫描物体的断面或立体图像。

图1 X-ray断层扫描原理[9]

2 沥青混合料空隙分布特征

细观空隙分布特征对沥青混合料的性能有重要影响[10-11]。目前，关于细观空隙分布的研究主要集中于以下方面：细观空隙分布特征及其影响因素和细观空隙识别精度及其对宏观性能的影响规律。

2.1 细观空隙分布特征

对沥青混合料空隙细观分布特征的研究主要采用统计学的方法，需要统计计算的空隙特征参数可分为两类：一类为表征空隙数量的参数；另一类为表征空隙大小的参数(表1)。连通空隙分布特征是透水沥青混合料细观空隙研究的重点，Masad等[12]根据沥青混合料CT图像提出了识别空隙是否连通的算法。该算法从沥青混合料试件顶部第一幅图像开始，对于每个识别出的空隙，检查下一张图像中的相同及其周围位置，如果在这些位置中的任何一处存在空隙，则认为该空隙在这两幅图像中连通，重复相同的步骤，直至检查完底部最后一幅图像。表征连通空隙特征的参数见表1、表2。

表1 表征空隙的参数

表2 表征连通空隙的参数

裴建中等[13]基于多孔沥青混合料试件CT扫描图像，采用空隙率、空隙轮廓分维数与空隙面积分维数等参数对空隙的竖向分布特征进行研究。郭乃胜等[14]利用CT技术和DIP技术获取了沥青混合料的计算空隙率，发现单层截面计算空隙率与试件高度有关，据此提出了三段式的划分方法(图2)，建立了中部空隙贡献值与整体计算空隙率的关系，从而快速预测沥青混合料空隙率。

图2 三段式分区法示意[15]

2.2 细观空隙识别精度

CT机参数的合理配置对沥青混合料细观结构重建的准确性有重要影响，在CT扫描沥青混合料过程中，提高扫描精度最有效的途径是参数调节和优化[15]。谭忆秋等[16]对CT机参数配置及混合料级配类型对空隙率测试精度的影响进行研究，确定了最优CT设备参数配置。此外，由于CT成像机理及沥青混合料级配组成变化(级配越细，射线相对出入界面的次数越频，能量损失越大，反射射线的干扰越严重)等因素，使得沥青混合料CT图像的差异性物质很难被有效识别。同时，理论上具有相同密度的物质在不同位置的灰度值应一致，但由于工业CT机扫描能量的限制，使其在距试件中心轴不同距离的位置呈现不同的明暗程度。这些都给集料、空隙以及沥青胶浆信息的准确识别带来困难，因此，必须对CT图像进行精细化处理后才能准确地识别空隙信息，主要包括图像增强、图像分割及图像识别等操作[17-18]。

通过图像增强技术，能够突出图像中各组分物质的显著特征，真实反映图像的有效信息，改善图像的判读和识别效果。沥青混合料CT图像的增强主要采用灰度变换、直方图处理、中值滤波、图像平滑、维纳滤波等方法实现。灰度变换和直方图处理等方法可以提升CT图像的对比度，中值滤波、图像平滑及维纳滤波等能降低CT图像的噪声，提高信噪比。增强后的CT图像，噪声明显降低，且不同物质像素间的对比度显著提升。之后，可对沥青混合料的各相材料进行识别，获取目标物质的图像信息。图像的识别方法主要包括阈值法、区域法、边缘法和特定理论法[17]。阈值分割方法是沥青混合料CT图像分割中应用最多的，常用的方法包括OTSU阈值分割和迭代阈值分割等。图像阈值分割的关键问题是确定合适的阈值。密级配沥青混合料细集料颗粒较多，图像处理过程中常发现很多粘连颗粒需要分割。Zhang等[19]研究认为，对路面芯样的CT图像分割，OTSU方法不够有效，并建立了基于环形分割的迭代阈值分割算法，可有效地分割图像中粗集料颗粒；洪浩等[20]提出OTSU算法与遗传算法(GA)相结合的阈值分割方法。

2.3 细观空隙分布影响因素

沥青混合料的空隙细观分布特征受级配类型、压实方式、试件尺寸等多种因素的影响，而且在沥青混合料设计阶段做出的微小改变，都会使其细观结构发生巨大的变化。

王聪等[21]运用不同成型方法成型沥青混合料试件，采用CT技术研究其内部空隙特征，发现试件成型方法及级配类型对空隙的空间分布有重要影响。Xu等[22]通过对体积参数相同的样品(如VCA和VMA)进行CT扫描，发现相同体积参数的样品内部空隙分布不同。Lublóy 等[23]通过 CT 技术对沥青路面钻芯试样进行研究，发现在沥青路面不同面层内部的空隙呈不均匀分布，且不同面层交界处的空隙含量会发生突变。

2.4 细观空隙分布与宏观性能关系

沥青混合料作为一种多孔性材料，其宏观性能受空隙的尺寸、形貌、空间分布及连通性等影响很大。蒋玮等[24]基于CT技术研究了多孔沥青混合料细观空隙特征对混合料性能之间的关系，研究表明，对于相近空隙率的多孔沥青混合料，不同的材料组成会造成路用性能和降噪功能的不同，并认为空隙等效直径的变化是造成这种差异的重要因素。Torres[25]研究认为，连通空隙的分布特征对沥青混合料渗透性有重要影响。肖鑫等[26-27]利用CT技术研究了排水沥青混合料连通空隙细观特征对渗流的影响，建立了渗水数值模型。Zhao等[28]采用CT技术研究了连通空隙对多孔沥青混凝土渗透性的有效性，将连通空隙分为有效连通空隙和无效连通空隙，发现有效连通空隙率与总空隙率高度相关，无效连通空隙以向样品中心集中的方式分布，而有效连通空隙则稍微靠近样品外部边缘分布，并提出采用位置偏心率作为空隙分布均匀性评价指标。

基于统计方法的沥青混合料空隙细观分布研究，其结果的精确程度极大地得受到CT扫描精度、图像质量以及图像处理技术的限制，因此，必须进一步发展CT技术扫描精度和图像分析技术，以对沥青混合料的空隙分布进行更加详细和全面的分析，从而更好地理解沥青混合料细观空隙分布特征及其对宏观性能的影响规律。

3 沥青混合料均匀性

随着公路沥青路面的大规模应用和早期损害的频繁出现，对沥青路面均匀性的评价和控制变得越来越重要。测试沥青路面均质性的常规方法包括铺砂法、目测法和核子密度测量法，旨在通过研究沥青混合料的空隙和密度等来间接研究沥青混合料的均质性。但这些方法只能用于评估沥青混合料表面的均匀性，而无法获得有关垂直均匀性的信息。随着CT技术的迅猛发展，其被越来越多地应用于沥青混合料均匀性研究。

3.1 二维均匀性评价

采用CT技术获取沥青混合料的内部结构图像，然后对其典型断面图像进行不均匀程度分析，进而评价集料的均匀性。叶飞[29]采用CT扫描技术对不同均匀程度的集料进行扫描，选择其典型部位的断面图像，通过格子方差法、MATLAB法和绘制三角形法进行不均匀程度判断，最后计算出每档集料的离析程度。胡力群等[30]采用CT扫描仪获取不同离析程度的集料截面图像，提出颗粒分布离散系数作为路面混合料均匀性评价指标，并将此评价指标应用于实际工程中，同时给出了基于离散系数为评价指标的离析程度等级划分建议值，离散系数在 0～0.5 属于无离析、0.5～1.0属于轻度离析、1.0～1.5属于中度离析，大于 1.5 属于严重离析。

3.2 三维均匀性评价

运用CT技术三维重构沥青混合料的内部结构，能够真实地反映集料颗粒的空间形态。因此，CT技术被更多地应用于集料结构三维均匀性评价。

Azari[31]基于沥青混合料试件CT扫描图像，建立了以标准正态分布参数为评价指标的沥青混合料集料分布均匀性评价方法。Liu等[32]采用CT技术和分形理论研究了沥青混合料钻芯试样的均匀性，研究表明，分形维数与均匀性系数具有良好的负相关性，分形维数可以定义沥青路面的离析。李智等[33]基于CT技术虚拟重构了沥青混合料试件，并对重构试件进行虚拟抗压试验，据此提出了采用截面压应力均值和应力分量分布不均匀系数指标评价沥青混合料质量均匀性。

郭乃胜等[34-35]运用CT技术获取沥青混合料试件截面粗集料、砂浆和空隙的分布特征，分析各组分的密度和面积，建立了沥青混合料内部结构均匀性评价方法。单层截面均匀性评价指标(Kd)，见式(1)，单一沥青混合料试件均匀性评价指标(Kz)，见式(2)。

(1)

(2)

其中，ρij、ρdij分别为试件第j层截面中第i个区域的均匀性评价参数和评价参数标准值；n为试件数字图像截面层数；t为单层截面同心圆数。

国内外研究学者虽然应用CT技术对沥青混合料均匀性评价方法及指标和判定标准等方面已取得大量研究成果，但国内外尚未形成统一的规范或标准，现有研究成果尚不成熟。而且，由于CT图像分辨率及图像处理技术等的限制，也会影响最终集料分布均匀性的评价结果。

4 沥青混合料微观结构损伤

导致宏观强度降低的微观结构演变，例如微裂纹或微孔隙的生长，称为损伤。Wang等[36]认为，空隙过多会降低沥青混合料对路面损坏的抵抗力，因为空隙无法传递载荷，从而使可用来抵抗施加力的有效面积减小(单位面积上的集中力更高)而使材料变弱，并提出了损伤参数表征损坏以及两个损坏面之间的相互作用强度。空隙和裂缝决定了沥青混合料试样的破坏参数值。使用CT扫描系统以及数字图像分析技术，可以检测出空隙和裂缝，以检测沥青混合料样品中的损伤参数。在沥青混合料微观结构损伤的研究中，通过CT技术比较变形前后空隙率、平均空隙尺寸和空隙形状等空隙特征的变化能够反映不同载荷条件下沥青混合料的损伤累积。

4.1 疲劳

沥青混合料的疲劳通常由三种状态组成，即裂纹萌生、裂纹扩展和破坏。第一步是裂纹萌生，首先产生微裂纹，然后微裂纹扩展，形成大裂纹。最后一个状态是破坏，这是由于不稳定的裂纹扩展导致的。

Hassan等[37]利用CT技术对比分析了沥青混合料试件在进行单轴压缩试验和间接拉伸疲劳试验前后的空隙和裂纹特性。对于压缩下变形相关的损伤，推荐采用空隙率和空隙形状进行表征；而对于裂纹扩展的表征，推荐采用分形维数、裂纹密度、裂纹弯曲度和裂纹分支因子。肖佳哲[38]基于CT技术和冻融循环试验对冻融条件下沥青混合料内部细观参数的变化进行研究，分析比较了各参数对冻融作用的敏感性，提出将空隙率作为敏感参数修正疲劳方程。

4.2 永久变形

永久变形由两种不同的机制组成：致密化和反复剪切变形。永久变形与微裂纹有关，当进行反复加载时，沥青混合料会随着塑性变形的积累而硬化。由于无法快速愈合，沥青混合料会产生微裂纹。

Tashman等[39]在三轴压缩试验之前和之后，使用CT技术研究了沥青混合料在高温下的损伤演变，发现试样的顶部显示出明显的开裂，中间的部分显示出明显的膨胀，而底部则发生了微小的组织变化。Li等[40]采用ARLPD试验和CT技术研究了不同类型的沥青路面在反复荷载和高温下的破坏模式。根据测试前后空隙分布的变化，发现覆盖层的永久变形主要是由致密化作用引起的，而在中部和底部沥青层中，剪切流对变形起主要作用。对于新建的HMA路面结构，致密化作用是沥青面层的主要车辙机制。Hu等[41]采用CT技术研究了级配类型对沥青混合料高温变形的影响，发现沥青混合料的级配不同，高温损伤方式不同，在相同级配类型的沥青混凝土中，空隙随着NMAS的减少而增加，微裂纹的出现是由于细集料的作用。

4.3 水损害

就损伤力学而言，沥青混合料是一种有微缺陷的材料，由于水分、环境及负载的影响，混合料内部的微缺陷会萌生并且逐渐扩展，形成宏观裂纹和裂缝，降低混合料性能。

Xu等[42]采用CT技术研究了冻融循环后三种沥青混合料(AC、SMA和OGFC)的内部结构变化规律，发现沥青混合料的内部结构特性不同，会导致在冻融循环下内部结构变化和微裂缝形成的形式不同，而且设计空隙率和饱水率对冻融循环前后沥青混合料内部结构演变有重要影响。Chen等[43]采用CT技术研究了不同堵塞程度的OGFC沥青混合料在冻融循环作用下的残余膨胀和性能的变化，研究发现堵塞会降低OGFC沥青混合料的连通空隙率，且堵塞会使OGFC沥青混合料受冻融作用的影响加剧。Xu等[44]通过SEM、CT扫描技术、界面剪切试验和间接拉伸试验对冻融循环作用下沥青混合料的破坏进行了系统研究，发现沥青混合料的水损坏是内部结构破坏和材料性能综合作用的结果。在初始冻融循环的作用下，内部结构破坏是沥青混合料力学性能破坏的主要原因，而沥青与集料之间的界面键合参数的影响贯穿整个冻融循环的运行过程。认为在冻融循环作用下，集料和沥青完全分离是沥青路面松散的根本原因。

由空隙结构变化控制的沥青混合料破坏以多种方式发生。首先，现有单个空隙的尺寸增加，并发展形成裂缝；其次，两个分开的空隙结合并扩散，从而在损伤附近形成裂纹；第三，产生了新的空隙。因此，基于CT技术无损检测的特点，能够较好地识别沥青混合料试件在加载试验前后内部结构的变化，但目前，采用CT技术仅能够无损地检测出沥青混合料试件损伤前后空隙和裂缝的变化，而不能实时监测混合料损伤变化的过程，而这对进一步理解沥青混合料的损伤规律至关重要。

5 沥青混合料虚拟力学试验

虚拟力学试验与宏观试验相比具有高效、经济的优势，同时能建立沥青混合料的微观结构与宏观力学性能间的联系。

5.1 有限元法

有限元方法在沥青混合料的虚拟力学试验中被广泛应用。You等[45]采用CT技术和ABAQUS有限元软件建立密集配沥青混合料有限元模型，成功模拟了单轴试验和重复蠕变-恢复试验，验证了基于CT技术和有限元方法的3D模型用于模拟宏观热力学响应的可行性。Hu等[46]利用CT扫描技术和有限元方法建立了沥青混合料的有限元模型，以研究集料对界面剥离的影响。研究发现高温下，粗集料会导致复杂的应力集中和分布，并严重破坏界面。且集料的比例会影响裂纹的数量，粗集料会引起较大的界面裂纹，细集料会导致微小的界面裂纹，破坏过程可分为三个阶段。Kollmann等[47]运用CT扫描和数字图像处理(DIP)技术重建沥青混合料样本的微观结构，利用二维双线性内聚力模型，建立了有限元模型，通过模拟间接拉伸试验(IDT)对有限元模型进行优化和验证，然后，使用验证的模型研究温度和空隙对沥青混合料开裂行为的影响，发现不同类型的空隙在不同温度下对性能的影响有差异。

5.2 离散元法

许多学者采用离散单元法模拟沥青混凝土试验。You等[48]基于沥青混合料试件的三维CT扫描图像，建立了2D和3D离散元模型，发现3D离散元模型成功地预测出温度和加载频率范围内的混合模量，而2D模型预测的模量低于3D模型。焦丽亚[49]运用CT技术扫描沥青混合料试件，基于离散元方法建立虚拟试验模型，模拟单轴压缩试验，对受力加载过程中试件内部结构的变化规律进行研究，发现集料颗粒在受压时的运动具有普遍规律，且级配类型对沥青混合料内部受力有影响。李雪连等[50]结合CT技术和PFC3D软件，建立了沥青混凝土模型，对其进行间接拉伸模拟试验，并基于分形理论分析裂缝的维数变化，提出了裂缝扩展过程的定量指标。

以上研究表明，基于CT图像的有限元及离散元模型能够实现沥青混合料内部结构的二维及三维重构。二维数值模型与三维数值模型相比，虽然求解效率高，但不能真实地反映沥青混合料三维结构的力学响应，导致仿真结果的可靠性相对有限。因此，建立高精度的三维数值模型，设定更加合理的虚拟试验条件，是提高沥青混合料虚拟试验结果可靠性的关键。

6 结论

(1)利用CT技术结合图像处理技术可以准确地获取沥青混合料的微观结构，实现对沥青混合料的空隙分布特征、集料均匀性以及微观损伤特性等的定量分析，从微观的角度理解沥青混合料的宏观性能。

(2)基于CT技术的虚拟力学试验能够实现沥青混合料的微观结构与宏观力学性能的联系。同时将虚拟力学试验结果同宏观试验进行对比，能验证所建数值模型的准确性，以进一步研究沥青混合料在不同试验下内部结构的变化规律。

(3)沥青混合料空隙细观分布的研究主要采用统计学的方法，这极大地受到CT技术扫描精度范围的限制，而且图像处理技术过程复杂，未形成统一的标准。因此，需要进一步发展CT技术扫描精度和图像处理的标准方法和图像的自动化分析。

(4)基于CT技术的集料均匀性评价方法大多只考虑了粗集料对沥青混合料质量均匀性的影响，而沥青混合料是多相体，各相物质对内部结构均匀性的影响都应予以考量。

(5)基于CT技术的微观损伤研究仅能够无损地检测出沥青混合料试件损伤前后空隙和裂缝的变化，而不能实时监测混合料损伤变化的过程，这对理解沥青混合料的损伤演变至关重要。因此，应当考虑如何利用CT技术实时捕获在加载作用下沥青混合料内部结构的损伤演变行为。

(6)基于CT技术的虚拟力学试验受到模型精度不够、物质间接触关系定义和标准材料特性的参数设定不够准确，以及计算效率低下的限制，使得模拟结果的可靠性不足，而不能广泛地应用虚拟仿真取代真实试验。随着CT扫描技术和数值仿真技术的发展，三维几何模型的精度提高，虚拟试验条件设定更加合理，仿真试验的结果也将能反映真实宏观试验的结果。