两类型沥青混合料粗集料微观轨迹分析

王　可

(现代投资股份有限公司， 湖南 长沙　410004)



两类型沥青混合料粗集料微观轨迹分析

王可

(现代投资股份有限公司， 湖南 长沙410004)

[摘要]基于数字图像处理(DIP)技术，对AC-13和SMA-13两类型沥青混合料进动态行剪切疲劳性试验，通过对试验前后试件进行CT扫描，并对CT图像进行细观特征参数参数提取，对比分析2类型混合料破坏前后的粗颗粒的运动轨迹。结果表明，破坏后AC-13级配混合料粗集料位移量L比SMA-13级配大，AC-13级配粗颗粒位移平动角在所有层位的平均值分布均值波动大于SMA-13级配，各层位粗集料面积均值AC-13级配面积差变化比SMA-13大，面积差较大都是出现在中间层位，AC-13粗集颗粒取向角整体变化差值较SMA-13级配较为明显。

[关键词]沥青混合料； 数字图像处理技术； 动态剪切疲劳试验； CT扫描； 粗集料运动轨迹

0引言

近年来，数字图像处理(DIP)技术在道路领域得到了广泛应用，研究人员通过采用该技术来获取描述其内部结构特征以研究沥青混合料的力学特性[1-3]，为拓宽学科发展提供了新的方向。Yuan等[4]应用数字图像处理技术测量了沥青混合料试件疲劳破坏过程。Cai和Birgisson等[5，6]采用该技术对沥青混合料的抗车辙及疲劳开裂性能进行了评价。吴文亮等[7]应用DIP技术分别对AC-13C沥青混合料试件车辙试验前原始图像及加载不同次数后截面图像中粗颗粒的运动轨迹进行了分析。李佳等[8]基于DIP技术并结合四点弯曲疲劳试验开发了追踪沥青混合料内部粗集料运动轨迹的新方法，并记录了AC-16沥青混合料试件的疲劳破坏过程。本文利用P技术描述沥青混合料疲劳剪切破坏前后粗集料的运动情况，通过定义转角θ和位移量L来描述颗粒发生平动时的运动轨迹，以粗集料颗粒主轴方向为指标，评价沥青混合料破坏前后的颗粒分布情况及排列状态，从微观角度分析沥青混合料内部集料组成及材料性质对沥青混合料剪切破坏的影响。

1沥青混合料粗集料平动及转动机理

沥青混合料在车辆荷载作用下会产生变形，变形过程中内部集料会发生平动和转动，观测颗粒在荷载作用下的运动轨迹对研究抗剪切疲劳破坏的机理具有重要意义。

因为颗粒的面积、周长等都是常数，假设荷载作用仅使得颗粒发生刚体运动，粗颗粒的的坐标(x，y)选取其质心所在位置点，通过虚拟连接试验前后该颗粒质心所在位置坐标，通过定义转角θ和位移量L来描述颗粒发生平动时的运动轨迹，如图1所示。

图1　颗粒运动轨迹示意图Figure 1　Representation of particle moving track

颗粒平动位移量L和转角和θ计算式：

(1)

(2)

式中：x1，y1为粗颗粒原始坐标；x2，y2为粗颗粒发生运动后坐标。

沥青混合料在荷载作用下亦会发生转动，用颗主轴方向作为描述颗粒运动的指标。粗集料的形态不规则多为长方形颗粒，每个颗粒都存在唯一最长弦，称该弦为粗集料颗粒主轴。将形态复杂的粗集料颗粒假设成拥有同样最大弦长和面积的等效椭圆，而椭圆凸边界上任意两点连线的最大值定义为颗粒最大主轴，定义主轴方向α(0≤α≤90°)为最大主轴与水平x轴的夹角[9]，如图2所示。

图2　颗粒主轴方向Figure 2　Orientation of main axis of particle

2试验设计及方法

2.1试件制备

采用旋转压实仪成型100mm×150mm的试件。试验采用石灰岩集料和石灰岩矿粉，沥青采用70号基质沥青，SMA-13混合料中掺加0.3%的木质纤维。AC-13油石比为4.4%，毛体积密度为2.349%；SMA-13油石比为6.3%，毛体积密度2.371。沥青混合料级配AC-13和SMA-13配合比见表1。

表1 沥青混合料配合比Table1 Gradationasphaltmixtures级配类型通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13100.095.4081.352.935.121.615.810.78.45.3SMA-13100.097.175.334.425.721.914.111.78.55.6

2.2试验方法

考虑到用等效短轴描述粒子所带来的误差，以4.75mm来提取粗集料颗粒。运用SPT沥青混合料简单性能试验仪对试件进行动态剪切蠕变试验。采用工业CT分别对剪切疲劳破坏前后的沥青混合料试件进行断层扫描，间隔5mm依次由下而上扫描20层，从而获取不同层位的CT图像数据。运用MATLAB对CT图像进行图像处理，应用Image-Proplus提取出截面粗集料的轮廓，对粗集料进行编号(见图3)，并进行粗颗粒质心X、Y坐标、面积、周长、角度等参数提取，粗颗粒转角θ和位移量L计算方法参考式(1)和式(2)。

图3　粗集料轮廓提取及编号Figure 3　Contour extraction and numbering coarse particles

3沥青混合料破坏前后平动轨迹分析

3.1粗集料位移量L分析

两级配沥青混合料破坏前后粗集料位移量平均值和标准差见图4和图5。

图4　两级配各扫描层位粗集料位移量平均值图Figure 4　The average displacement of two kinds of asphalt mixes at each layer

图5　两级配各扫描层位粗集料位移量标准差Figure 5　The standard deviation of average displacement of two kinds of asphalt mixes at each layer

由图可知：位于AC-13试件两端的层位1～8和13～20层的位移量L平均值浮动较小，而中间部位9～12层位位移量较大，呈“中间大，两端小”的特征，说明试件中部破坏最为严重。SMA-13试件的位移量变化规律与AC-13试件类似，但每一层位位移量平均值均比AC-13小。可见AC-13级配混合料比SMA-13级配破坏严重。AC-13级配与级配SMA-13的中间层位标准差变化较大，说明试件中部位移量波动性大。

AC-13级配为悬浮密实型结构，强度和密实度较大。SMA-13为骨架密实型结构，粗集料含量较多，集料相互间的接触较大，嵌紧能力高，所以SMA-13级配抵抗流动变形如剪切疲劳破坏的能力高。所以纵观两级配粗集料剪切疲劳破坏产生的位移量平均值，AC-13级配混合料比SMA-13级配较大，离散性大，最大最小值之间的差异较大。

3.2粗集料位移平动角分析

平动角的分析是测量出疲劳破坏前后截面内同一粗集料的质心坐标，用式(1)来计算平动转角值，用来描述颗粒发生平动时的运动轨迹，其中两级配粗集料平动转角均值如图6所示。

图6　两级配各扫描层位粗集料位移平动角均值Figure 6　The average of turning angle of coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer

从图6可以看出：AC-13级配沥青混合料在20个层位里的平动角均值波动大于SMA-13级配，AC-13级配出现的最大值比SMA-13的最大值大，最小值比SMA-13的小，损伤破坏不均匀，SMA-13各层位破坏较均匀，都在角度40～50°之间波动。可见SMA-13级配抵抗疲劳剪切的性能要好。

4沥青混合料破坏前后面积变化分析

在沥青混合料疲劳剪切试验后，其内部粗集料会出现各种改变，除了上面列出的粗集料轨迹的改变还有粗集料面积的略微变化，受到挤压破坏、开裂等会影响到集料面积的改变。图7、图8为2种级配破坏前后各层位粗集料面积变化平均值。

图7　两级配实验前后各层位粗集料面积前后对比图Figure 7　The area of coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer before and after the experiment

图8　两级配试件各扫描层位粗集料破坏前后面积差Figure 8　The difference of area coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer before and after the experiment

由图发现：各层位粗集料面积均值都在疲劳破坏以后出现了减小，减小幅度较大的是中间层位8～11层，两端层位变化较小。AC-13级配面积差变化较SMA-13大，尤其是中间层位，而SMA-13除个别层位面积差大于AC-13，其它层位变化较小。这是由于级配SMA-13粗集料的比例比AC-13大，所呈现出来粗颗粒初始面积均值也大于AC-13，但是整体破坏前后变化较小。所以SMA-13级配抵抗荷载作用抗剪切疲劳变形的能力较AC-13级配强。

5沥青混合料破坏前后转动主轴方向分析

沥青混合料是通过集料与集料间嵌挤并利用沥青胶结在一起形成稳定的骨架结构。沥青混合料中粗集料的长轴方向与材料密实度和稳定性关系密切，可以用它来描述沥青混合料的变形，所以剪切疲劳破坏也可以利用长轴方向来评价分析。选用粗集料长轴方向来对比分析沥青混合料SPT简单性能试验前后粗颗粒变化规律。

选取沥青混合料各层位图像中所有颗粒的主轴方向平均值作为此层位的主轴方向大小，将SMA-13和AC-13两级配的破坏前后同一层位粗颗粒主轴方向计算结果，以及破坏前后平均值差值列主轴方向破坏前后平均差值见图9。

图9　两级配破坏前后粗集料长轴方向变化差值Figure 9　The probability distribution of area coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes at each layer before and after the experiment

由图可知：AC-13试件在剪切疲劳试验后试件颗粒取向角相对于初始试件大部分层位均在减小，个别层位主轴方向角反而增大。转角差值最大值出现8～11层，最小值出现在第1和第20层，破坏不均匀，与试件破坏后中间鼓起现象相符。AC-13级配在剪切破坏后集料颗粒的主轴方向变小，说明集料趋于水平方向排列。

SMA-13级配试件试验后的粗集颗粒取向角相比试验前增大较多，但整体变化差值各层位较为均匀，变化没有AC-13明显。

在剪切作用力之下，集料各点受力复杂不一，主轴方向重新排布。沥青混合料的集料间互相的嵌挤和混合料的压实情况能作用并影响主轴取向变化。随着围压的进行，沥青混合料进一步密实，同时受到粗集料嵌挤作用的约束，试件的主轴取向重新排布。

6结语

①AC-13级配粗集料疲劳破坏产生的位移量平均值大于SMA-13级配，且整体比SMA-13破坏稍严重，AC-13级配粗颗粒运动位移离散性更大。

②AC-13级配沥青混合料粗颗粒位移平动角在所有层位的平均值分布均值波动大于SMA-13级配。AC-13平动角整体均值和标准差等均大于SMA-13。

③ 各层位粗集料面积均值都在疲劳破坏以后出现了略微的减小，AC-13级配面积差变化比SMA大，面积差较大都是出现在中间层位。

④AC-13试件中间层位的转角差值也比其它层略大，破坏极不均匀，这跟观察到的破坏后试件中间鼓起相符。剪切疲劳试验后，AC-13级中粗集料趋向水平方向排列，使得颗粒主轴方向夹角减小，SMA-13级配试件的粗集颗粒取向角整体变化差值各层位持平变化没有AC-13明显。

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CalculationofMicroMovementTrackofCoarseAggregateofTwoKindsofAsphaltMixesComposedofDifferentTypeGradation

WANGKe

(XiandaiInvestmentCompanyLimited，Changsha，Hunan410004，China)

[Abstract]Dynamic shear fatigue test was performed for two kinds of asphalt mixes composed of different type gradation which were AC-13 and SMA-13 based on digital image processing，the specimens were carried out CT scan，micro-structure characterization parameters were obtained through image processing，the movement track of coarse aggregate of two kinds of asphalt mixes were compared and analyzed.The results indicate that the displacement value of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture after test was lager than SMA-13 asphalt mixture，the variation of turning angle of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture at each layer was lager than SMA-13 asphalt mixture，the variation of the area difference of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture at each layer was lager than SMA-13 asphalt mixture，the variation of the area of coarse aggregate the layers at the middle of the specimens was larger，the overall changes of the orientation angle of main axis of coarse aggregate of AC-13 asphalt mixture was larger than SMA-13 asphalt mixture.

[Key words]asphalt mixture； digital image processing； dynamic shear fatigue damage； CT scan； movement track of coarse aggregate

[收稿日期]2016-03-14

[作者简介]王可(1982-)，男，湖南长沙人，工程师，从事工程管理研究。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0242-05