多孔沥青混合料细观构造研究

李棋伦

（广州市市政工程设计研究总院有限公司 广东广州 510060）

随着中国经济建设的飞速发展，城镇化进程不断加快。在发展过程中，越来越多的城镇面临着内涝、噪音等问题。多孔沥青混合料（porous asphalt mixture，即PA）因具有透水、降噪、抗滑等优良特性而受到广泛重视与推广应用[1-2]。

沥青混合料是由集料、粘弹性的胶浆及空隙组成的复杂构造体系[3]，具有十分显著的非线性力学特征及颗粒特性，其路用性能是混合料细观结构的外在体现。研究多孔沥青混合料的细观结构，从细观结构上对沥青混合料的特点进行分析，对于深入了解混合料的路用性能，进而优化沥青混合料的结构组合设计，均具有十分重要的指导意义。

1 多孔沥青混合料设计

本论文选用四种OGFC（open graded friction courses）研究多孔沥青混合料的细观构造，混合料的路用性能指标见表1。

表1 多孔沥青混合料路用性能

OGFC因粗集料相互嵌挤构成紧密的骨架，混合料具有良好的高温性能；但同时，也因为骨架之间存在大量且连通的空隙，混合料的稳定度较常用的AC、SMA混合料结构偏低。

2 多孔沥青混合料试件成型

和普通的混合料成型方式相比，轮碾成型机通过控制试件的终碾高度，能够较为精确的控制混合料的密度，从而达到控制试件空隙率的目的。同时，与一般的成型方式相比，轮碾成型机的荷载及成型方式与实际路面路用的压路机更为接近，故而成型的混合料更为接近路面实际情况。

使用轮碾成型机，分次成型 10cm OGFC-13（1）、4cm OGFC-10+6cm OGFC-13（2）、4cm OGFC-13（1）+6cm OGFC-20 试件，用于分析排水路面的细观构造。

3 多排水路面细观构造

3.1 CT技术

本研究中使用德国YXLON公司制造的PrecisionⅡ型工业二级CT以识别混合料内部特征。

混合料由集料、胶浆、空隙三相组成。粗集料相互嵌锁，构成了试件的骨架，而胶浆裹附在集料上，其余部分则为空隙。

3.2 数字图像处理

为获取混合料内部结构的细观特征，使用直方图均衡算法对灰度图像进行增强处理，然后再通过中值滤波算法降噪，图像闭运算填充混合料内部细小空洞，联结邻近物体，并在最后使用图像分割算法分割混合料各组分，识别混合料内部特征。

本文使用OTSU算法用于图像分割。OTSU算法该方法又称作最大类间方差法，是一种自适应的阈值确定方法，该算法通过计算图像的最佳阈值来区分目标图像和背景图像，由于简单、快速以及性能稳定而被广泛应用[4]。

本文以0.2mm为间隔，从底部开始由下至上扫描试件，获取混合料内部灰度图像，数字图像处理，提取CT图像的特征。本文接下来的分析中，对混合料的空隙率、空隙数量以及最大空隙的面积进行分析：

统计处理后图像空隙部分与其他部分的像素点个数，则可确定空隙部分占混合料截面的面积比率，以此作为该0.2mm高度范围混合料的空隙率。

使用regionprops函数度量图像区域属性，识别处理后截面范围内的连通域为独立的空隙，统计截面上独立空隙的个数可认为是该0.2mm高度范围混合料内部空隙的数量。

按照扫描图像的比例关系，计算CT图像内单位像素点的面积，统计单个空隙内部像素个数，则可得到截面上各空隙的面积，对混合料各截面上最大空隙的面积进行统计，可认为是0.2mm高度混合料内部最大空隙的面积。

3.3 多孔沥青混合料空隙率纵向分布

一般来说，成型过程中沥青混合料试件内部空隙的纵向分布会呈现出不均匀的分布。分别计算试件各断面的空隙率，将其绘制于一张图中，便可得到双层排水路面内部空隙率的纵向分布，结果见图1。

图1 单层OGFC-13纵向空隙率分布

表2 多孔沥青混合料空隙率统计结果

（1）混合料空隙率呈现出上、下高，中间低的纵向分布规律，其中双层排水试件上下面层的界面附近空隙率会出现一个峰值，该峰值位置即为上下面层的交界处。

（2）下面层粗粒径混合料试件中间空隙率的波动幅度往往又大于上面层细粒径多孔沥青混合料。对于多孔沥青混合料来说，最大粒径越大，空隙率越大，则混合料内部空隙变化也越大。

3.4 多孔沥青混合料空隙数量及最大空隙面积纵向分布

统计CT图像内的空隙数量和空隙面积，结果见图2、图3。

图2 空隙数量纵向分布

图3 空隙最大面积纵向分布

分析三种试件内部空隙分布规律，所用四种混合料按空隙数量多少排序为：OGFC-10>OGFC-13（1）>OGFC-13（2）>OGFC-20，按最大空隙面积大小正好相反，为 OGFC-20>OGFC-13（2）>OGFC-13（1）>OGFC-10。双层排水路面下面层混合料的空隙率和粒径均大于上面层混合料，这主要是因为，混合料中集料粒径越大，粗集料之间的空隙则越大，故混合料内部最大空隙面积和平均面积越大，则单位面积内空隙数量越少。

双层多孔沥青混合料试件，上面层的空隙数量要多于下面层，而最大空隙面积和平均空隙面积的分布规律则完全相反，这种空隙分布使双层排水路面形成“筛子效应”：上面层的混合料的空隙较小，阻止大粒径的杂物进入混合料的内部；而下面层的空隙较大，水流可轻松排出进去混合料内部的细小灰尘与其他杂物，防止堵塞。因此，可以很容易地利用真空吸尘和水枪喷射等技术，将被堵塞的上面层清理干净。即使双层排水路面的上层被堵塞而没有被及时清理，由于空隙被堵塞，当路面上有积水时，车辆行驶会产生很大的水压力，将细小的堵塞物冲入下面层，而下面层的空隙则明显更大而不会被堵塞，杂物被冲走，达到自清洁的效果。

4 总结

本文设计了三种排水路面结构组合（单层OGFC-13、双层OGFC-13（1）+OGFC-20、双层 OGFC-10+OGFC-13（2），并研究分析了多孔沥青混合料的路用性能和细观结构特征：

（1）混合料空隙率呈现出上、下高，中间低的纵向分布规律，其中双层混合料试件中间空隙率会出现一个峰值，该峰值位置即为上下面层的交界处。

（2）混合料的粒径越大，空隙率越大，则混合料内部最大空隙面积越大，空隙数量越少，空隙的平均面积越大。双层排水路面结构中，上面层的空隙数量要多于下面层，而最大空隙面积和平均空隙面积的分布规律则完全相反，这种空隙分布使双层排水路面形成“筛子效应”：上面层的混合料的空隙较小，阻止大粒径的杂物进入混合料的内部；而下面层的空隙较大，水流可轻松排出进去混合料内部的细小灰尘与其他杂物，防止堵塞。